（电机与电器专业论文）无刷直流电机无位置传感器控制系统研究.pdf

浙江大学硕十学位论文 a b s t r a c t s e n s o r - l e s sc o n t r o ls t r a t e g yf o rb l d c mi sb e c o m i n gar e s e a r c hh o t s p o ti nb o t h d o m e s t i ca n da b r o a df r o m19 9 0 s u s i n gt h ec e r t a i nm e t h o dw i t h o u th a l ls e n s o r s ，b l d c m o t o rc a nn o to n l yw o r kw e l li nb o t hh i g h t e m p e r a t u r e & h i g h - p r e s s u r e ，s a v es p a c e ，b u ta l s o c u ty o u rc o s ti nt h o s ee x p e n s i v eh a l ls e n s o r s n o w a d a y s ，m o s to ft h es e n s e l e s sc o n t r o lm e t h o d sa r eb a s e do nt h eb e m f , a n dt h i s t h e o r yi sp r o v e dr i g h ta l m o s ti na l lc i r c u m s t a n c e b u ta sy o uk n o ww h e nt h em o t o ri sa t s t a n d s t i l lo ra tal o ws p e e d ，i ti sr i d i c u l o u st og e tt h ep o s i t i o ni n f o r m a t i o nt h a tc a nl e tt h e m o t o rg ow e l lf r o mb e m f , b e c a u s ea tt h a tt i m e ，b e m fi sl i t t l et od e t e c t s oh o wt ol e tt h e m o t o rs t a r tw e l lb e c o m e sa n o t h e rh o t s p o ti ns e n s e l e s sr e s e a r c h 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 ft 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 gc i r c u i ta r ei n t r o d u c e da n d a n a l y z e d a tt h es a m et i m e ，d e t e r m i n i n gt h ei n i t i a lp o s i t i o no ft h ep e r m a n e n tm a g n e tb yt h e t i m ep e r i o d so f d i s c h a r g eo f s t a t o rw i n d i n g sw h i c ha r ee x c i t e db e f o r ed i s c h a r g el e tt h em o t o r s t a r tf r o ms t a n d s t i l l ，a n dw h e na tac e r t a i ns p e e d ，t h ew h o l es y s t e mt r a n s f e r st ot h eb e m f m e t h o d r o t o rp o s i t i o nd 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 n c o m p e n s a t i o na n dr e s t r a i n a t i o nm e t h o sa r ea l s op r o p o s e d b a s e do nq u a n t i t i e so fc i r c u i td e s i g na n dt h ea c t u a ls i t u a t i o n ，t h eh a