（电机与电器专业论文）无刷直流电机无位置传感器控制的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t b r u s l i l e s sd cm o t o r s ( b l d c ) a r ee v e r - i n c r e a s i n g l yu t i l i z e di nm a n yf i e l d s ，i n c l u d i n g i n d u s t r i a lc o n t r o l l e r sa n dh o u s e h o l da p p l i a n c e s w i t hi t sw i d ea p p l i c a t i o ni nm a n y f i e l d s , t h et r a d i t i o n a ls e l l s o rc o n t r o lm e t h o di sn o ta p p l i e di ns o m ea p p l i c a t i o n s o ， s e n s o r l e s se o n l a o lm e t h o de m e r g e sa st h et i m e sr e q u i r e , e s p e c i a l l yb a c k e m fm e t h o di s m o r ea n dm o r eu s e f u lt h a nt h et r a d i t i o n a ls e n s o rc o n t r o lm e t h o d n o w , i t sb e c o m i n go n e o f t h em o s tp o p u l a rt r e n di nb l d cc o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h ep r i n c i p l ea n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h eb l d cm o t o rd r i v e s ，t h e t h e o r yo fb a c k - e m fm e t h o da n dt h ez e r o - c r o s s i n gd e t e c t i n ge i r c o i ta r ei n t r o d u c e da n d a n a l y z e di nd e t a i l b u tw h e nt h em o t o ri sa ts t a n d s t i l lo ra tal o ws p e e d ，i ti si m p o s s i b l eo r v e r yd i f f i c u l tt og e tt h ep o s i t i o ni n f o r m a t i o nf r o mb a c k e m f t h e r e f o r eap a r t i c u l a r m e t h o dt os t a r tu pt h em o t o rf r o ms t a n d s t i l li sn e e d e di ns e n s o r l e s sc o n t r o lm e t h o d s y s t e mb a s e do nb a c k - e m fd e t e c t i o n h lt h i sp a p e r , t h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo f t h ec o n l m o ns t a r t - u pm e t h o da r ea n a l y z e d ，a n dan o v e ls t a r t u pm e t h o di sp r o p o s e dw h i c h c a l l e dp o s i t i o nc l o s e d l o o ps t a r t i n g ，i tc o n s i s t so ft h r e e s t e p - - i n i t i a lr o t o rp o s i t i o n e s t i m a t i o n ，p o s i t i o nc l o s e d l o o ps t a r t i n g ，t u m i n gt ob a c k e m fd r i v i n g t h es i m u l a t i o n a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v ed e m o n s t r a t e di t sw e l ls t a r t i n gp e r f o r m a n c e r o t o rp o s i t i o n d e t e c t i o ne r r o ra n di n t e r r u p t i o ni sa l s oi