（电机与电器专业论文）无位置传感器永磁无刷直流电机的直接转矩控制研究.pdf

a b s t r a c t p e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd cm o t o r s ( b l d c m ) h a v eb e e nm o r ea n dm o r e w i d e l yu s e di ni n d u s t r ya p p l i c a t i o n sb e c a u s eo ft h e i ra d v a n t a g e ss u c ha sh i g h e rr a t i o o fp o w e rt ov o l u m e ，l o w e rn o i s ea n de a s i e rm a i n t e n a n c ec o m p a r e dt op e r m a n e n t m a g n e td cs e r v om o t o r s h o w e v e r t h ee x i s t e n c eo fr o t o rp o s i t i o ns e n s o rm a k e st h e a p p l i c a t i o no fb l d c mi ns o m ea r e ai m p o s s i b l e i na d d i t i o n ，b e c a u s eo fv a r i o u s r e a s o n s ，t h et o r q u et i p p l eg e n e r a t e db yb l d c mi si n e v i t a b l e s o ，t h ep o s i t i o n s e n s o r l e s sc o n t r o lm e t h o da n dt h et o r q u et i p p l ep r o h i b i ts c h e m eb e c o m et h ef o c u so f b l d c ma n dr e s e a r c h e db yal o to f r e s e a r c h e r t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) i sah i 曲p e r f o r m a n c ec o n t r o lm e t h o dw h i c h p r o p o s e di n8 0 s ，l a s tc e n t u r y , i na cm o t o rs p e e dc o n t r o la r e a t h i sm e t h o dh a sal o to f a d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l ec o n t r o ls t r u c t u r e ，g o o dd y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c e ， r a p i dt o r q u er e s p o n s ea n ds t r o n gr o b u s t t h ed t c o b s e r v e st h ef l u x l i n ka n dt o r q u eo f t h em o t o ri nt h es t a t o rc o o r d i n a t e ，a n dc o m p a r e st h eo b s e r v e dv a l u e sw i t ht h es e t v a l u e st oo b t a i nt h ee r r o r a n dt h e nt h ec o n t r o ls i g n a li so b t a i n e db yi n p u t t i n gt h e e r r o rt ot h ec o n t r o l l e r f i n a l l y , w i t ht h i sc o n t r o ls i g n a la n dt h es t a t eo ff l u x l i n k , t h e c o r r e s p o n d i n gv o l t a g es p a c ev e c t o ri ss e l e c t e d ，s ot h a tt h et o r q u ec a nb ec o n t r o l l e d d i r e c t l y a c t u a l l y , t h ed t ci sat o r q u ef e e d b a c kc o n t r o lm e t h o dt h a tc a nc o n t r o lt h e t o r q u ew e l la n dr a p i d l y , w h i c hm a k et h ed t cav e r yp r o s p e c t i v em e t h o dt op r o h i b i t t h et o r q u et i p p