r d w a r es y s t e mo f b l d c ms e n s o r l e s sc o n t r o lu s i n gh c 0 8 m r 8i sb u i l t ，a tt h es a m et i m e ，a ne b i k ec o n t r o l l e r i sd e s i g n e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w st h a tt h ew h o l es y s t e mc a nm e e tt h er e q u i r e dn e e d ， a n da l s op r o v et h ea c c u r a c yo ft h et h e o r y k e y w o r d s ： b l d c m ，s e n s o r l e s s ，m c u ， i n i t i a lp o s i t l 0 nd e t e c t i o n i i 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及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝垄盘堂或其他教育机 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谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘鲎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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字同期：年月 日 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕+ 学位论文 第1 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，阐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，结合本文 实际，概述了当前无刷直流电机无位置传感器的各种控制方法( 检测技术) ，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 卜小e 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i m l l1 。 永磁无刷直流电动机是集特种电动机、功率驱动器、检测元件、微处理器、 控制硬件和软件于一体的新一代机电一体化高科技产品，它既保持了普通直流电 动机良好的调速性能，又具有结构简单、起动力矩大、调速范围宽、损耗低、效 率高、无滑动接触和换向火花、可靠性高、噪音低和使用寿命长等突出优点。因 此，目前在工业先进的国家里，工业自动化领域中的有刷直流电动机已经逐步被 无刷直流电动机所替代。现在从国外进口的设备中，已经很少看到以有刷直流电 动机作为执行电动机的系统了，这些国家( 如美国、英国、日本、德国等) 相关的公 司己经不再大量生产伺服驱动用的有刷直流电动机。无刷直流电动机在航空航天、 数控机床、工业机器人、办公自动化设备、电动汽车和计算机外围设备等方面都 获得了广泛应用。与此同时，无刷直流电动机的应用也深入到了民用领域，其数 浙江大学硕士学位论文 量和品种都以相当快的速度发展着。目前，国外在高档的风扇中采用了无刷直流 电动机，在新代的空调、洗衣机、电冰箱、吸尘器等家用电器中，也大量采用无 刷直流电动机来驱动。这种电动机结合新的控制技术、传感器技术和新的电子设 备，大大提高了家用电器的性能，节约了能量。综上所述，从在工业中的广泛使 用开始，无刷直流电机j 下向家电、信息产品等消费品领域迅速发展，有着十分巨 大的应用潜力。 1 2 无刷直流电机的研究现状 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 近些年来，国内外有大量文献研究这个课题，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。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。 