n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r , t h e nc o m p e n s a t i o na n d r e s t r a l n a t i o nm e t h o da r ep r o p o s e d i nt h ee n d ，w i t hs o f t w a r ed e s i g na c c o m p l i s h e di nc o d e w a r r i o r , t h eh a r d w a r es y s t e m o fb r u s h l e s sd cm o t o r ss e n s o r l e s sc o n t r o lb a s e do nm c 5 6 f 8 0 5i sb u i l ta sa n e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dp r a c t i c a lu t i l i z a t i o n ss u b s t a n t i a t et h a tt h e h a r d w a r ep l a t f o r ma n dt h ea s s o c i a t e ds o f t w a r ed e s i g nc a ns u p p l yg o o ds e u s o f l e s sc o n t r o l c a p a b i l i t y ；i n d i c a t i n gt h es e n s o r l e s sc o n t r o ls y s t e mc a ng r e a t l ym e e tt h er e q u i r e d p e r f o r m a n c e ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v es h o w nt h ea c c u r a c y 、r a p i dr e s p o n s ea n d 1 1 i g hr e l i a b i l i t yo f t h ep r o p o s e dm e t h o d k e y w o r d s ：b l d cs e n s o r l e s s p o s i t i o nc l o s e d l o o ps t a r t - u pm e t h o dc o m p e n t i o na n d r e s t r a i n a t i o no f d e t e c t i o ne r r o ra n di n t e r r u p t i o nm c 5 6 f 8 0 5 i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 摘要：本章简要阐述了无刷直流电机的发展历程、特点和应用领域；介绍了国内外对 于无刷直流电机的研究现状以及未来的发展趋势；概述了无刷直流电机的两种控制方 法：带位置传感器控制和无位置传感器控制，并在此基础上概述了当前无刷直流电机 无位置传感器的各种控制方法，以及无传感器控制中常用的起动技术；最后阐述了课 题意义及本文的主要研究内容。 1 1 无刷直流电机的发展、特点及应用 自无刷直流电机诞生以来，共经历了四十余年的发展历史。早在2 0 世纪3 0 年 代，就有人开始研制以电子换向来代替电刷机械换向的直流无刷电动机，并取得了 一定的成果，但由于当时大功率电力电子器件仅处于初级发展阶段，使得这种电动 机只能停留在理论研究阶段，而无法推广使用。1 9 5 5 年，美国d h a r r i s o n 等人首 次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利，标志着现代无刷直 流电机的诞生。1 9 6 2 年，借助于霍尔元件的位置检测装置实现换向的无刷直流电机 研制成功。直至1 9 7 8 年，原西德m a m 虹s m a n n 公司的i n d r a m a t 分部在汉诺威 贸易博览会上，正式推出m a c 永磁无刷直流电机及其驱动系统，无刷直流电机才 真正进入使用阶段1 1 , 2 1 。 永磁无刷直流电动机( 简称b l d c m ) 是随着电子技术的迅速发展而发展起来 的一种新型电机，无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机一样，但它的电 枢绕组放在定子上，转子上安装永久磁钢。该电机的电枢绕组一般采用多相形式， 经由驱动器接到直流电源上，定子采用电子换向代替有刷电机的电刷和机械换向器， 各相逐次通电在空间产生磁场，和转子磁极主磁场相互作用，产生转矩，使电动机 旋转。无刷直流电动机一般可以分为两类：正弦波型永磁无刷直流电动机和方波型 永磁无刷直流电动机。正弦波型永磁无刷直流电动机反电势波形和供电电流波形均 为正弦波，一般需要较为精密的转子位置信号，位置传感器结构较为复杂，成本较 高，但其控制方法灵活，转矩波动较小，所以一般用于伺服控制系统。