l eo fb l d c m s oi nt h i sp a p e r ，t h ed t ci su s e dt oc o n t r o lt h eb l d c m , i nt h ep u r p o s eo f r e d u c i n gt h et o r q u et i p p l e b e s i d e s ，i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c ha b o u tt h ea p p l i c a t i o no fd t ci nb l d c m u n d e rt h ep o s i t i o ns e n s o r l e s sc o n t r o lm e t h o di sd i d ，i no r d e rt od e c r e a s et h et o r q u e t i p p l eo fb l d c mw h i c hc o n t r o l l e db yt h ep o s i t i o ns e n s o r l e s sc o n t r o lm e t h o d a n d t h e nt h eb a c ke l e c t r o m o t i v ef o r c e ( b e f ) m e t h o di su s e dt op e r f o r mt h ec o m p l e x c o n t r o lo fd t ca n dp o s i t i o ns e n s o r l e s sc o n t r 0 1 b u tt h eb e fm e t h o dc a nn o ts t a r tu p t h em o t o r t os o l v et h i sp r o b l e m ，o nt h eb a s eo ft h ew o r kd i db yo t h e rp e o p l e ，a i m p r o v e ds t a r tm e t h o dc o m b i n e dw i t ht h ed t c i sp r o p o s e di nt h i sp a p e r s ot h a tt h e m o t o rc a ns t a r tu ps u c c e s s f u l l y f i n a l l y , t h eb l d c mh a r d w a r ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h em s p 4 3 0 f 14 9m c u i si n t r o d u c e d a n dt h ee x p e r i m e n ti sc a r r i e do u ti nt h i s s y s t e m ，a n dt h e nt h e e x p e r i m e n tr e s u l ti sg i v e n k e yw o r d s ：p e r m a n e n tb r u s h l e s sd cm o t o r , d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，t o r q u e t i p p l ep r o h i b i t i o n ，p o s i t i o ns e n s o r l e s sc o n t r o l ，m s p 4 3 0 f14 9m c u 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：涨精辛 签字日期：乃。- 7 年厂月，矽e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：旅岔华 导师签名： 签字日期：山明年，月厂。日 夜夕乞 签字日期：乒哆年月9 日 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了永磁无刷直流电机的特点及其发展状况；然后对国内外永磁 无刷直流电机领域的理论研究和应用研究方面的状况进行了概括，并在此基础上 论证了本课题的研究意义；最后列出了本文研究的主要内容和全文的结构安排。 1 1 永磁无刷直流电机的发展概况与趋势 在现代社会中，电能是最常用且最为普遍的二次能源。而电机作为机电能量 转换装置，经过一个多世纪的发展，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及 人们的日常生活之中l 。为了适应不同的实际情况，各种不同种类的电机应运而 生。其中包括同步电机、异步电机、直流电机和各种微特电机，其容量小到几瓦， 大到上万千瓦。相比之下，同步电机具有转矩大、效率和精度高、机械特性硬等 特点，但调速困难、容易“失步”等弱点大大限制了它的应用范围；异步电机结构 简单、制造方便、运行可靠、价格便宜，但异步电机的特性软、起动困难、功率 因数低、不能经济地实现范围较广的平滑调速，且必须从电网吸取滞后的励磁电 流而使电网功率因数变坏；直流电机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点， 被广泛地应用于对起动和调速有较高要求的拖动系统，如电力牵引、轧钢机、起 重设备等。