（电机与电器专业论文）无位置传感器无刷直流电机控制系统研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 ii abstract brushless dc motor(bldcm) is the new integration mechatronics motor, with more and more focus on its technology characteristic and practical application. it has also become the development tendency of the small and special electrical machinery. brushless dc motor is widely used in the household appliances, the computer auxiliary equipments, the acoustic image equipments, the office automatic equipments, the electric vehicles and the industry control in detail. we can estimate that, it will be used in more fields along with the unceasing progress of brushless dc motor and its control technology. firstly the background, development and future prospect of bldcm is described in detail. then, the thesis introduces the composing parts, basic operation principle, running characteristic and transfer function of bldcm. also motor rotor position detection under sensor less controlling is studied and the advantage and disadvantage of various kinds of position signal detection method are analyzed. especially further analyze is made on the operational principle of a new rotor position detection method on back- electromotive force(back emf) this paper focuses on the whole digital sensorless control system of bldcm based on singlechip. according to the demand of the project，the single chipatmega8 of the company of atmel is chosen as the control chip of the motor drive. recurring to the chip strong disposal ability and abundant peripheral equipments, the whole system leaves out complicating hardware circuits and improved the credibility systemfor the hardware part, the design of several chief circuits is expounded. for the software part, with the introduction of modulization design concept, some procedure flow charts of main program subroutine are offered and several problems of software realization are investigated. at last, the