方波型永磁 浙江大学硕士学位论文 无刷直流电动机，或者称为方波电机，其反电势波形和供电电流波形均为方波，控 制系统对转子位置信号要求不高，只需获得若干个转子关键位置的离散信号就可以 了，成本较低，结构简单、且控制方便【3 1 。大多数情况下，无刷直流电机是指方波 型永磁无刷直流电动机，本文所提到的无刷直流电机均指这类电机1 ，2 翔。 作为把电能转换为机械能的主要设备，在实际的应用中，一是要求电动机具有 较高的机电能量转换效率；二是根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转 速度。众所周知，直流电机具有调速性能好、运行效率高、起动转矩大、过载能力 强、动态性能好等诸多优点。但是传统的有屏0 直流电机由于其本身结构上存在机械 式的电刷和换向器这一致命弱点，给实际应用带来了一系列的问题。而异步电机虽 然具有结构简单，运行可靠，寿命长，保养维修方便的优点，但是与直流电机相比， 其机械性能差，效率低，起动转矩小，过载能力低，调速控制困难，电动机轻载运 行时功率因数低，增加了线路和电网的损耗。而永磁无刷直流电机则保留了有刷直 流电机的优良调速性能，又省去了机械的电刷和换向器，所以既有传统直流电机的 优良特性，而且与传统的异步电动机相比，永磁无刷直流电动机还具有结构简单、 体积小、重量轻、效率高、功率因素高、转矩重量比高，转动惯量低、易于散热， 易于维护保养等优点，因而无刷直流电机的应用范围相当广泛，同时，现代电力电 子技术和永磁材料的发展又为其发展提供了基础，因此b l d c m 具有很强的生命力 和发展前途。目前，无刷直流电机的应用场合主要有如下几种： ( 1 ) 办公自动化、计算机外部设备及音像处理设备领域【4 】 这类设备要求驱动电动机具有稳速、调速、定位等功能，对电磁干扰和低噪声 要求特别高。如计算机软、硬盘驱动器，光盘驱动器，应急驱动器，激光打印机， 复印机，传真机鼓驱动，v c d 、d v d 装置及微型风扇等。而永磁无刷直流电机刚 好能够满足这些要求，因而被广泛采用。但是这类无刷直流电机属于精密型，尺寸 小，加工精度高，产量大，是技术密集型和高投资类产品，目前仍主要由发达国家 提供。这类产品的年产量均以亿台计，国内来源主要依赖进口或组装件，尚难在此 领域取得立足之地。因此，在这一领域的永磁无刷直流电机将有非常广泛的发展空 间。 ( 2 ) 家电领域 空调器、洗衣机、电冰箱等主要家电最早使用单相异步电动机，但效率低、利 2 新扛大学硕士学位论文 用率低。为了节能，9 0 年代初家电开始采用变频调速异步电动机。目前日本9 0 以 上的空调器采用永磁无刷直流电机，替代异步电动机变频调速。我国空调器制造厂 也开始采用永磁无刷直流电机，以获得更好的节能效果和节省材料。在相同的额定 功率和额定转速下，如果单相异步电动机的体积和重量为1 0 0 ，则永磁无刷直流 电动机的体积为3 8 ，重量为3 4 8 ，用铜量为2 0 9 ，用铁量为3 6 5 ，效率提 高1 0 以上。 ( 3 ) 电动交通工具 近年来，电动自行车的生产规模与日俱增，其驱动电机大部份采用有刷直流电 机。但由于直流有刷电机有寿命短，维修难的缺点，随着永磁无刷直流电机价格的 下降及控制器可靠性的提高，采用永磁无刷电机越来越多。同时，由于能源紧张和 环境污染日益加强，电动汽车显示出强劲的生命力，被汽车生产厂和消费者普遍看 好，有资料显示，美国通用、日本丰田、法国雪铁龙等大汽车公司都将电动汽车作 为发展方向。我国也同样高度重视，电动汽车已经被科技部列为“十五”期间国家重 大攻关项最，也是“十一五”规划中发展绿色交通的重要内容之一。汽车电动助力转 向系统中的驱动电机有有刷直流电机和永磁无刷电机，电动汽车驱动电机有有刷直 流电机、变频异步电机和永磁无刷电机，但它们的发展趋势都是永磁无刷电机，尤 其是日本汽车制造商都采用永磁无刷电机。凡是电动车中涉及安全等重要系统中用 的电机，采用永磁无刷电机替代有刷直流电机将是一个趋势。 ( 4 ) 工业领域 工业领域中各类加工机械设备、i c 设备、电梯等伺服驱动系统，最初用的是有 刷直流电动机调速系统。7 0 年代后，因为变频调速异步电动机的性价比优于有刷直 流电动机调速系统，具有结构简单、可靠性高、干扰小、维护少、寿命长的特点， 变频调速异步电动机逐步替代有刷直流电动机调速系统。但是永磁无刷电机具有比 异步电动机体积更小，重量更轻，效率更高等优点，中小功率异步电动机变频调速 系统正在逐步被永磁无刷电动机取代，如日本富士公司有o 4 3 0 0 k w 无刷电机系列。 目前，一般工业机械均采用永磁无刷直流电机驱动系统。 ( 5 ) 交流伺服系统【5 】 随着电力电子技术，微电子技术的迅速发展和各种新颖控制策略的不断涌现， 在高性能伺服驱动领域，交流伺服系统取代传统的直流伺服系统是必然的趋势。交 浙江大学硕士学位论文 流伺服系统中所用的电机主要有异步电动机和永磁同步电动机两大类。采用矢量控 制的异步电动机已经可以获得接近直流伺服系统的机械特性和宽的调速范围，但是 控制较为复杂，且对电机的参数有较强的依赖性。而由永磁无刷电机构成的永磁伺 服系统，其外特性完全可与直流伺服系统等效，因此p m s m 和b l d c m 是交流伺 服系统的主要发展方向。 