小容量的直流电机在自动控制系统中应用广泛。但是，传统直流电机 均采用电刷，以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、 火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点， 从而大大地限制了它的应用范围【2 巧l 。因此在一些中小型、对电机性能要求较高 的场合中，急待新型高性能电机的出现。 随着科学技术的发展，新材料，新技术不断涌现。针对上述直流电机的弊病， 早在1 9 1 7 年就有人提出可用整流管代替机械电刷换向，为永磁无刷直流电机的诞 生提供了理论基础| 6 j 。2 0 世纪3 0 年代，有人开始研制以电子换向来代替电刷机械 换向的永磁无刷随流电动机，并取得了一定的成果。但由一j 二当时的大功率电子器 件仅处于初级发展阶段，没能找到理想的电子换向元器件。使得这种电机只能停 留在实验室阶段，无法推广使用。1 9 5 5 年，美国的d h a r r i s o n 等人首次申请了应 用晶体管换向代替电机机械换向器的专利，这就是现代永磁无刷直流电机的雏 形，但由于电机尚无起动转矩而不能产：品化。尔后又经过人们多年的努力，借助 于霍尔元件来实现换向的永磁无刷直流电机终于在1 9 6 2 年问世，从而开创了永磁 第一章绪论 无刷直流电机产品化的新纪元。7 0 年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许 多新型的高性能半导体功率器件相继出现，以及高性能的永磁材料，如钐钴、钕 铁硼等的问世，均为永磁无刷直流电机的广泛应用奠定了坚实的基础。随着比霍 尔元件的灵敏度高千倍左右的磁敏二极管的出现，在2 0 世纪7 0 年代初期，试制成 功了借助磁敏= 极管实现换流的永磁无刷直流电机。 1 9 7 8 年，原联邦德国m a m 屺s m a n n 公司的i n d r a m a t 分部在汉诺威贸易展览 会上正式推出其m a c 永磁无刷直流电机及其驱动系统，标志着永磁无刷直流电 机真正进入使用阶段。之后，国际上对永磁无刷直流电机开展了深入的研究，先 后研制成方波和正弦波永磁无刷直流电机。习惯上将正弦波型的称为永磁同步电 机( p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r - p m s m ) ，而梯形波或方波型的称为 永磁无刷直流电机( b r u s h l e s sd cm o t o r - b l d c m ) 或方波无刷直流电机( 本文 中的永磁无刷直流电机均特指方波无刷直流电机) 。随着永磁新材料、微电子技 术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，采用电子换 相原理工作的永磁无刷直流电机得到了长足的发展。如今，永磁无刷直流电机己 经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有有刷直流电机外部特性的电 子换相电机。 2 0 世纪9 0 年代以后，控制技术尤其是控制理论发展十分迅猛，而借助于先 进的计算机技术这一强有力的技术基础，单片机、数字信号处理器( d s p ) 、f p g a 、 c p l d 等微处理器也得到了空前的发展，指令速度和存储空间都有了质的飞酬。 人们不断尝试着将一些先进的控制策略和方法( 滑模控制1 8 j 、神经网络控制【乳1 1 】、 模糊控制【1 2 】、自抗扰控制f 1 3 】、自适应控制f 1 4 】等) 引入永磁无刷直流电机控制器 来提高永磁无刷直流电机的性能。另外，以微处理器芯片为核心的全数字电路取 代原来的模拟电路，使整个永磁无刷直流电机传动系统的性能大大提高，并且简 化了系统的结构，从而推动着永磁无刷直流电机朝着高智能化、柔性化、全数字 化方向发展，为其更好地满足新世纪数字化时代发展的需要开辟了道路。 1 2 永磁无刷直流电机的国内外研究状况及本课题研究的意义 1 2 1 国内外永磁无刷直流电机研究的概况 近些年来国内外学者对永磁无刷直流电机的研究主要集中在无位置传感器 控制【1 5 2 0 1 、转矩波动抑制2 1 - 2 s 1 、电磁干扰等问题上。 l 、无位置传感器控制 永磁无刷直流电机运行时，需要根据转子的不同位置相应地改变逆变器功率 第一章绪论 器件的触发组合状态，以实现电子换相。因此准确检测转子的位置，并根据转子 位置准时切换功率器件的导通组合状态是控制永磁无刷直流电机正常运行的关 键。用位置传感器做为转子的位置检测装置是最直接有效的方法，所以位置传感 器是永磁无刷直流电机系统的组成部分之一，也是区别于有刷直流电机的标志。 其作用是实时检测转子在运动过程中的位置，并将转子磁钢磁极的位置信号转化 成电信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，从而控制它们的导通与截至， 使电机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换相，形成气隙中步进式的 旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转。 