testing phenomenon when the control system running is observed and the experimental results are analyzed. the experiment results verify the correctness and validity of this sensorless control system of bldcm. key words: brushless dc motor, sensorless, back emf, singlechip 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 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学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本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 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题背景和研究意义 1.1 无刷直流电机的发展 1 . 1 . 1 无刷直流电机的发展历史 直流电动机由于具有良好的起动性能和宽广平滑的调速特性，因而被广泛应用于 电力机车、无轨电车、轧钢机、机床和起动设备等需要经常起动并调速的电气传动装 置中。但是由于普通直流电机采用机械式换向器实现端口直流量与绕组内交变量之间 的相互转换，运行中电刷和换向器之间必须保持滑动接触，因而难以避免存在火花、 噪声、无线电干扰、片间电压限制、运行维护周期、运行环境保障等许多问题。正因 为如此，无刷式直流电机的发展近年来一直受到人们的特别重视1。1955 年美国 d. harrison 等人首次申请了用晶体管换向电路代替机械电刷的专利, 这就是现代无刷直 流电机的雏形2。而 1978 年，原西德 manmesmann 公司在汉诺威贸易博览会上， 正式推出 mac 经典无刷直流电机及其驱动器，标志着永磁无刷电机真正进入了实用 阶段。之后, 国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究, 先后研制成方波无刷电机 和正弦波直流无刷电机。无刷直流电机已经不是专指具有电子换向的直流电机, 而是 泛指具有刷直流电动机外部特性的电子换向电机3。20 多年以来, 随着永磁新材料、 自动控制技术以及电力电子技术的发展, 无刷直流电机得到了长足发展。 1 . 1 . 2 我们国家无刷直流电机的发展现状和未来趋势4 在开发一般无刷电机产品的同时，高档精密无刷电机的开发，我们国内还只是空 白，产品只能依赖进口。在各类精密设备用的高精度、高可靠、高档交流伺服永磁无 刷电机及控制器、一般工业用和家用电器用的无刷直流电机及控制器、计算机外部设 备用的精密高速无刷电机和e p s 电动助力转向系统用无刷电机我国还都没有自主知识 产权，也没有形成批量生产。主要体现在以下几个方面： （1 ） 新型无刷直流电机的开发强度不大，生产基本处于空白。无刷直流电机广 泛应用于各个领域，是微特电机发展方向，将取代直流电动机和变频异步电动机，国 外已是成熟产品，而我国尚未真正形成规模化生产。 （2 ） 已有产品性能指标与国外先进水平有差距。 （3 ） 专用设备与国外先进水平有差距。 华中科技大学硕士学位论文 2 （4 ） 零部件质量和原材料性能与国外先进水平存在差距。 面对差距，我们国家应当加快新产品开发，替代进口占领国内市场。采取多种合 作形式，积极参与国际竞争，同时积极建立无刷电机研发中心和规模化生产线，促成 无刷电机产业化发展。 1.2 无刷直流电机的技术优势 在中、小功率高性能调速系统和伺服系统中，无刷直流电机的应用日益广泛。而 它之所以得到如此迅猛地发展，根本原因在于其自身不可替代的技术优势。 ( 1 ) 噪声小 无刷直流电机无换向所需的电刷、滑环等装置，这实际上等于消除了除轴承、联 轴和负载之外的其它所有机械噪音。 ( 2 ) 结构简单紧凑容易小型化5 无刷直流电机转子一般是由永磁磁钢制成，没有绕组。定子侧的电枢绕组形式与 普通交流电机的绕组完全一样。高能量密度永磁材料的出现，可以提高电机的功率密 度，显著减小电动机的体积和重量。 ( 3 ) 寿命长 普通直流电机依靠电刷和换向器完成换向，在换向过程中会产生火花，电刷和换 向器的滑动接触会产生机械损耗，这些降低了电机效率，缩短了电机寿命。