总之，永磁无刷直流电动机经过多年的发展，在技术上已经逐步成熟，在大量 应用中已经显示其优良特性，应用领域几乎可覆盖所有电动机驱动领域， 1 2 无刷直流电机的研究现状及发展趋势 永磁无刷直流电动机是一种典型的机电一体化产品，主要由电动机本体、位置 传感器、功率逆变器和相关控制策略组成，它的发展与永磁材料、电力电子技术、 计算机控制技术和检测技术的发展密切相关。而这些技术作为极具发展潜力的新兴 技术，必将在新技术蓬勃发展的2 1 世纪，获得更快、更大的发展，为永磁无刷直流 电机技术的高速发展提供不竭的动力。下面分别从每一部分来分析无刷直流电机的 研究现状及未来发展趋势。 1 2 1 电机本体 电机本体作为永磁无刷直流电机控制系统中的核心部分，它的好坏直接决定整 个控制系统性能的优劣。齿槽转矩是永磁电机固有的特性，在电机低速轻载运行时， 齿槽转矩将引起明显的速度波动，进而产生振动和噪声，而齿槽转矩主要是由电机 本体的不合理设计造成的，因此，近些年来，国内外有大量文献研究这个课题，从 总体上来看j 目前主要采用如下方法：定子斜槽或转子斜极；分数槽；磁极极弧系 数和磁极分块移位；虚拟齿和虚拟槽；无槽式绕组等等。另外，无刷直流电机的理 想反电势和电流波形分别为1 2 0 0 梯形波和标准方波，然而实际电机的波形却与理想 情况有所偏差，这也将引起转矩脉动的产生，所以在电机本体设计中，应通过合理 的设计，使反电动势波形逼近理想波形，通常通过采用瓦型磁钢径向充磁方式，绕 组类型采用整矩集中绕组，可以使反电势波形尽量接近理想梯形波【5 1 。总之，如何 尽可能的消除齿槽转矩及电磁转矩脉动对电机运行的影响，是电机本体设计中关注 的目标，也是未来的发展趋势之一。 4 浙扛大学硕士学位论文 除此之外，永磁无刷直流电动机的结构特点之一就是，转子磁极是由永磁材料 组成，因此，永磁材料性能的优劣将直接影响到永磁电动机的磁路尺寸、电动机本 体体积，成本及其功能指标和运行特性等，所以，加快永磁材料工业的发展，研究 开发出更高性价比的永磁材料，对于进一步推动永磁无刷直流电动机朝着高性能， 多品神化方向发展，以及使中、大容量永磁无刷直流电动机进入大范围实用化阶段， 大大扩展永磁无刷直流电动机的应用领域具有十分重要的意义。 1 2 2 功率逆变器【4 】 电力电子器件是现代永磁无刷直流电机发展的支柱，直接决定和影响永磁无刷 直流电机的发展。永磁无刷直流电机本身就是采用大功率电子开关元件组成的逆变 器供电的永磁同步电动机，所以电力电子技术是永磁无刷直流电动机发展最为重要 的支撑技术之一，其中大功率半导体器件的发展严重制约着永磁无刷直流电动机的 发展水平。 电力电子技术自2 0 世纪5 0 年代后期诞生以来，发展速度很快，其主功率器件 经历了从最初的晶闸管一g ，r r m o s f e t i g b t ，从而使永磁无刷直流电动机具有 更大的容量和更高的过载能力。特别是7 0 年代后期，各种高速全控型器件先后问 世，使电力电子技术朝着全控化、集成化、高频化和多功能化方向发展，为逆变器 实现智能化、高频化和小型化等创造了条件。在p w m 技术中采用功率场效应晶体 管( m o s f e t ) 和绝缘栅双极性晶体管( i g b t ) ，开关频率可达1 0 k h z 以上，电磁噪声 和电流波形都得到了改善。这些为永磁无刷直流电动机的驱动电路性能的提高开辟 了道路。电力电子技术作为一门极具发展潜力的新兴技术，相信在2 1 世纪必将获 得更快更大的发展，从而为永磁无刷直流电动机技术的高速发展提供强大的动力。 1 2 3 位置检测技术 目前，国内外对无刷直流电机的位置检测技术作了比较深入、全面的研究，无 刷直流电机的位置检测方式按照有无传感器来划分的话，可以分为带位置传感器检 测方式和无位置传感器检测方式，下面将分别介绍这两种位置检测技术。 一、带位置传感器的位置检测技术 带位置传感器的无刷直流电机控制是通过位置传感器检测转子位置，将转子位 浙江大学硕士学位论文 置信号转换成电信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息。目前常用的位置传感 器有电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置传感器等。电磁式位置传 感器是利用电磁效应来实现其位置测量作用的，有开口变压器、铁磁谐振电路、接 近开关等多种类型，但由于其体积大、笨重、复杂、在无刷直流电机的应用中基本 已经被淘汰；光电式位置传感器是利用光电效应制成的，由跟随电动机转子一起旋 转的遮光板和固定不动的光源及光敏晶体管等部件组成，其轻便可靠、安装精度高、 调整方便，应用较为广泛；磁敏式位置传感器的基本原理为霍尔效应和磁阻效应， 目前常用的磁敏传感器有霍尔元件、霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多 种，其中霍尔元件应用最为广泛；此外还有正余弦旋转变压器和编码器等多种位置 传感器，但是这些元件成本较高、体积较大、所配线路复杂，因而在一般无刷直流 电动机中很少采用。相对而言，带位置传感器无刷直流电机控制的外围控制电路和 控制方法都较为简单，成本低，所以运用较为广泛【”。然而，带位置传感器有其自 身不可避免的许多缺点，如传感器的安装精度对电机运行性能影响很大，增加了生 产工艺难度等，这些缺点在一定程度上限制了无刷直流电机的推广和使用。针对这 一点，人们提出了无位置传感器的控制方式，并且该控制方式也越来越受到人们的 关注。 