无位置传感器控制是指通过检测电机驱动电路中的一些电压或电流量，并对 其进行一定的处理，来间接得到转子位置信号，从而控制电机正确换相，保证电 机稳定运行。 国外早在七十年代末就有人开始研究永磁无刷直流电机的无位置传感器控 制问题。八十年代中期，日本学者提出的基于“反电势”的无刷直流电机无位置 传感器控制方案开创了无位置传感器控制的新纪元l l6 | 。在随后的几年中，很多学 者基于这种方法展开了研究，提出了不少变化形式，使反电势法更加实用。到二 十世纪八十年代末，间接转子位置检测方法进入一个多元化时期。相电流法【2 9 珈j 、 续流二极管法f 3 1 1 、电感法【3 2 1 、磁链法m 等方法相继被提出。 在二十世纪八十年代末九十年代初，还有人提出了状态观测器法烨j 、卡尔曼 滤波澍巧j 来检测转子的位置。但是由于当时微处理器速度有限，而这两种方法又 需要大量的计算，因此没有引起人们的重视。近几年，随着单片机性能的提高及 d s p 产品的更新换代，这两种方法逐渐引起了大家的重视。在最近几年，有人提 出对电机定转子结构进行一些改动来判断转子位置的方法。 国内对无位置传感器无刷直流电机的间接转子位置检测方法的研究起步稍 晚，而且大部分是对反电势法的研究。其它方法的研究和应用还比较少见，在很 多领域还是一片空白。 2 、转矩波动抑制 永磁无刷直流电机的转矩波动是由于电流和反电势偏离理想波形而产生的。 因此优化反电势和电流波形以削弱谐波引起的转矩波动是关键。对于方波型无刷 直流电机，其反电势越接近方波效果越好。根据转矩波动产生的机理的不同，采 用的转矩波动抑制的方法主要是两种：一种是电机本体优化设计，通过对气隙磁 场、定转子结构、绕组形式等的合理设计来消除齿槽误差，使反电势波形接近理 想波形：另一种是从控制策略入手，通过调整加在电机定子绕组上的电压或电流 波形来抑制转矩波动。由于受电机磁场模型的准确度、永磁材料性能的分散性以 及制造工艺成本等冈素的影响，即使通过气隙磁场、绕组结构等方面的优化设计， 第一章绪论 方波型无刷直流电机的反电势波形也不可能为理想的梯形波，此时可从控制策略 入手，通过设定特定的绕组电流波形，来弥补反电势的不足，抑制转矩波动。国 外文献把这类方法统称为“可编程电流波形控制法”1 3 酬。近二十年来，国外有 大量文献研究采用各种方法来计算实际反电动势波形下，为产生恒定电磁转矩波 形所需要的相电流波形1 2 2 - 2 5 】，归纳为以下三种： a 、谐波消除法 电磁纹波转矩是反电势和相电流相互作用的结果。因此通过在定子相电流中 注入特定的谐波成分，可以消除电磁纹波转矩。其本质是通过实际反电势和相电 流谐波成分的特定配合，来有选择地消除电磁转矩中的谐波成分。谐波消除法能 有效地抑制较大的反电势谐波产生的电磁转矩纹波，但是这种方法本质上属于以 静态下反电势谐波成分为依据的开环控制方法，加上电流调节器带宽的限制，相 电流很难复现参考波形中的高次谐波成分，因此其具有较大的局限性。 b 、电流波形函数法 电流波形函数法可以完整地描述永磁无刷直流电机的各类转矩控制算法，但 是其根据约束条件确定电流波形函数的推导过程非常繁琐，且得出的电流波形函 数形式较复杂，有待进一步完善。 c 、状态变换法 状态变换法可以避免对反电势进行复杂的傅立叶分解运算，但是它与具体电 机反电势波形有关，不具备通用性。以上所述的可编程电流波形控制法的各种方 法本质上都属于转矩开环控制，参数敏感性问题是这类方法的共同缺点。其优点 是对反电势谐波引起的电磁转矩有较好的抑制作用。 为了克服转矩开环控制的缺点，提高系统的动态响应，近年来提出了闭环转 矩直接控制的方法p7 1 ，也称为力矩反馈法。转矩直接控制以电机的瞬时转矩为控 制对象，根据实际转矩反馈信号，通过p i 等调节方法实现对瞬时转矩的直接控制， 从而减少电磁转矩脉动。 3 、电磁干扰 电磁兼容在应用电了线路中已日益受到人们的重视l j 引。永磁无刷直流电机作 为一种“电子运行电机”，同样有抗干扰和防止对外界干扰的要求。永磁无刷直 流电机控制器是强、弱电共存的电路，对十采用p w m 高频调制脉冲的控制器， 高的调制频率很容易对控制器其他线路产生干扰，必须认真处理其间的电磁干扰 和电磁兼容问题。另外还存在地线的干扰。目前，对永磁无刷直流电机的电磁干 扰问题进行研究，己越来越受到重视。 在技术上，研究方向主要分为电机本体和电子线路两方面。本体方面，转子 永磁磁钢材料尺寸及磁钢的排列方式的选择应该合理，在满足各项性能指标的前 4 第一章绪论 提下，使电机的成本尽量低，存在一个优化问题；另外永磁电机的漏磁场情况比 较复杂，对电机性能也有一定影响，所以研究永磁电机的漏磁场分布一直是一个 研究方向。电子线路方面，合理地处理强、弱电的分布状况并保证成本在一个合 理的范围内以及如何消除p w m 高频脉冲对控制电路中其他线路及器件的影响是 研究的热点问题。 1 2 2 本课题研究的意义 永磁无刷直流电机的转子位置信号决定着其逆变器功率器件的导通与关断 ( 对应电机绕组的导通状态) ，因此转子位置信号是电机能否正常运行的关键。 为了获得转子位置信号，传统的永磁无刷直流电机往往采用外置式位置传感器进 行检测。这些传感器有多种形式，如电磁式、光电式、霍尔磁敏式等。但是，不 管采用哪种外置式传感器，都存在以下共| 一的缺剧7 】： 1 ) 增大了电机体积。对于容量在数百瓦以下的永磁无刷直流电机，传感器 体积往往占了整机体积的2 0 以上； 2 ) 增加了电机的成本。