而无刷直 流电机依靠电子换向，不需要电刷、滑环等换向结构，减少了机械损耗，使得电机寿 命得以延长。 ( 4 ) 效率高 无刷直流电机是目前效率最高的电机67。这主要归功于永磁体的出现。转子永 磁体无需外加电流励磁就能提供近似恒定连续的磁场；永磁体另外一个重要优点是在 合适的工作点下具有很小的退磁系数8。另外使用高性能永磁体，可以提高导磁系数， 增大气隙磁通密度，从而减少电流的消耗。 ( 5 ) 控制简单 无刷直流电机的输出转矩直接正比于电机的电流，这使得对它的控制变的非常简 单。也正因为如此，日本和欧洲的许多半导体器件厂商开发了很多无刷直流电机的驱 动控制专用集成芯片。因其控制简单、成本低廉，得到了广泛的应用。 综上所述，无刷直流电机是一种综合性能很好的电机，并已成为微特电机的重要 华中科技大学硕士学位论文 3 发展方向。表1 . 1 列出了b l d c 和有刷直流电机以及感应电动机的特性比较9。 表 1 . 1 不同电机特性比较 性能 系统 机 械 特 性 过 载 能 力 可 控 性 平稳 性 噪声 电 磁 干 扰 维 修 性 寿 命 体 积 效 率 成本 交流异步电机 软 小 难 较差 较大 小 易 长 大 低 低 有刷直流电机 硬 大 易 较好 大 大 难 短 小 高 较高 无刷直流电机 硬 大 易 好 小 小 易 长 小 高 高 1.3 无刷直流电动机的具体应用 无刷直流电机用电子开关，避免了电刷和换相器间的滑动接触，从而克服了机械 换向器的诸多缺陷，提高了运行可靠性，又保留了直流电机优良的调速性能。随着电 力电子技术和专用芯片的发展，无刷直流电机电子换相成本已经从8 0 年代初期电机本 体成本的1 0 倍降低为现在的3 倍甚至更少。这些性能和成本优势推动了无刷直流电机 在诸多领域的应用101112： （1 ） 计算机等外部设备中的应用 由于大多数电子设备由直流电源供电，且要求电机具有调速、稳速、定位控制等 特性。因此当前大多数精密设备中均采用无刷电机驱动控制，如计算机硬、软盘驱动、 激光打字机棱镜驱动、录相机鼓驱动和c d 唱机驱动等。 （2 ） 工业驱动和伺服控制领域的应用 目前已应用的有高档数控加工设备，另外在一些工业加工设备中也开始推广应 用，如工业缝纫机、轻印刷机械等。值得密切注意潜在实用的是工业机器人驱动控制， 由于这种应用场合对速度、力矩和定位控制均有要求，无刷电机是首选品种。目前全 世界已有1 0 0 多万台各类机器人，而每年以高于2 0 % 速率增长，对无刷电机的需求量很 大。 （3 ） 在电动车辆中的应用 电动车辆用主电机和驱动系统，要求高效节能、高出力、利于环境保护、舒适耐 华中科技大学硕士学位论文 4 用、结构紧凑、操作方便、运行可靠、维护简单等，在所带能源有限的情况下，无刷 直流电机系统正好具有这一系列的优点。目前正在加大投入，加紧开发，首先在电动 摩托车或电动助动车使用，已逐步进入批量生产。 （4 ） 在家用电器中的应用 随着家电的发展，要求配套电机朝无刷化、节能、低噪声方向发展。过去是单相 异步电动机或vvvf变频器供电的异步电动机，现已逐渐被永磁无刷直流电动机及其 控制器所取代。这种由“交流变频”向“直流变频”的转变使变频家用电器在节能高 效、低噪音、舒适性、智能化等方面都有新的提高。如日本变频空调中6 5 % 是采用无 刷直流电机。 1.4 本论文的主要内容 根据合作单位提出的项目技术要求，以 avr单片机 atmega8 为主控芯片，研制 了一种经济实用的无刷直流电机驱动控制器。主要内容如下： ( 1 ) 对无刷直流电机的原理进行分析，对其运行特性加以研究。 ( 2 ) 比较无位置传感器无刷直流电机转子位置检测的各种方法，提出并分析了 一种较为简单实用的转子位置检测方法。 ( 3 ) 针对所采用的位置检测方法， 完成了一套基于 atmega8 所设计的控制系统， 详细介绍了无刷直流电机驱动控制器的硬件和软件设计。 ( 4 ) 最后对控制器进行试验研究，给出试验结果，结果分析表明了该控制器的 正确性和实用性。 华中科技大学硕士学位论文 5 2 无刷直流电机的结构与数学模型 无刷直流电机是用电子换向取代机械换向的一种直流电机。在无刷直流电动机 中，定子线圈导体相对转子永磁体磁场的位置，由转子位置传感器通过电子方式或电 磁方式所感知；并利用其输出信号，通过电子换向电路，按照一定的逻辑程序去驱动 与电枢绕组相联接的相应的功率开关器件，把电流换向到相应的电枢绕组。