1 2 2 功率模块1 3 1 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 2 浙江大学硕j l ：学位论文 件经历了从最初的晶闸管一g t 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 路性能的提高丌辟了道路。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 先进控制理论【4 】 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。经典控制理论主要有p i d 控制，非线性解耦控制等，目前 广泛应用于各个领域，技术发展较为成熟。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，主要有模型参考自适应，滑模变结构， 状态观测器等。 1 2 4 位置检测技术 这部分作为重点介绍。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。 1 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 位置信号转换成电信号，为逻辑开关电路提供j 下确的换相信息。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。带位置 传感器检测电机初始位置方便，直观，不易受到外部的干扰，不存在任何电机启 动、运行方面的问题。作为目前的主流技术，已经广泛应用于国民经济的各个领 域。 浙江人学硕士学位论文 传统的无刷直流电机都需要一套复杂的位置传感器，这对电机的可靠性、制 造工艺要求等带来不利的影响。具体表现在以下几方面：增大了电机尺寸；传感 器信号传输线多，容易引入干扰；高温、低温、污浊空气等恶劣工作条件会降低 传感器可靠性；传感器的安装精度直接影响电机的运行性能。因此国内外学者对 无位置传感器无刷直流电机运行进行了很多研究，提出了许多方法。 2 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。为此，国内外 的研究人员提出了多种位置信号检测方法，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。其中较为成熟的有以 下几类： ( 1 ) 端电压检测法【5 1 端电压检测法是通过对相绕组端电压的检测，来确定绕组反电势的过零点， 绕组反电势的过零点与转子位置有着固定的相位关系，因此，也就确定出了电机 的转子位置。这种方法适用于方波无刷直流电动机。对于最常见的三相六状态 1 2 0 0 导通角工作方式，除了换相的瞬间以外，在任意时刻，电机总有一相绕组处 于断电状态。该技术成熟，工作可靠，是最为实用的一种方波无刷直流电动机无 位置传感转子位置检测方法。但是，该方法需要引入一个在整个频率范围内都要 求具有恒定相移的无源低通滤波器，设计出完全满足这种要求的滤波器比较困 难。而且，究其根本，该方法实际检测的是绕组反电势，由于反电势的幅度大小 与电机转速成j 下比，所以，在低速时，反电势信号很难被检测到。这就造成采用 该方法的系统低速性能不好，调速比小，而且不能以永磁无刷工作方式自行起动。 ( 2 ) 续流二极管工作状态检测法6 1 逆变器采用1 2 0 0 导通方式时，在任意时刻无刷直流电机的三相定子绕组总 有一相是关断的，也就是当逆变器换相时，原本导通的两相绕组会有一相关断， 而与此同时原本关断的那相绕组导通。然而被关断的那相绕组的电流并不会在换 相后马上降为零，而是通过续流二极管续流，一直到该相反电势过零点的附近降 4 浙江人学硕士学位论文 为零。因此只要能在反电势过零点附近检测到续流二极管中电流比较大的降落， 那么就可以判断出电机转子的位置。续流二极管工作状态检测法，其实质也是通 过检测绕组反电势的过零点来得到电机的转子位置，该方法也适用于方波无刷直 流电动机。该检测方法不需要使用滤波器，实际检测的也是绕组反电势，但是检 测的灵敏度相对较高，使采用该方法的电机可稳定工作的转速下限较低，调速比 较大。该方法的缺点是实现电路稍复杂一些。 ( 3 )反电势过零点检测法 反电势过零点检测法包括相电势过零检测、反电势三次谐波检测、锁相环技 术以及反电势逻辑电平积分比较法等。 1 ) 相电势过零检测 一般来说，无刷直流电机定子采用集中绕组方式，以获得良好的梯形波反电 势。在实际应用中，为了便于分析问题，忽略电枢反应对电机反电势的影响，仍 以空载时的反电势为依据。由此，当采用1 2 0 0 两两导通方式时，在某一固定转 速下建立的无刷直流电机三相反电势波形和电流波形如图1 1 所示，其中每相电 流波形为1 2 0 0 通电型的交流方波。 