对于容量在数百瓦以下的小容量永磁无刷直流电机， 常用的霍尔i c 传感器的成本通常为电机本体的3 0 左右； 3 ) 增加了电机的连接线。例如，一台三相方波电机若采用霍尔i c 做传感器， 至少需要增加五根连接线；若采用其它传感器时增加的连接线往往更多。当电机 需要密封起来运行时，这些连接线都是不利因素； 4 ) 降低了电机的可靠性。高温、低温、污浊空气和易腐蚀等工作环境及震 动、高速运行等工作条件，都会降低传感器的可靠性。若传感器损坏，还可能引 起逆变器等其它部件的损坏： 5 ) 增加了生产的难度。传感器的安装精度直接影响到电机运行的性能，因 此也相对增加了生产工艺难度： 6 ) 增加了电机维护的难度。 综上所述，外置式转子位置传感器在1 定程度上限制了永磁无刷直流电机的 推广应用。因此，无位置传感器控制技术成为t i j 究永磁无刷直流电机控制的一 项重要内容。 由于永磁无刷直流电机的特殊结构和特殊的运行方式，使电机不可避免的存 在转矩波动，引起转矩波动的主要因素有i j ： 1 ) 电磁因素引起的转矩波动。这种波动与电机气隙磁通密度分布及电枢绕 组电流的波形有关。对于方波无刷直流电机来说，要达到恒定转矩，电机气隙磁 通密度应该呈梯形波分布，且其平顶部分应人于1 2 0 0 电角度，而电枢绕组电流应 该为方波。但在实际电机中，由于定子绕组有电感，在换流过程中电流不能突变， 第。章绪论 流入定子绕组的电流不可能是方波，它只能近似地按梯形波变化；由于设计和制 造方面的原因，有可能使永磁磁场空间分布不是梯形波，或者波项宽度不足1 2 0 0 电角度；或者由于转子位置传感器和控制系统的误差，所有这些造成电流与反电 势波形不能保持严格同步的因素，都会产生转矩波动。 2 ) 电流换相引起转矩波动。永磁无刷直流电机工作时，定子绕组根据转子 位置传感器的检测信号按一定顺序换流，由于各相绕组存在电感，阻碍电流的瞬 时变化，电机中的电流从一相切换到另一相时将产生转矩波动，即换相转矩波动。 3 ) 电枢反应引起转矩波动。电枢反应对转矩的影响主要反映在：一是电枢 反应使气隙磁场发生畸变，改变了转子永磁体在空载时的方波气隙磁感应强度分 布波形，使气隙磁场的前极尖部分被加强，后极尖部分被削弱，畸变的磁场与定 子通电相绕组相互作用，使电磁转矩随定、转予相对位置的变化而波动；二是在 任一磁状态内，相对静止的电枢反应磁场与连续旋转的转子主极磁场相互作用而 产生的电磁转矩因转子位置的不同而发生变化，从而产生转矩波动。 4 ) 齿槽结构引起转矩波动。定子铁心齿槽的存在，使得电机旋转过程中， 磁路磁阻发生变化而引起转矩波动。 5 ) 工艺引起的转矩波动。如制造材料不一致、转子的偏心、各相绕组的不 对称分布等都将引起转矩波动。 以上各种因素的存在，使转矩波动成为永磁无刷直流电机的一个很重要的性 能指标，制约着永磁无刷直流电机在对转矩要求较高的伺服系统中的应用，尤其 是在低速场合，转矩波动影响更为突出。所以如何消除或削弱永磁无刷直流电机 的转矩波动成为永磁无刷直流电机控制的另一重要内容。 目前，国内外对永磁无刷直流电机的研究大多数都集中在无位置传感器控制 或者转矩波动抑制上，至于无位置传感器控制下的转矩波动抑制的研究却非常少 见。 直接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l - - d t c ) 作为一种转矩闭环控制方法， 具有瞬时转矩控制的特点1 3 9 - 4 0 1 。本文将d t c 用于永磁无刷直流电机的控制，较 好地抑制了电机的转矩波动。在此基础之上，本文将d t c 控制与无位置传感器 控制策略相结合，用于永磁无刷直流电机的控制，提高了无位置传感器控制策略 下永磁无刷直流电机的转矩特性，为其在高性能伺服系统中的应刖打卜- 了坚实的 基础。 1 3 本文研究内容及结构安排 目前，永磁无刷直流电机的理论分析和设计方法已经比较成熟，它的进一步 6 第一章绪论 研究主要是控制算法方面的问题。本文的研究内容是无位置传感器永磁无刷直流 电机的直接转矩控制。主要分析了直接转矩控制方法，并尝试将其与无位置传感 器控制策略结合起来，控制永磁无刷直流电机。除了第一章介绍课题意义、研究 综述外，其余五章内容安排如下： 第二章介绍了永磁无刷直流电机的结构，并以三相桥式y 接的永磁无刷直流 电机为例，对电机的数学模型进行了介绍。 第三章介绍了直接转矩控制方法，阐述了直接转矩控制的基本结构，探讨了 直接转矩控制方法对永磁无刷直流电机的控制，并给出了仿真结果。 第四章阐述了永磁无刷直流电机间接位置检测原理，说明了反电势法的基本 原理，并将其与直接转矩控制相结合，用于永磁无刷直流电机的控制，最后给出 了仿真结果。 第五章介绍了基于m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机的永磁无刷直流电机控制系统，简单 描述了系统硬件电路各部分的功能与结构，并以该系统为平台，实现了对永磁无 刷直流电机的控制，最后给出了相关的实验结果。 第六章为结论部分，总结了本文的主要研究成果，指出了今后的改进方向。 7 第二章永磁无刷直流电机的结构及数学模型 第二章永磁无刷直流电机的结构及数学模型 本章对永磁无刷直流电机的基本结构进行了详细介绍，并以三相桥式y 接电 机为例，介绍了永磁无刷直流电机的数学模型。 