随着转子 的转动,转子位置传感器不断地发送出信号，使电枢绕组不断地依次通电，不断地改变 通电状态，从而使得在某一磁极下的线圈导体中流过的电流方向始终不变，这就是无 刷直流电动机的无接触式换向过程的实质。 2.1 无刷直流电机的结构组成 无刷直流电机依靠电子换向，即不能脱离控制器而独立运行。因此，无刷直流电 机实际上是包含了电机本体和控制器的一个整体。其基本结构如图 2.1 所示。 开关器件bldcm 控制器 位置传感 器 电子换向 图 2 . 1 无刷直流电机基本结构图 它主要由电机本体、位置传感器和电子换向线路（由控制电路和开关器件构成） 三个部分组成。 2 . 1 . 1 电机本体结构与分类 定子的结构与普通同步电动机或感应电动机相同。电枢绕组有整数槽绕组和分数 槽绕组两种形式，联接方法有星形式和三角形两类。 bldcm的转子通常由转轴，永久磁钢和磁轭等组成。其主要作用是在电机气隙 华中科技大学硕士学位论文 6 内产生足够的磁感应强度，与通电后的定子绕组相互作用产生转矩。根据永磁体在转 子上位置的不同，普通bldcm转子可以分为凸出式、嵌入式和插入式三种，如图2.2 所示13。 图 2 . 2 转子不同结构 凸出式转子结构的永磁磁极易于实现最优设计，能使电机气隙磁密波形趋近于正 弦波，可以显著的提高系统性能；嵌入式转子结构的永磁体在转子铁心内部固定，各 个磁极独立存在，因此受到的离心力小，结构牢固，由于相邻两永磁磁极间有磁导率 很大的铁磁材料，故在电磁性能上属于凸极结构，可以充分利用转子磁路的不对称性 所产生的磁阻转矩，提高电动机的功率密度；插入式结构的永磁电机存在较大的磁阻 转矩，有助于提高电机的过载能力和功率密度，而且易于实现弱磁控制，扩大电机的 恒功率运行范围，调速范围大，但是这种结构的漏磁系数较大，并且需要采用相应的 隔磁措施，电机的制造工艺和成本有所增14。 永磁无刷直流电动机又可以制作成内转子式、外转子式和双定转子式等类型的结 构15，分别介绍如下： （1 ） 内转子式结构 一般而言，电动机的定子在外面，转子在里面。在传统的有刷直流电动机中，定 子磁场在外面，转子电枢在里面。无刷直流电动机出现后，使电枢从里面走到外面， 由转子变成了定子。这种结构称之谓内转子结构，如图 2.3 所示： 华中科技大学硕士学位论文 7 图 2 . 3 内转子结构 ( 2 ) 外转子式结构 在实际使用中，有时为了满足某些电子机械的特殊技术要求，把无刷直流电动机 的定子电枢做在里面，而把带永磁体的转子做在外面，我们把这种结构称之谓外转子 结构(或称之谓内定子结构)。如图 2.4 所示： 图 2 . 4 外转子结构 在无刷直流电动机的设计中，外转子结构和内转子结构具有各自的优缺点。这两 种设计之间的电动机特性的差异情况概括在表 2.1 中。 华中科技大学硕士学位论文 8 表 2 . 1 内、外转子电机结构的 bldcm 特性比较 电动机特性 外转子结构 内转子结构 转子惯量 较高 较低 输出力矩/输出功率 较高 较低 零部件数目 较多 较少 霍尔效应的位置 近似 精确 ( 3 ) 双定转子式结构 双定转子式结构实际上是在内部被相互套配的两台电动机, 它具有两个转子、两 个定子和两个工作气隙, 外面的一台电动机是外转子式结构, 里面的一台电动机是内 转子式结构。根据内外转子上永磁体的不同配置, 又有 n- n 型和 n- s 型两种结构, 分 别如图 2 . 5 和 2 . 6 所示： 图 2 . 5 n- n 型双定转子式结构 华中科技大学硕士学位论文 9 图 2 . 6 n- s 型双定转子式结构 2 . 1 . 2 转子位置传感器 转子位置传感器在无刷直流电动机中, 主要起两个作用, 一是通过它检测转子所 处的位置, 以便确定电子换向驱动线路的导通顺序；二是确定电子换向电路驱动线路 中功率晶体管的导通角, 从而确定电枢磁场的磁状态。为了实现这两个目的, 工程上可 以采用电磁式旋转变压器、光电式传感器、高频耦合式传感器、磁阻元件传感器和霍 尔元件传感器等。不同的传感器, 有不同的特点和不同的应用场合。现将它们各自的 优缺点如表 2 . 2 所示, 供选用时参考。 表 2 . 2 不同转子位置传感器特性比较 结构 体积 安装位 置 输出 信号 精度 功耗 可靠 性 环境 要求 温度 范围 旋转变压器 复杂 大 方便 大 高 小 高 不严 宽 光电式 较复杂 较大 较方便 较大 较高 较小 较差 较严 一般 磁阻元件 简单 小 难 小 低 小 较差 较严 较窄 霍尔元件 简单 小 难 小 低 大 差 严 窄 高频耦合式 简单 较小 方便 小 较低 小 高 不严 宽 华中科技大学硕士学位论文 10 旋转变压器和霍尔元件传感器是目前被广泛采用的两种转子位置传感器。