w t 一 一卜 w t 图l - 1 相反电势波形和电流波形 无刷直流电机定子绕组中的相反电势在一个周期内都有两个过零点，而且每 个过零点都超i j 下个换相点3 0 0 电角度，因此只要能检测到反电势的过零点就可 以确定电机转子的位置和下次换流的时间，从而使电机正常运行。 2 ) 反电势三次谐波检测 假设无刷直流电机的定子绕组为y 型接法，逆变器采用1 2 0 0 - - - - 导通方式。 三相定子绕组每相的反电势可以分解为基波和各次谐波之和。以a 相为例，其 反电势可以表示为： 浙江大学硕：i ：学位论文 基波分量 图1 2 梯形反电势和它的基波与三次谐波 巳= e c o s ( c o t ) + 岛c o s 3 ( d o t ) + 也c o s 5 ( o 驴t ) + k 7c o s 7 ( c o t ) + 】 同理b 、c 相反电势可以表示为： e b = e c o s ( c o t 一1 2 0 。) + 也c o s 3 ( c o t - 1 2 0 。) + k 5c o s 5 ( c o t - 1 2 0 。) + k 7 c o s7 ( c o t - 1 2 0 。) + 】 e c = e c o s ( 西o t + 1 2 0 。) + 屯c o s 3 ( a ) t + 1 2 0 。) + k 5c o s 5 ( c o t + 1 2 0 。) + 岛c o s 7 ( c o t - i - 1 2 0 。) + 】 上三式相加可得： e n + e b + e c = 3 e k 3c o s 3 c o t + e h t g h f r e q = e 3 + e h | 蜘 其中：e 3 是三相定子绕组反电势的3 次谐波之和，e 3 = 3 e k 3c o s ( 3 0 9 t ) ；，崩懈 是三相定子绕组反电势的3 的奇数倍次谐波之和，在此简称高频谐波和。 e h , 搠= 3 酏( 2 f 叫c o s ( 2 i - 1 ) 3 c o t 根据无刷直流电机的相电压方程式，又由于屯+ + = 0 ，则三相相电压之 和为： h a n 七 b n + u c n2e o + e b 七e c 2 e 3 + eh l l 蝴 从上式可以看出，定子绕组采用y 型接法的无刷直流电机，其定子三相相 电压之和就等于定子绕组中反电势之和，而且可以分解为3 次谐波和3 的奇数倍 次谐波之和。由于高次谐波的幅值较小、频率较高，因此可以通过低通滤波器把 高次谐波滤掉，只留下3 次谐波。3 次谐波在基波的一个周期内有6 个过零点， 而且每个过零点都和反电势的过零点一一对应，因此只要检测到3 次谐波的过零 点就可以知道转子的位置，从而确定换相时间。 6 浙江大学硕上学位论文 采用上述位置检测方法时，只需把三相定子绕组的相电压相加，再经过滤波 就可以得到用来换相的3 次谐波。 该方法的缺点在于： 首先，这种方法仅使用于绕组电感不变、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。 其次，绕组中心线必须引出，在一定程度上限制了三次谐波方法的应用。 3 ) 锁相环技术 在每个6 0 。激励区间内，锁定不通电绕组的反电动势，根据其变化，来获 取位置信号。该方法硬件上需要三分频电路、锁相环电路等，电路结构较为复杂。 4 ) 反电势逻辑电平积分比较法 反电势逻辑电平积分比较法是将两相的反电势进行过零比较处理，得到逻辑 电平后再对两路逻辑电平进行积分，由于这两路逻辑电平积分值关系反映了相位 关系，因此可用于确定电机转子磁场位置。这种方法的优点是只需检n t l e 导通相 反电势的极性，有利于提高低速性能，可用于多种形式变换器( 如桥式逆变器) 供 电的梯形波或止弦波无刷直流电机。但是，这种方法需要进行积分比较，增加了 检测电路的复杂性，同时也增加了软件的运算处理量，使得成本增加，不利于实 用化。 ( 4 ) 状态观测器法 状态观测器法是利用电机的状态方程( 动态模型) 来反映真实电机的状况， 在相同的输入情况下，动态模型的输出与真实电机的输出达到一致，这时的动态 模型的状态就准确地反映了真实电机的状态，实现了永磁无刷直流电动机的自同 步运行。这种方法的缺点是计算量大、控制方法复杂、动态模型受电机参数影响 较大。 ( 5 ) 电感法【7 l 【8 l 【9 】【1 0 i 以上介绍的常用无位置传感器控制多为反电势控制，由于无刷直流电机在静 止的时候没有感应电动势，因此这种控制方式无法实现自起动，它的起动需要单 独设计。大量文献介绍了包括硬件启动电路、预启动方式以及升频升压同步启动 等方法，这罩不再赘述。 