2 1 永磁无刷直流电机的基本结构 所谓永磁无刷直流电机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线 路、永磁式同步电机及位置传感器三者组成的“电动机系统”。其原理框图如图 2 1 所示。 2 1 1 电动机本体 图2 1 永磁无刷直流电机的原理框图 永磁无刷直流电机本体在结构上与永磁同步电机相似，但没有笼型绕组和其 它起动装置，主要由主定子和主转子组成。主定子是电机本体的静止部分，包括 定子的导磁铁心和导电的电枢绕组等。电枢绕组一般可以绕制成单相或者多相， 星形或者三角形连接。主转子由一定极对数的永磁体镶嵌在铁心表面( 即凸极) 或者埋入铁心内部( 即隐极) 构成，目前永磁体多为稀土永磁材料。它们必须首 先满足电磁方面的要求，保证在工作气隙中产生足够的磁通，电枢绕组产生足够 的电流，以便产生一定的电磁转矩：其次要满足机械方面的要求，保证机械结构 牢固稳定：此外，还要考虑材料的节约，结构简单、紧凑，运行可靠和温升不超 过规定的范围。 2 1 2 位置传感器 位置传感器用于测定电机转子磁极的位置，为逻辑歼关电路提供正确的换相 信息。它将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。 8 第二章永磁无刷直流电机的结构及数学模型 位置传感器种类较多，且各具特点。 目前在永磁无刷直流电机中常用的位置传感器有电磁式、光电式和霍尔磁敏 式。电磁式位置传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长、使用环境要求不高 等优点，但是体积大，抗干扰能力差；光电式位置传感器性能比较稳定，但是体 积较大、价格昂贵、可靠性较差；霍尔磁敏式体积小，可直接输出数字信号，使 用比较方便且价格低廉，是各种传感器中应用最为广泛的一种。 2 1 3 电子换相电路 电子换相电路是永磁无刷直流电机实现电子换相的关键所在，用来控制电机 上各相绕组通电的时间和顺序，一般可以分为桥式和非桥式两种。它主要由功率 逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成。功率逻辑开关单元是换相 电路的核心，其功能是将电源的功率以一定逻辑关系分配给永磁无刷直流电机定 子上的各相绕组，以便使电机产生持续不断的转矩。而各相绕组导通的顺序和时 间主要取决于位置传感器的信号，但位置传感器所产生的信号一般不能直接用来 控制逻辑开关单元，往往需要经过一定逻辑处理后才能去控制逻辑开关单元。综 上所述，组成无刷直流电机各主要部件的框图如图2 2 所示。 r 1 翮 永 磁 无 履 直 流 电 机 电机奉体 电子开关线路 位置传感器 土转子 逻辑功率开关 石瑟磊歪司l 叫垒墨堕! 竺墨 l 叫竺竺矍茎三l 图2 2 永磁无刷直流电机的组成框图 2 2 永磁无刷直流电机的数学模型 永磁无刷直流电机的主要特征就足反电势为梯形波，包含有较多的高次喈 波。这意味着定予和转子的互感是非正弦的，并且永磁无刷直流电机的电感为非 线性。因此，在这咀采用d 、q 变换理论已不是有效的分析方法，因为d 、q 方 程适用于气隙磁场为正弦分布的电机。如果将电感表示为级数形式且采用多参考 坐标理论，也可以进行这种坐标变换，但是运算量非常大；若仅仅取其基波进行 变换，则计算误差较人。相反，直接利用电机原有的相变量来建立数学模型不仅 方便，而且能获得较准确的结果1 4 。 9 第二章永磁无刷直流电机的结构及数学模型 为简化分析，以一台三相两级永磁无刷直流电机为例，并且在允许的范围内 做如下假设： 1 ) 定子绕组为6 0 0 相带整距集中绕组，星形连接，忽略齿槽效应； 2 ) 忽略磁路饱和，不计涡流和磁滞损耗； 3 ) 不考虑电枢反应( 由于稀土永磁材料的导磁系数接近于空气以及瓦形结 构和不对称磁路的原因，故可忽略电枢反应) ，气隙磁场分布近似梯形波，平项 宽度为1 2 0 。电角度； 4 ) 转子上没有阻尼绕组，永磁体不起阻尼作用； 5 ) 电动机稳态运行，且转速稳定； 6 ) 逆变电路为三相全控桥，功率管和续流二极管具有理想的开关特性： 7 ) 电机参数恒定，不受电枢反应等的影响。 三三 = 言昙量 耋 + 导 f i 耋三笼： ； 茎 + 塞 c 2 一， b 、c 三相的绕组电阻： i o 、和e o 、巳分别为a 、b 、c 三相的相 电流和反电势；z , o 、厶、t 、虬、虬、帆、帆、吮、以6 分别为a 、b 、 由于转子是永磁的，转子的影响可以忽略，认为尼、r 、足、乞、厶、t 、 m a b 、收、蚝、圾、蚝、帆与转子位置无关，是常数，而且满足 心= 蚝= 虬= 蚝2 帆= 帆2 m ( m 为两相绕组问互感) 。 乞+ + 2 0 ( 2 - 2 ) l o 第二章永磁无刷直流电机的结构及数学模型 三三 = 蚕三量1 耋 + 昙 三j _ 上 - 互 f 耋 + f 圣 c 2 3 ， 毫1 = 喜三墨 耋 + 三j _ 三 p 三三肘 兰茎 + 圣 c 2 _ 4 ， 导 荔 = j _ - 互 导 差 + 圣 c 2 - 5 ， 苦 荔 = 篓 一 莒昙量 量 c 2 6 ， 式中乃为电机的电磁转矩，q 为转子机械角速度。 ，孥：z 一乃一r o ( 2 - 8 ) 式中- ，为转子及负载的转动惯量，z 为负载转矩，r o 为空载制动转矩。 乜2 嵩彬吃刀( 2 - 9 ) 式中刀为电机的转速：嚷为每极磁通；彬为电机每相绕组的串连匝数；p 为 第二章永磁无刷直流电机的结构及数学模型 与直流电源相连。