二、无位置传感器的位置检测技术 无位置传感器控制一般指的是无机械位置传感器，即不直接在无刷直流电动机 的定子上安装位置传感器来检测转子位置，而是在电机运转过程中，通过一定的硬 件和软件间接的获得转子位置信号，以实现电机的准确换相。无位置传感器控制是 电机与驱动领域近二十年来的一个重要研究方向，已经开发出了多种控制技术。它 们大多是利用检测定子电压、电流等容易获取的物理量进行转子位置的估算以获取 位置信号，其中主要有反电势法，三次谐波电势法，电感法，状态观测器法f 3 6 7 ，8 】： ( 1 ) 反电势法 通过过检测电机机反电动势( b a c k e m f ) 来获得位置信号的方法，一般称为“反 电势法”。由于在任意时刻总有一相绕组是不导通的。这时候绕组的端电压( 从绕 组端部到直流地之间) 或相电压( 从绕组端部到中心点之间) 就反映出该相绕组的 感应电势。该感应电势由反电势和电枢反应电势组成。由于电机等效气隙一般较大， 电枢反应电势通常比反电势小得多。因此，一般将非导通绕组的端电压或相电压中 浙江大学硕士学位论文 反映出来的感应电势视作反电势。在实际应用场合，绕组中心点往往是不引出的。 所以，通常将非通电绕组的端电压用于无传感器控制。这种方法容易实现，但往往 带有很多噪声信号，并且在低速或转子静止时不适用，而这是所有反电势法共有的 缺陷，下面将不再赘述。反电势法在无刷直流电机无传感器控制中有三大类应用方 法，即：过零点法、反电势积分及参考电压比较法、反电势积分及锁相环法。 i 反电势过零检测法 在无刷直流电机中，绕组的反电势通常是正负交变的，在通常的换流条件下， 菜相逆变器的上管在相电势下降沿过零点前3 0 0 关断，下管在该过零点后3 0 0 导通；反之亦然。所以，当某相绕组的反电势过零时，转子直轴与该相绕组 轴线重合，因此只要用电压比较器检测到各相反电势的过零点，就可获知转 子的若干个关键位置，从而省去位置传感器。该方法线路简单，技术成熟成 本低，但也存在一些缺点，如：电压比较器对被检测信号中的毛刺，噪声相 当敏感，所以，p w m 信号的引入可能会导致不正确的换流信号；滤波器的 实际延时角度是随电机转速雨变的，需要根据不同转速做相应补偿；而且， 续流二极管导通引起的电压脉冲将覆盖掉反电势信号。尤其是在高速、重载、 或者绕组电气时间常数很大等情况下，续流二极管导通角度很大超过3 0 0 时， 可能使得反电势完全被淹没，无法检测。 试检测续流二极管的导通情况3 l 该方法是通过监视逆变器里的电流通路来获得转子位置信息，通过设计一种 二极管导通检测电路来监视逆变器反并联续流二极管是否导通。1 2 0 0 导通型 b l d c m 的两相绕组中总有一相处于断开状态，监视六个续流二极管的导通 就可获得六个功率晶体管的开关顺序。只要检测到续流二极管的导通状态， 就可以知道反电势的过零点，并做适当延迟后，依次触发下一状态的功率管。 但是，该方法不但具有反电势过零检测法的所有缺点，还需要特殊的p w m ， 且它是建立在忽略逆变器可关断器件及二极管的导通压降的前提下的，实际 这些压降会造成位置检测误差。 证反电势积分及参考电压比较法【8 ，3 4 , 3 5 】 该方法是在相电势过零点开始对其进行积分，然后将积分结果与一个参考电 压v r e f 进行比较，以此来确定换流时刻。具体原理是：假定单位电角速度下 7 浙江大学硕士学位论文 相电势关于转子位置0 的波形系数可以用函数f ( o ) 表示，且在电势过零点时 6 = o 。那么积分结果可以表示为： y i = 毫f ( g ) d t = rf 8 = 怠f 8 ( 1 - 1 ) 所以，积分结果与反电势波形有关，但与电机速度无关。假定需要在0 0 位置 换流，那么只需将设定为l - ，( 口矽口即可。它具有一个非常明显的优点在 于可以很方便的实现超前换流，对于高速下转矩脉动的抑制具有很重要的作 用，但是它同样存在一些缺点：对同一系列的电机，或同一电机在不同的温 升条件下，其反电势波形函数f ( e ) 都会有所变化；因此，如果采用固定的参 考电压，则实际的换流角会有所变化，造成电机运行性能的离散性 i v 反电势积分及锁相环法【8 , 3 6 , 3 7 j 8 】 积分器对非导通相的相电势作积分，积分时间对应6 0 0 电角度。在通常的换 流条件下，积分是从反电势过零点前3 0 0 电角度开始，到过零点后3 0 0 电角度 为止，因此在理想情况下积分结果是0 。那么电路中的一个压控振荡器的输 入电压就保持不变，其输出频率也不变。因为压控振荡器的输出信号是触发 一个环行分配器来决定电机的换流时序，所以电机的换流频率也不变，继续 保持正常的换流相序。但是，在动态前提下，如果电机换流已经超前，那么 反电势的积分结果是负值，就会降低压控振荡器的输入电压和输出频率，并 进一步降低电机的换流频率、减缓换流时序，直到重新恢复正常换流为止。 反之，若电机换流已经滞后，那么反电势的积分结果是正值，就会提高压控 振荡器的输入电压和输出频率，并进一步提高电机的换流频率、加快换流时 序，直到重新恢复正常换流为止。由此可见，控制器、逆变器及电机整个系 统构成了一个锁相环，确保了正常的换流时序。但是，在实际电机绕组的端 电压中还存在一个脉冲信号。这个脉冲是由续流二极管导通引起的。它掩盖 了反电势信号，但是却被当作反电势而积分。