电感法不依赖于电机反电势，因此不但特别适合电机零速启动和低速运行， 7 浙江人学硕士学位论文 而且也可以在额定速下运行。对于绕组电感大小随转角的变化有明显变化类型的 电机，特别是凸极电机，绕组电感的数值大小反映了电机的转角，因此，可以通 过对绕组电感的检测来确定转子的位置。 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。第一种电感法主要是通过在起动过程中对电 机绕组施加探测电压来判断其电感的变化。在凸极机中，绕组自感可表示成绕组 轴线与转子直轴问夹角的偶次余弦函数通过检测绕组自感的变化，就可判断出 转子轴线的大致位置。再根据铁心饱和程度的变化趋势确定其极性，从而最终得 到正确位置信号。这种方法难度较大，且只能应用于凸极机，所以现在较少应用。 与第一种方法相比，第二种方法- a 是真j 下意义上的电感法。在内嵌式永磁无刷直 流电机中，绕组电感会因为转子位置的改变而发生相应变化，通过检测这些变化， 再经过一定计算，即可得到转子位置信号。 在凸极电机中，由于转子初始位置不同，电枢绕组的电感也会有所不同，而 且变化比较明显。由u ：r i + ld _ 生i + p 可知，当电机静止时，反电势p 为零，所以 饼 电枢电流 江簧( 1 - e 。) i = 一i l 一j r 、 其中f 和转子位置相关。 电压矢量施加结束 图1 3 原理图 根据以上公式，我们可以通过不同的施加高频电压的方法来确定这个相应产 8 浙江大学顾士学位论文 生的脉冲电流f ( 如图1 3 所示) ，由于电机有3 相6 状态，因此施加不同方向的 电压矢量，相对于电机电感的位置不同，因而电机电感也不同，表现出来的是检 测到的f 不同，根据变化规律，我们可以准确地估计转子位置的大致范围，从而 实现电机的零速起动。 本文即采用这种方法。 1 3 无位置传感器控制的起动技术 在各种无位置传感器无刷直流电机控制中，反电势过零检测法具有线路简 单，技术成熟，成本低等优点，特别在条件恶劣( 高温高压，潮湿等场合) ，以 及电机负载恒定( 或是风机负载) ，可以把特定电机的加速曲线求出，从而方便 地控制电机。但该方法也存在一些缺陷，例如在电机启动和低速运行时，反电势 很小，过零检测困难，启动困难等，特别是对于负载不定的场合( 电动自行车等) ， 并不具备通用的方法来准确定位转子。关于反电势过零检测法的启动问题，国内 外也做了不少研究工作，主要有以下几种方法。 1 3 1 三段式启动 该方法是按他控式同步电机的运行状态从静止开始加速，直至转速足够大， 再切换至无刷直流电机运行状态，实现电机的起动。但该方法受电机负载转矩， 外施电压，加速曲线以及转动惯量等诸多因素影响，不具有通用性，且容易失步。 1 3 2 预定位起动法 该方法在起动伊始，使电机有一个确定的通电状态，转子旋转到一个确定的 初始位置，然后根据电机的通电状态产生相应的电磁力，在电磁力矩的作用下转 子向下一个确定位置转动，在转动过程中切换到无刷直流电机运行状态，利用反 电势法检测转子位置。但该方法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，否则可能导致起动失败或电机反转现象。 1 3 3 升频升压起动法 该起动方式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 9 浙江大学硕f ：学位论文 载以及带一定负载情况下可靠起动，无反转现象。但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直流电机是个不小的障碍，而且使电 机的可靠性降低。 1 3 4 短时检测脉冲转子定位起动法 该方法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， 转子位置信号确定之后，按照预定的表格导通相应丌关管，并采用相同原理重新 确定转子所转到的新位置，依此类推，直到能够通过检测反电势确定转子位置， 再切换至无刷直流电机运行状态。 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，电机 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。因此，外同步加速方式并不会有普适的方法， 只能根据不通情况来设定不同的加速过程。 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【7 i ，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 0 浙江大学硕士学位论文 1 4 选题意义及本文主要研究方向 常用无位置传感器控制多为反电势控制，由于无刷直流电机在静止的时候没 有感应电动势，因此这种控制方式无法实现自起动，它的起动需要单独设计。