旋转变 压器除了结构复杂、体积大和制造成本高等缺点外, 它具有安装定位方便、输出信号 大、精度高、工作稳定可靠、对环境条件要求不严、温度适应范围宽, 以及容易与电 子换向线路的输入阻抗实现阻抗匹配等一系列优点。因此, 旋转变压器被广泛地用于 军事装备和宇航技术领域之中。霍尔元件传感器在具有重量轻、尺寸小、制造成本低 和便于大规模生产等优点的同时, 存在着对环境条件要求严、温度适应范围窄和可靠 性差等缺点。因此, 霍尔元件传感器被广泛地用于家电等民用产品中16。 除上述提到的机械式位置传感器之外，无机械式位置传感器无刷直流电机的研究 是当今国内外的研究热点。其原理是通过检测和计算与转子位置有关的物理量间接地 获得转子位置信息，主要有反电动势检测法、续流二极管工作状态检测法、定子三次 谐波检测法和瞬时电压方程法等。 2 . 1 . 3 电子换向电路 换向又可以称为换流。在无刷直流电动机中, 来自转子位置传感器的信号, 经处理 后按照一定的逻辑程序, 驱使某些与电枢绕组相连接的功率开关晶体管在某一瞬间导 通或截止, 迫使某些原来没有电流的电枢绕组内开始流通电流, 某些原来有电流的电 枢绕组内开始关断电流或改变电流的流通方向, 从而迫使定子磁状态产生变化。我们 把这种利用电子电路来实现电枢绕组内电流变化的物理过程称为电子换向或换流。每 换流一次, 定子磁状态就改变一次, 连续不断的换流, 就会在工作气隙内产生一个跳跃 式的旋转磁场。电子换向或换流是无刷直流电动机的关键技术之一, 只有正确地进行 换流, 才能保证无刷直流电动机可靠地运行。 电子换向电路分为桥式和非桥式两种，虽然电枢绕组与电子换向电路的连接形式 多种多样，但应用最广泛的是三相星形全控状态和三相星形半控状态连接。早期的无 刷直流电机的换向器大多由晶闸管组成，由于其关断要借助于反电动势或电流过零， 而且晶闸管的开关频率较低，使得逆变器只能工作在较低频率范围内。随着新型可关 断全控型器件的发展， 在中小功率的电动机中换向器多由功率mosfet或igbt构成， 具有控制容易、开关频率高、可靠性高等诸多优点。 2.2 无刷直流电机的工作原理 前面己经指出，无刷直流电机实际上是一个由电机本体、位置传感器和换向电路 组成的闭环系统。要了解无刷直流电机的运行，就必须了解其定子绕组与电子换向电 华中科技大学硕士学位论文 11 路之问的各种连接方法。由于三相绕组的无刷直流电机在实际中最为常用，而且本课 题所研究电机也为三相电机，这里就以三相无刷直流电机为例进行探讨。 三相绕组主回路基本类型有三相半控和三相全控两种。三相半控电路特点是结构 简单，但电机本体利用率很低，每相绕组在一个周期中只通电 1/3 周期，另外 2/3 周 期处于断开状态，没有得到充分的利用，在运行过程中的转矩波动也较大。因此，在 一些要求比较高的场合一般不使用三相半控电路。 三相全控连接又分为三相星形全控连接和三相三角形全控连接。如图 2 . 7 给出了 一种三相全控式星形连接电路。t1t6 为六个 mosfet功率管，起绕组开关作用。 t1 d1t3 d3t5 d5 t4 t6t2 d4d6d2 m 驱动电路 控制电路 a b c 图 2 . 7 三相无刷直流电动机系统 当转子转到图 2.8（a）所示的位置时，转子位置传感器输出的信号控制电路逻辑 变换后驱动逆变器，使 t1、t6 导通，即 a、b 两相绕组通电，电流从电源的正极流 出，经 t1 流入 a 相绕组，再从 b 相绕组流出，经 t6 回到电源的负极。定子电枢绕 组在空间产生的合成磁势 a f 和转子磁势 r f 如图 2.8（a）所示，二者夹角为 120，此 时定转子磁场相互作用，拖动电机的转子顺时针转动。 当转子在空间转过 0 60电角度，到达图 2 . 8 （b ）所示位置时，转子位置传感器输 出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使 t1、t2 导通，a、c 两相绕组通电， 电流从电源的正极流出，经 t 1 流入 a 相绕组，再从 c 相绕组流出，经 t2回到电源的 负极。定、转子在空间产生的磁势 a f 和 r f 如图 2 . 8 （b ）所示，此时两者磁场相互作用， 华中科技大学硕士学位论文 12 使电机的转子继续顺时针转动。 依次类推，转子在空间每转过 0 60电角度，逆变器开关就发生一次切换，开关管 的导通逻辑为 t6t1、t1t2、t2t3、t3t4、t4 t5、t5t6，不断循环，这样在此转子磁场 始终受到定子合成磁场的作用，沿顺时针方向连续旋转。 