从逆变器的直流侧看，电机电枢绕组电动势为 日= 2 e = 等彬嚷雅 ( 2 一l o ) 利用式( 2 1 0 ) 和q = 2 n f 及疗= 6 0 f l p ，永磁无刷直流电机的电磁转矩又 可表示为 z ：2 e _ 1 a ：一6 p 形哦l ：如l ( 2 1 1 ) 4 。 q万，“。1 d 一”4一 式中k = 6 p 形嚷n ，为电机的转矩常数；l a 为逆变器直流侧电流。 由上面各式可知，永磁无刷直流电机的电磁转矩与普通直流电机相似，即电 磁转矩与电机每极磁通和电流成正比。所以控制逆变器输出方波电流的幅值即可 控制永磁无刷直流电机的转矩。同时，若要求电机的电磁转矩无脉动，则必须使 定子电流为方波，反电势为梯形波，且在每半个周期内，方波电流的持续时间为 1 2 0 0 电角度，梯形波反电势的平顶部分也为1 2 0 0 电角度，两者应严格同步。 第三章永磁无刷直流电机巾的直接转矩控制技术 第三章永磁无刷直流电机中的直接转矩控制技术 本章首先介绍了直接转矩控制的基本原理；接着详细阐述了直接转矩控制的 基本概念，并给出了直接转矩控制的基本结构：最后将直接转矩控制技术用于永 磁无刷直流电机的控制，以期简化永磁无刷直流电机控制系统的结构，提高控制 ”系统的动态特性，抑制电机的转矩波动。但目前这种控制方法还处于初步的研究 阶段。 3 1 直接转矩控制的主要特点及发展 直接转矩控制变频调速技术，德语称之为d s r ( d i r e k t es e l b s t r e g e l u n g ) ，英 语称之为d t c ( 又称d s c ，d i r e c ts e l f - c o n t r 0 1 ) 是继矢量控制变频调速技术之 后发展起来的一种新型的高性能交流变频调速技术【4 2 4 引。 直接转矩控制的理论是由德国鲁尔大学的德彭布罗克( d e p e n b r o c k ) 教授于 1 9 8 5 年首次提出的。不同于矢量控制技术，直接转矩控制有着自己的特点。它 在很人程度上解决了矢量控制中计算控制复杂、特性易受电机参数变化影响、实 际性能难于达到理论分析结果的一些重大问题。它从一诞生，就以自己新颖的控 制思想，简洁明了的系统结构，优良的静、动态性能受到了普遍的注意并且得到 迅速的发展。 3 1 1 直接转矩控制的主要特点 直接转矩控制有以下几个主要特点1 4 2 j ： 1 ) 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析电机的数学模型、控制电机的磁 链和转矩。它不需要将电机与直流电机作比较、等效、转化；既不需要模仿直流 电机的控制，也不需要为解耦而简化电机的数学模型。它省掉了矢晕旋转变换等 复杂的变换与计算。因此，它所需要的信号处理工作特别简单，所用的控制信号 使观察者对于电机的物理过程能够做出直接和明确的判断。 2 ) 直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就叮以把 它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转了磁链，观测转子磁链需要知道电 机转予的电阻和电感。因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易 受参数变化影响的问题。 第三章永磁无刷直流电机巾的直接转矩控制技术 3 ) 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析电机的数学模型和控制其各物 理量，使问题变得特别简单明了。 4 ) 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。它包含有两层意思： 直接控制转矩：对转矩的直接控制。 直接控制转矩 与著名的矢量控制的方法不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制 转矩，而是把转矩直接作为被控量，直接控制转矩。从控制转矩的角度出发，它 强调的是转矩的直接控制效果，因而它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或 近似圆形磁链轨迹的概念。 对转矩的直接控制 直接转矩控制技术对转矩实行直接控制。其控制方式是，通过转矩两点式调 节器把转矩检测值与转矩给定值做带滞环的比较，把转矩波动限制在一定的容差 范围内，容差的大小，由频率调节器来控制。因此它的控制效果不取决于电机的 数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。它的控制既直接又简单。 5 ) 综上所述，直接转矩控制技术，用空间矢量的分析方法，直接在定子坐 标系下计算与控制电机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节 ( b a n g - b a n g 控制) 产生p w m 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制， 以获得转矩的高动态性能。它省掉了复杂的矢量变换与电机数学模型的简化处 理，没有通常的p w m 信号发生器。