大 量文献介绍了包括硬件启动电路、预启动方式以及升频升压同步启动等方法，但 在具体应用中存在很多局限。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完成系统的实际调试运行，来有效解决由于电机静 止时无反电势导致反电势法失效的问题。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。这对于解 决目前电动自行车市场上存在的无传感器启动问题具有较好的探索和参考价值。 本课题主要包括无位置传感器无刷直流电机( b l d c m ) i 拘零初始位置检测， 平滑起动( 无反转、无振荡) 直至稳定切换到反电势过零点检测运行等一系列问 题。 论文的主要研究内容如下： 第一章，绪论。主要阐述b l d c m 的背景。包括发展历程，特点，应用领域 以及研究现状等等。并引出两种位置检测技术( 有位置和无位置) 。通过阐述和 比较各个起动技术的优缺点，确立本文的研究方向。 第二章围绕起动的问题，首先介绍b l d c m 的工作原理，并详细阐述采用电 感法检测转子零初始位置的理论依据。其次详细介绍区别于传统“三段式 起动 法的转子零初始位置起动法，并通过实验对所提方法进行进一步论证。 第三章，详细介绍反电势法的基本原理，并给出本文系统中所采用的硬件结 构及其可行性。 第四章，针对本文提出的采用无位置传感器控制方案，给出了整套控制系统 的具体硬件和软件设计方案。 第五章，实验结果与分析。 第六章，全文的总结与展望。 浙江人学硕十学位论文 第2 章无位置传感器无刷直流电机的转子零初始位置检测 技术研究 摘要：本章首先结合实验系统实际，介绍了无刷电机的基本工作原理。在此基础 上，针对电机在静止或低速时反电势为零或很小，无法判断转子位置，采用了高 频脉冲检测转子零初始位置的启动方法，该方法启动平稳，较适合作为电动自行 车无传感器控制的方式，并通过实验加以验证。 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( b r u s h l e s sd cm o t o r ) 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1 ，如图2 1 所示。 广一一一一一一一一一一一一一一一一1 l i ，一一 图2 - 1 无刷直流电机的基本组成 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 1 2 一 】 一 一 一 一 一，一 一 一澳一 一 一柱一 一 | 一置一 f_ii一立一 prlp：_ 一 一一一一 一 一 匕 一 一 一车一 一 一 一j 浙江大学硕j 二学位论文 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 e r - m o s f e t 、g t r 、i g b t 或i p 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 1 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l 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 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。下面以两两导通方式为例， 分析无刷直流电机的运行原理。 对于三相六状态1 2 0 。导通方式，各功率管的导通顺序是t 1 t 6 、t 6 t 3 、t 3 t 2 、 t 2 t 5 、t 5 t 4 、t 4 t 1 、。当转子位于如图2 - 2 ( a ) 所示位置时，导通功率管t 1 t 6 ， 电流经t l 管，从a 相流入，再从c 相流出，经t 6 回到电源，此时在电机定子 绕组中产生如图2 - 2 ( b ) 所示的电枢磁场，该磁场和转子磁场相互作用，使转子顺 时针旋转，直至转子转至如图2 - 2 ( c ) 所示位置关断功率管t l ，开通功率管t 3 ， 电流经b 相流入，c 相流出，再经t 6 回到电源，产生如图2 - 2 ( d ) 所示合成磁场， 使电机继续顺时针旋转，这样在t 1 t 6 、t 6 t 3 、t 3 t 2 、t 2 t 5 、t 5 t 4 、t 4 t l 、 的循环轮流导通下，转子不断连续的顺时针旋转。