所以，当锁相环技术确保积分 结果为0 时，电机的换流相序已经漂离了正常值。而且，由于该电压脉冲的 幅值随逆变器直流电压而变，其宽度用电角度表示时随负载和转速而变，因 此换流相序的漂移也是变化的，而且是不可控的。 ( 三次谐波电势法 三次谐波电势可以从定子三相绕组端连出的y 连接的电阻网络的中心点到电 浙江大学硕士学位论文 机绕组中心点之间的电压提取，无论续流二极管的导通角有多大，或者是否存在特 殊的p w m 调制方式，它都能很好地反映出三次谐波电势。但该方法的缺点是：乱 这种方法仅适用于绕组电感不变、三相参数对称、磁场的三次谐波分量和三次谐波 绕组系数都比较大的电机。在实际应用中，这些前提或多或少得不到满足，因此， 所提取的三次谐波电势信号往往也带有一些干扰。但是这些干扰可以用简单的低通 滤波器来削弱；b 绕组中心点必须引出，这在一定程度上限制了三次谐波方法的应 用。 ( 3 ) 电感法 电感法有两种形式：一种是用于凸极式永磁无刷直流电机，另一种是用于内嵌式 磁钢结构的水磁无刷直流电机。电感法主要是用于转子初始定位和起动加速过程中， 用以弥补电机静止和低速时反电势无法检测的情况，该方法主是基于铁心线圈电感 大小受电机磁路饱和影响的原理，通过在电机气隙圆周六个不同位置处施加相同直 流电压( p w m 得到) ，比较各个电压矢量激励下不同的电流响应来获得相应的转子 初始位置信号 4 0 , 4 。 “) 基于扩展卡尔曼法滤波器的状态观测器法【9 】 在无刷直流电机无位置传感器控制系统中，由于只能测量电压和电流信号，因 而转子的转速和位置只能通过机电方程来计算。将方程写成状态变量方程，取状态 变量为( 电角速度) 、0 ( 电角度) ，将相电流，负载转矩作为输入。在理想情况下， 就可以直接计算出，0 。但实际上，相电流和负载转矩均会引入误差，因而直接计 算出的数据不够准确，所以在已有的状态方程的基础上，充分地利用整个可以测得 韵反电势曲线，将反电势e 关于，0 的函数作为观测方程，应用卡尔曼算法，滤 掉建模误差、量测误差、外界干扰，估计出转子旋转的电角度，从而确定转子的位 置，但是该方法控制相对复杂。 总之，与有位置传感器的位置检测技术相比，它省去了位置传感器，从而简化 了电动机本体结构的复杂性，特别适合于小尺寸、小容量永磁无刷直流电动机。由 以上分析可以看出，各种无位置传感器位置检测技术各有特色，但因反电势过零检 测法具有线路简单、技术成熟、成本低、简单易行、可靠等众多优点，所以反电势 过零检测法是比较理想且应用最多的无位置传感器无刷直流电机控制方法。但目前 所提出的各种无位置传感器控制方法都具有各自的局限性和缺点，所以如何完善各 9 浙江大学硕士学位论文 种无位置传感器控制方法在无刷直流电机中的应用，或开发出更全面可靠的、更为 先进的速度及转子位置辩识方法必将推动无传感器永磁无刷直流电动机走向实用 化，这将是无刷直流电机未来的发展趋势之一。 1 2 4 无位置传感器控制中的起动技术 上一小节已经提到，反电势法是目前应用最广的一种无位置传感器控制方法， 但是，当电机起动或转速很低时，反电势为零或很小，因而在起动和低速运行时，所 有的反电势法都不再适用，电机无法从零速正常起动，必须采取特殊的起动方法。 所以，采用反电势法检测转子位置的无刷直流电机系统的起动问题一直是国内外学 者致力研究的重要课题，也是比较难解决的课题之一。针对这个问题，国内外研究人 员提出了辅助位置传感器法、外同步驱动方式起动法等多种方法实现无位置传感器 无刷直流电动机的可靠起动。 一、辅助位置传感器法 该方法是在电机低速运行时采用传感器检测，高速时采用无位置传感器检测的 方法。这里的传感器仅在电机起动时才起作用，安装精度要求不高，并且可使电机 在低速时产生较大的起动转矩，有利于电机的快速起动。然而，由于辅助传感器的 引入，不仅对电机的制造及其性能带来了许多不利的影响，而且这种方法也不是严 格的无位置传感器控制方法。 二、外同步驱动方式起动 外同步驱动方式起动，包括转子定位、加速和运行状态切换三个过程，所以通常 亦称为三段式起动，其具体实现步骤如下【1 0 , 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 8 , 3 9 ： i 转子定位：让任意两相绕组通电，经过一定的时间之后转子将转至一个预定 的位置，但在此期间，电机转子可能会出现振荡现象。 址加速：已知了转子初始位置后，根据电机转向，触发逆变器的相应两个功率 器件，然后根据预先设定和要求的转子转速的理想变化规律，即加速曲线逐 渐缩短每种组合方式所保持的时间，在电机不失步的前提下转子转速逐渐提 高。但是加速曲线受电机参数、负载转矩、转动惯量等因素影响，在不同的 运行环境下需要通过理论研究和实验调试确定合理的加速曲线，否则电机容 易失步。 o 浙江大学硕士学位论文 i i i 切换：当加速到足够高的转速时，可将电机切换至无传感器自同步运行，但 是，切换必须满足一定的条件，否则切换过程中电机运行不平稳，甚至转速急剧下 降、反电势信号太下或夹杂太多干扰而无法检测、最终切换失败。因此文献 2 1 j 通 过理论分析得出一个安全的切换方法，即先调节定转子磁势间的夹角6 接近于1 2 0 0 ， 再切换。 