它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手 段直接，信号处理的物理概念明确，具有广泛的发展和应用前景。 3 1 2 直接转矩控制的发展方向 近年来各种高性能硬件的推出，如具有很高开关频率的i g b t 模块，具有很 高运算速度的d s p ，也为直接转矩控制系统性能的改进提供了硬件基础，使许多 需要很强运算能力，具有很高开关频率的改进方法得以实现。 直接转矩控制未来的发展方向主要在以下几个方面： 1 ) 现代控制技术的实用化 现代控制理论中各种控制方案的应用使得系统的动态性能和鲁棒性得以提 高。功能强大的d s p ，使得许多以前无法实现的算法都可以应用到实时控制系统 中，如最近研究十分活跃的模糊控制、神经网络控制、模糊神经网络控制1 6 l 、非 线性控制等。 2 ) 控制手段的全数字化 直接转矩控制在结构上特别适合于全数字化，它对处理的实时性、快速性要 求很高。d s p 正足能满足这种需求的芯片，它能快速高效地实现复杂的控制规律， 1 4 第三章永磁无刷直流电机中的直接转矩控制技术 同时便于故障监视、诊断和保护，增强系统的可靠性，确保系统的高速响应性。 3 ) 开关速度的高频化 为了进一步提高控制性能，降低转矩脉动，直接转矩控制系统必然向高频化 方向发展。 4 ) 应用于永磁电机的控制 直接转矩控制技术主要的应用领域是交流异步感应电机，现在人们开始把它 用在永磁同步电机和永磁无刷直流电机的控制中【4 4 - 4 7 1 。 3 2 直接转矩控制的基本原理 由于直接转矩控制技术是基于异步电机提出的，所以下面以异步电机为背 景，详细介绍直接转矩控制技术的相关概念和基本原理。 3 2 1 异步电机的数学模型 在直接转矩控制的分析中，采用空间矢量的数学分析方法，可以使问题变得 特别简单明了。因此，对于异步电机，为了得到其空间矢量等效电路，引入p a r k 矢量变换。p a r k 矢量变换能够将三个标量( 三维) 合成为一个矢量( 二维) ，同 时不改变变换之前各物理量之间的物理关系。这种变换对于时间函数也适用【4 列。 对于异步电机中电压、电流等三相平衡正弦物理量，它们合成得到的p a r k 矢 量以一定的速度在空间旋转，这个合成矢量就是空间矢量，其转速由三相电气量 的频率决定。空间矢量在某一时刻对不同牮标系的坐标轴做投影，得到的就是该 时刻空间矢量在相应坐标系中相应坐标轴上的瞬时值。如果选异步电机三相定子 坐标系中的a 轴与p a r k 矢量复平面的实轴口重合，则其三相物理量x 。( ，) 、x 。( ，) 、 x 。( f ) 合成的p a r k 矢量x ( f ) 为： 。2 xi ! 苎 x ( f ) = 三【x 。( ，) + x b ( ，) e 。3 + x 。( f ) e 3 】 ( 3 1 ) j 规定由式( 3 1 ) 得到的异步电机的空间矢量在口轴上的投影为口分量，用 下标口表示；在正交轴上的投影为分量，用下标表示，则可得在正交定子 坐标系( 口一侈举标系) 下描述异步电机的空间矢量等效电路，如图3 1 所示。其 中，u ，( ，) 、i ，( f ) 、i ，( f ) 、i ，。( ，) 、i ，( ，) 等各量均为空间矢量，它们对应的物理 量分别是定予电压、定子电流、转予电流、定予磁链、转予磁链。 第= 三章永磁无刷直流电机中的直接转矩控制技术 u ，( ， 足 j rj 吣( f ) 图3 1 异步电机的空间矢量等效电路图 根据以上规定，异步电机在定子坐标系上的电压和磁链方程如下( 省略式中 定子电压方程 转子电路电压方程 定子磁链方程 转子磁链方程 u ，2 r i ，+ 、i ，。 0 = 足i 一v ，+ j 、i ， 、i ，p = l i 、i ，= v 。一l o i ， ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) 定子旋转磁场提供的功率如下 1 1 。 尸= 号r e 、i ，i ：) 2 吾【l ；f ，归屯+ y 矽勃】 ( 3 6 ) 转矩方程 或者表示为 z = 三( 岛+ u ( 3 7 ) i = a 、- ，肌阳 8 ， 式中口为定予磁链与转子磁链之问的灾角，即磁通角。 3 2 2 逆变器输出的电压空间矢量 由电压型逆变器供电的电机原理图如图3 - 2 所示。 1 6 第三章永磁无刷直流电机中的直接转矩控制技术 图3 - 2 电压型逆变器原理图 该逆变器由三组、六个开关管组成。由于逆变器的同一桥臂上的两个开关管 不能同时导通，即一个导通时，另一个必须关断。所以三组开关有2 3 = 8 种可能 的组合。 对应于逆变器的8 种开关状态，对电机来说，逆变器输出7 种不同的电压状 态。按照能否使电机工作，这7 种不同的电压状态可以分为两类：一类是工作电 压状态，另一种是零电压状态。 若规定，电机的某一相与逆变器的“+ ”极接通时，该相的开关状态为“l ” 态；反之，与“一”极接通时为“0 ”态，则可用三位二进制数来表示对应相的 开关状态。表3 1 给出了当各个桥臂上的开关器件采用1 8 0 0 导通方式时，导通的 开关器件、开关模式、导通角度及相电压值的对应关系( 不含零电压状态) 。 表3 1 导通时开关模式及相电压 导通的开关管6 1 21 2 32 3 43 4 54 5 65 6 1 开关模式1 0 0l l oo l o0 1 10 0 1l o l 导通的电角度0 。6 0 0 6 0 0 12 0 01 2 0