改变各功率管的导通顺序，就 可以改变电机的旋转方向。 注：本文中对于三相桥各功率管的编号顺序如图2 1 所示。 新“大学颤i 学位皓女 n x a ) 。少2 k 举。! x ( d ) 剀2 2 无刷直流电机定转子旋转磁势图 2 】3 无刷直流电机的数学模型 训荆| ； f 驰 ， 电阻；以，u ，址为电机三相绕组的相电压；， 为电机三相绕组的相电流； 浙江大学硕十学位论文 t m = ( e o in + e b ib + c i j j 机械运动方程为： ( 2 - 2 ) 乙一五一砌= ，百d o ) ( 2 - 3 ) 式中乙为电磁转矩，瓦为负载转矩，b 为阻尼系数，缈为电机机械转速， 为转动惯量。 三相反电势相位相差1 2 0 。电角度，梯形波平顶宽度亦为1 2 0 。图中横坐 标为转子所在位置的电角度。梯形波反电势峰值大小e ，其计算公式为： e = k e( 2 - 4 ) 式中国为电机的机械角速度；k 为反电势常数，和电机本体的设计相关。 在理想情况下，电机的反电势波形，霍尔信号如图2 - 3 ，2 4 所示。 h a l h a l h a l ； ； 么 i 彳 一 !、 ， 、厂 ! 入； l 一 氰j f l ， n 一一 图2 - 3 反电势，相电流和霍尔信号波形( 1 2 0 。) 1 5 浙江大学硕士学位论文 - !l i i j i i nl i 7 图2 4 反电势，相电流和霍尔信号波形( 6 0 。) 在本论文中使用的电机为6 0 。霍尔，所以反电势，相电流波形参照图2 - 4 。 图中可以明确反映出反电势过零点和h a l l 信号的对应关系。具体还会在下一 节中阐述。 2 2 转子零初始位置估测 2 2 1 转子零初始位置估测的原理 对于定子绕组采用铁心线圈的永磁无刷直流电机，忽略磁滞和涡流影响后， 铁心线圈的磁化曲线，即b h 曲线如图2 5 所示。由图可见随着磁场强度h 的 增加，磁通密度b 的增加先是较快，后来逐渐减慢下来。这是因为到了后来， 大部分磁畴都己转到与外磁场一致的方向，再加强外磁场也不会产生更多磁畴向 着外磁场方向来调整其排列方向。当所有磁畴都转到与外磁场同方向时。附加磁 场已不能再加强，即使h 再增加，b 的增加也很有限，这时材料己进入完全饱 和状态。与b h 曲线相对应，铁心线圈的磁导率妇= 8 h 也随h 的变化而变化， 图2 - 5 中也示出了j u y e 随磁场强度h 的变化规律，即随着日的增大，如先是急 速增大，后又逐渐减小。此外，由于电枢绕组感应电势e 芘b ，等效励磁电流 h i ，所以e ，同样满足如图2 6 所示的关系。 1 6 浙江大学硕上学位论文 进入饱和状态 进入饱和状态， 图2 5 铁磁材料的磁化曲线图2 - 6 感应电势等效励磁电流曲线 j ， 根据等效电路的观点，e = 一三等，由图2 - 6 可以看出，随着铁心线圈饱和 d t 程度的变化，等效电感l 也会随之变化，即等效电感l 随着铁心线圈内部磁通 的变化而变化。 在无刷直流电机中，定子电枢磁势的大小能够直接影响电机磁场的饱和程 度。当饱和程度发生变化时，电机等效电感会随着气息合成磁通的强弱而变化。 磁场越饱和，等效电枢电感越小。而磁场的饱和程度随着施加给定子和转子磁势 的相对位置而发生变化。基于以上基本原理，可以实现在电机零速以及低速下转 子的位置检测，从而克服在以上情况下没有反电势，无从检测转子位置的问题。 以下用图解法具体分析一下已阐述的原理。 ( a ) 去磁( b ) 增磁 图2 7 定转子磁势 如图2 7 ( a ) 所示，磁势定子合成磁势方向和转子磁势方向相差大于9 0 。， 因此电枢磁势对于转子磁势起去磁作用，此时电感记为厶。在2 7 ( b ) 中，两 个矢量合成后起增磁作用，电感记为厶。很明显由图2 8 可以看到，厶 厶。 1 7 浙江人学硕士学位论文 图2 - 8 不同情况下电感比较图 以上便是零初始位置检测的基本原理。在一个3 6 0 。电周期内，转子与定子 的相对位置不同，会直接反映在电感量的大小上。 针对无刷直流电机无位置传感器检测位置的特殊情况，包括检测时间短，检 测结果无误，不能使电机误启动等特点，可以把以上的原理加以变通，来设计出 如下间接检测实时电感大小的方法，来最终准确判断出转子位置。 + 秭 + + 由 + 图2 - 9 顺序施加六脉冲示意图 1 8 形1 芝 k 0 = 陟 浙江大学硕上学位论文 由于转子位置固定，转子磁势也固定不变，为了使得定转子磁势发生相对变 化，可以通过施加不同的电压矢量来得到不同的定子旋转磁势，从而容易得辨别 出电感量的不同。 