然而，对于加速这个过程，国内外研究人员还有别的衍生方法，其中一种方法 是，在将电机预定位在某一个确定位置之后，按照给定的转向，依次改变逆变器功 率器件的触发组合状态，与此同时用前述“端电压法”检测反电势过零信号，并通 过提高p 删占空比逐渐提高电机的外施电压以及减小各触发组合状态的持续时间 r ，当p 删占空比达到某一值后，使外施电压和持续时问丁均保持不变。由无刷直 流电机运行原理可知，换流时刻固定在吖2 处，并在换流时刻检测非导通相的反电 势过零信号，到r 2 后再换流，这样依次进行。为防止干扰等引起的反电势信号的 误检测，所以要连续n 次检测到非导通相的反电势过零信号，才发出切换信号，令 电机切换至无刷直流电机运行状态，实现电机的顺利起动。由此可见，预定位起动 法具有起动可靠，实现简单、方便，对于任意转子初始位置都能可靠实现预定位， 保证电机从零速度起动并快速切换到无传感器闭环方式运行等优点。但是，在加速 过程中，p w m 占空比、外施电压以及各触发组合状态的持续时间，的选择随电机参 数、负载变化而变化，并且对切换时间要求较严，当电机惯量不同或带一定负载起 动时，切换时间需要调整，否则可能造成起动失败；另一种方法是通过硬件电路来 实现，该方法亦称为升频升压同步起动法，其硬件电路框图如图卜1 所示。电路通 以电流后，加在电容c 上的电压u c 便缓慢上升，u c 加在压控振荡器输入端，压控振荡 器的输出经分频后作为时钟信号加到环形分配器上，环形分配器的输出信号转换成 换相信号加在功率放大电路上，控制绕组的导通。同时，l i e 加到p 咖电路的输入端作 为调制信号，使p w m 信号占空比随u c 变化，控制绕组导通的脉冲宽度，也即为控制加 在绕组上的电压。这样，随着u c 的上升，加在绕组上的电压与频率也逐渐上升，以升 频升压方式驱动电机运行。另外，将u c 与设定的阈值进行比较，当u c 达到一定数值 后，即电机转速达到一定数值后，经逻辑电路将电机切换到无刷电机运行状态，完成 起动过程。该起动方法对切换时间没有严格要求，在一定升频速度范围内可在空载、 半载以及带一定负载惯量情况下可靠起动，无反转现象：起动过程中电流较大，切换 浙江大学硕士学位论文 至反电势检测控制方式运行后电流减小；但是，附加的起动电路加大了电机的尺寸， 对于较多应用于微型电机中的无刷电动机是个不小的障碍，而且使电机的可靠性降 低【1 o ，1 9 1 。 v c c 是1 勉 图卜1 升频升压同步起动法电路框图 形蔽换 期傍碍 以上所介绍的几种起动方法属于外同步驱动方式起动，都需要人为地给电机施 加一由低频到高频不断加速的外同步信号，使电机从静止逐步加速运转。当电机的 反电势建立起来，通过端电压的检测已经能够确定电机转子的位置时，把电机由外 同步运行方式切换为电机的自同步运行方式。但是，在加速过程中，易受负载转矩、 外施电压等诸多因素的影响，容易失步，不可靠；且在切换时，若三相外同步信号 与由位置检测电路输出的三相同步信号的相位差过大，就会导致切换失败，使电机 因失步而停转。 此外，韩国w o o k - j i nl e e 等人提出了一种基于前述“电感法”的新的起动方法， 该起动方法首先利用电感法确定转子零初始位置，其次在加速起动过程中利用电感 法反馈转子所在新的位置，这样在整个起动过程中都有位置反馈，电机不易失步、 起动可靠且抗干扰能力强，但是利用该方法起动时，起动过程中的位置检测较为复 杂，所以，本文在这种方法的基础上提出了一种新的转子位置闭环起动法，下面章 节将详细介绍。 总之，各种起动方法有各自的优缺点和适用场合，采用何种方法应视具体情况而 定。所以，在未来的研究过程中，应进一步深入研究各种更可靠、性能更优越、适 用范围更广的起动技术，使采用反电势法检测转子位置的无刷直流电机的应用越来 越广泛。 1 2 浙江大学硕士学位论文 1 2 5 先进控制策略 无刷直流电机是典型的机电一体化产品，采用先进的控制策略，可以进一步提 高系统的整体性能。目前在无刷直流电机中应用最广也最为成熟的控制方法有经典 控制理论和现代控制理论。经典控制理论是基于拉普拉斯变换，对应单输入单输出， 主要有p i d 控制，非线性解耦控制等。较之经典控制理论，现代控制理论为解决经 典控制理论的局限性提供了新思路，它以状态变量为基础，对应多输入，多输出， 主要有模型参考自适应，滑模变结构，状态观测器等。但是，这两种控制方法都具 有一个共同的局限性，即被控对象的数学模型必须预先知道，但是实际应用中，很 多数学模型都是在理想情况下建立的，甚至在某些应用场合，根本无法建立起数学 模型，所以随着人工智能技术的发展，将专家系统，模糊理论，人工神经网络等智 能控制应用到无刷直流电机的控制当中，给进一步提高无刷直流电机的控制性能提 供了一条新的途径1 5 , 1 9 , 2 0 。 1 3 课题意义及本文主要研究内容 我国无刷直流电机的研制工作始于二十世纪7 0 年代初期，但是研究工作主要集 中在一些科研院所和高等院校，受限于我国元器件水平及相关理论与实践相结合的 程度还比较低，因此国内的研究和国外相比还有较大的差距。而从在工业中的广泛 应用开始，无刷直流电机正向各类消费品领域迅速发展，有着十分巨大的应用潜力， 因此，有必要结合国内外的最新研究成果，对无刷直流电机的控制进行系统、深入 的研究，开发并完善出一套性能可靠、优越的无刷直流电机控制系统，特别是无位 置传感器控制系统，有着举足轻重的现实意义。 