针对3 相无刷直流电机6 个状态的特点，采用三三导通的方式来分别检测在 每个状态的电感量，然后综合6 个矢量最终判断电机的初始位置。具体导通情况 如图2 - 9 所示： 其中，施加顺序为a , b 一组，e , d 一组，e , f 一组，组与组之间的次序不限。 这样既能够保证电机在静止的状态下检测出转子位置，同时也能使得组与组之间 不会产生影响，保证了检测的准确性。 以图2 - 9 ( a ) 为例，给u 相施加母线电压，v 相和w 相接地。此时等效电路 如图2 1 0 所示。电机静止或者低速时，反电势可以认为是0 ，定子绕组上的电压 方程为：l ，a _ ，。+ f 足，式中的、足、厶分别为外加直流电压，等效电阻 d f 和等效电感。由前面分析易得，当电机转子位置相同，但是施加不同方向的定子 磁势时，定子线圈呈现出来的等效电感也不相同，分别为厶和乏( 厶 l 2 ) ，对 应的电流，f 2 可以表示为： f l = 鲁”p i i ) ( 2 _ 4 ) 之= 誓( 1 1 ) ( 2 _ 5 ) 式中= 厶r ，r 2 = 厶足，q ，吃分别对应不同电感下r 三电路的时间常数。 r r s - - 3 r 2 i s = 3 。l 趁 l j 等效变换 图2 1 0 电机等效电路 f 2f l 洮 图2 1 l 不同电感l 时对应的电流响应曲线 1 9 浙江大学硕士学位论文 从图2 - 1 1 可以看出： ( 1 ) 电感l 越大，时间常数t ( f 三r ) 越大，电流上升也越缓慢；随着电压 作用时问的增长，电流差值逐渐增大，在与时间常数大约相等时的电流 差值最大，最后电路趋于稳定，此时电流值相等，差值为零。因此在施 加电压矢量作用z 时间之后，比较该时刻的电流值大小可以判断出电路 中等效电感的大小。对于无刷直流电机，当施加相同的电压时，电流值 越大，说明此时等效电感越小，电压矢量施加后气隙磁场越饱和，从而 推出转子d 轴与该电压矢量夹角越小。 ( 2 ) 电压矢量施加时间z 的选择对于转子零初始位罱检测的成败至关重要， 是转子零初始位置检测实施过程中非常重要的环节。如果t 过小，不同 电压矢量作用下的电流差值不够大，没法反映出转子的相对位置；而如 果z 过大，一方面施加到电机三相绕组上的电压矢量时间过长，有可能 导致电机转动：另一方面，电流己达到饱和状态，此时电流近乎相等， 这将很大程度上降低甚至消除了该方法的准确性。所以，z 的选择需要 经过不断的调试最终确定。 由式2 4 ，2 5 可得，对于不同电感值的r l 电路，相同电压作用下的电流差 值可以表示为： 删刊剥：警 _ a t - ) ( 2 _ 6 ) 对2 6 式进行微分，可以得到当a i ( t ) 取得最大时的时间值z = 气。 因此，每个电压矢量作用时间z 应该选为与电机时间常数近似相等的数值， 但是，如果电机时间常数很大，那么施加那么长时间之后，有可能导致电机振动 甚至旋转起来，所以应根据具体实际情况选择合适的作用时间z 。 2 2 2 转子零初始位置检测的硬件实现 2 2 1 节中具体阐述了转子零初始位置检测的基本原理，本论文基于以上基 2 0 浙江人学硕十学位论文 本原理，针对电机的具体实际，通过单片机编程实现了转子零初始位置检测，为 下一步工作打下了坚实的基础。本节将具体介绍硬件实现的方法。 本论文采用的电机为d w 0 2 无刷电机( 用于电动自行车后轮) 。基本参数： 额定电压4 8 v ，额定电流9 3 1 a ，极对数2 3 ，额定转速3 6 4r m i n 。 图2 1 2b l d c m 逆变器部分 由于电机采用6 0 。霍尔安装，因此有必要阐述一下电机换向导通的真值表， 为接下去实验的开展做好铺热。 表2 - 16 0 。霍尔电机导通次序真值表 s e c t i o nh a l lah a f tbh a l lca t b t c ta bb bc b导通m o s 管 1looo10 loo 3 ，2 311ooo lloo5 ，2 7 l 1 loololo5 ，4 6o 1 l1ooolo1 ，4 40o1loo00 1 1 ，6 oooool o00l 3 ，6 表中的s e c t i o n = h a h 一口+ h a h b + h a g c ，a t 为1 表示a 相上桥臂m o s 导通， a b 为1 表示a 相下桥臂m o s 导通，以此类推。 以上的真值表是有霍尔控制方式时的无刷直流电机导通情况。当电机检测到 三相霍尔，便可以根据表2 1 来导通相应m o s 管。 本论文是通过“反电势法”来使得电机运行，因此根据硬件电路的设计得到 的不同位置信号和上表是不同的。因此还需要设计反电势运行下电机导通次序的 2 1 浙江大学硕上学位论文