本课题的主要研究内容是设计出一套采用“反电势法过零检测法”和“电感法” 相结合的无位置传感器控制方式的无刷直流电机控制系统，在原理分析的基础上进 行电路设计和仿真，完成系统的实际调试运行。本文在全面总结现有研究成果的基 础上，针对目前研究的热点和难点，对相关的问题做了比较深入的研究。论文的主 要研究内容如下： 第一章主要阐述了无刷直流电机的发展历程、特点、应用领域、研究现状以及 未来的发展趋势；并概述了带位置传感器运行和无位置传感器运行两种控制方法， 以及无传感器控制中常甩的起动技术。 祈江大学硕士学位论文 第二章主要研究了无刷直流电机无位置传感器控制的转子零初始位置检测及转 子位置闭环起动。首先，基于磁场饱和程度发生变化，定子电枢反应等效电感会随 着气隙合成磁通的强弱而变化的原理，通过施加六个不同方向的电压矢量( 不同电 压矢量作用下电机磁场的饱和程度发生变化) ，来比较对应的六个不同的电流响应， 在不改变转子机械位置的前提下，确定转子零初始位置；其次，介绍了零初始位置 下的起动方法。在确定转子零初始位置之后，根据预定的相序，施加下一个电压矢 量，并在逐渐加速的过程中通过检测直流母线电流，确定转子的位置，然后再施加 下一个矢量，保证转子不失步的情况下过渡到中速区进行反电势检测；最后，介绍 了如何由起动加速过程切换至反电势过零检测运行。起动加速过程中，当利用本文 所采用的的位置检测方法检测得到的转子位置区间与由反电势过零点计算得到的转 子位置区间连续n 次以上相吻合时，即可直接切换至反电势过零检测运行。 第三章主要研究反电势过零检测法无位置传感器运行。在阐述了“反电势法” 的基本原理以及反电势过零信号的提取方法之后，通过理论分析，给出了反电势过 零检测电路的两个典型设计方案。 第四章主要研究了反电势过零检测法无位置传感器运行时转子位置检测的误 差、干扰产生的原因及消除抑制的方法。由于在检测电路中经过了滤波，所以信号 会有一定的延迟，再加上电枢反应的影响，也会引起一定的信号延迟，需要对反电 势信号进行一定的补偿，此外，还从理论上分析了电机运行过程中，诸如p w i m 调 制方式，高频干扰、续流二极管续流等众多因素对转子位置检测的影响，并提出了 相应的补偿方法。 第五章主要对无位置传感器无刷直流电机系统的软硬件设计做了详细的介绍。 其中包括系统驱动电路，检测电路，保护电路，以及主程序，转予初始位置检测程 序，转子位置闭环加速起动及平滑切换程序，相关位置误差补偿程序，以及按键中 断子程序等。 、 第六章主要对系统进行试验分析，记录实际波形，结合理论分析，得出试验结 果。 1 4 浙江大学硕士学位论文 1 4 本章小节 本章简要回顾了永磁无刷直流电动机的发展历程，针对永磁无刷直流电动机的特 点，介绍了永磁无刷直流电动机应用领域：阐述了永磁无刷直流电动机中电机本体、 位置检测技术、功率逆变器以及控制策略的研究现状及发展趋势；概述了带位置传 感器运行和无位置传感器运行两种控制方法，以及无传感器控制中常用的起动技术； 最后，在阐述课题意义的同时，介绍了本文的主要研究内容。 断江大学硕士学位论文 第二章无刷直流电机无位置传感器控制的转子零初始位置检 测及起动技术研究 摘要：由于永磁无刷直流电动机在静止或低速时反电势为零或很小，无法用来判断 转子位置，所以，无位置传感器无刷直流电机的起动是无刷直流电机调速系统的一 个关键技术。本章首先详细介绍了无刷直流电机的基本组成、工作原理及数学模型， 并在此基础上阐述了转子零初始位置检测的原理，其次详细介绍了区别于传统“三 段式”起动法的转子零初始位置起动法，并通过仿真和实验对所提方法进行了详细 论证。 2 1 无刷直流电机的工作原理 2 1 1 无刷直流电机的基本组成 无刷直流电机主要由永磁电机本体、功率驱动电路，逆变器、转子位置检测装 置四部分组成，如图2 - 1 所示。 厂一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 图2 1 无刷直流电机的基本组成 1 6 浙江大学硕士学位论文 一般来说，无刷直流电机是在定子上安放电枢绕组，电枢绕组多为三相结构， 但也有四相，五相等多相绕组；转子上安放永久磁钢，永磁转子多为钕铁硼等稀土 永磁材料。功率逆变器工作于直流斩波状态，通过功率驱动电路控制p w m 占空比， 调节加在电机三相绕组上的直流电压。功率开关器件一般使用p o w 盯- m o s f e t 、 g t r ，高压大容量电机多采用i g b t 或理m 模块。 2 1 2 无刷直流电机的运行原理 三相绕组无刷直流电机的绕组连接方式有三相星形连接和三相三角形连接。三 相星形连接有两种运行方式：三相半控电路方式和三相全控电路方式，图2 一l 为三相 全控电路方式。三相半控电路方式结构简单，但是每个绕组只通电1 3 周期的时间， 因此利用率很低，转矩的波动也大。相较而言，三相全控电路运行方式转矩脉动小， 绕组利用率高，所以在大部分场合都采用三相全控电路方式。三相全控方式又分为 两两导通和三三导通两种方式，其中两两导通方式是指每一瞬间有两个功率管导通， 每隔1 6 周期( 6 0 0 电角度) 换相一次，每次换相一个功率管，每一功率管导通1 2 0 。电角 度；三三导通方式是指每一瞬间均有三个功率管导通，每隔6 0 0 电角度换相一次，每 个功率管通电1 8 0 0 电角度【2 】。下面以两两导通方式为例，分析无刷直流电机