在图 2.8（a）到图 2.8（b）的 0 60电角度范围内，转子磁场沿顺时针连续旋转， 而定子合成磁场在空间保持 2.8 （a） 中 a f 的位置静止。只有当转子磁场连续旋转 0 60电 角度，到达图 2.8（b）所示的 r f 位置时，定子合成磁场才从图 2.8（a）的 a f 位置跳跃 到图 2.8（b）中的 a f 位置。可见定子合成磁场在空间不是连续旋转的，而是一种跳跃 式旋转磁场，每个步进角是 0 60电角度。 （a）t1、t6 导通，a、b相通电 （b）t1、t2导通，a、c 相通电 图 2 . 8 无刷直流电动机工作原理示意图 转子在空间每转过 0 60电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的磁状 态就发生一次跃变。可见，电机有六种状态，每一状态有二相导通，每相绕组的导通 时间对应于转子旋转 0 120电角度。我们把无刷直流电动机的这种状态的 这种工作方 式称为两相导通星形三相六状态，这是无刷直流电动机最常见的一种工作方式。按照 这种工作方式得到无刷直流电机的电流和感应电动势波形如图 2 . 9 所示 华中科技大学硕士学位论文 13 a e b e c e a i b i c i 图 2 . 9 无刷直流电机反电势和电流波形 由于定子合成磁势每隔 1/6 周期（ 0 60电角度）跳跃前进一步，在此过程中，转 子磁极上的永磁磁势却是随着转子连续旋转的，这两个磁势之间平均速率相等，保持 同步，但是瞬时速率却是有差别的，二者之间的相对位置是时刻有变化的，所以，它 们相互作用所产生的转矩除了平均转矩外，还有脉动分量。如图 2 . 1 0 所示： 图 2 . 1 0 无刷直流电机转矩 2.3 无刷直流电机的数学模型 2 . 3 . 1 端电压方程17 假定无刷直流电机的定子绕组为 60相带整距集中绕组，星形连接，如图 2.11 所示。 华中科技大学硕士学位论文 14 t1 d1 t3 d3t5d5 t4t6t2d4d6d2 rl rl rl dc u a u b u c u a e b e c e 图 2 . 1 1 无刷直流电机主电路 忽略铁心饱和及齿槽效应，定子各相电阻、电感均相等，转子上无阻尼绕组，则 a相绕组端电压方程为： () () amaa aanan ama an ama aan a aaan dd uriuriu dtdt dd l i riu dtdt ddldidd riliu ddtdtddt dldi rieliu dtd + =+=+ =+ =+ =+ ( 2 - 1 ) 同理可得b，c相的端电压方程为： b bbbbn dldi urieliu dtd =+ ( 2 - 2 ) c ccccn didl urieliu dtd =+ ( 2 - 3 ) 在以上各式中：, abc uuu 为每相绕组端电压； , abc iii 为每相绕组电流；, aama 为 a相绕组磁链、主磁链和漏磁链；,r l为每相绕组电阻和电感；, abc eee 为每相绕组 反电势；为转子电角速度；为转子电角度； n u 为定子绕组中性点电压；t 为时间 量。 假定转子磁阻不随转子的位置变化而变化，即每相绕组漏电感等效为常数，即 dl dt = 0 ，所以（2 - 1 ） 、 （2 - 2 ）和（2 - 3 ）式可以整理为： 华中科技大学硕士学位论文 15 a aaan di urielu dt =+ ( 2 - 4 ) b bbbn di urielu dt =+ ( 2 - 5 ) c cccn di urielu dt =+ ( 2 - 6 ) 2 . 3 . 2 转矩方程 无刷直流电机的电磁转矩方程为： ()/ ea ab bc cm te ie ie i=+ ( 2 - 7 ) 式中： e t 为电磁转矩， m 为电机机械角速度。 2 . 3 . 3 运动方程 无刷直流电机的运动方程为： / elmm ttjddtb=+ ( 2 - 8 ) 式中： l t 为负载转矩；j为电机的转动惯量；b为阻尼系数。 2.4 无刷直流电机的调速模型 对于两相导通三相星形连接的具有梯形波反电势的无刷直流电动机，其反电势、 相电流以及三相电流大小之和 sum i的波形如前面图 2 . 9所示。每相绕组反电势最大值 为： m ek= (2 - 9 ) 式中k为电机常数，对于给定电机，它与电机极对数、电枢导体数和电枢绕组并联支 路数有关，是一恒定量；为转子永磁体在每极下产生的磁通量。 由式（2- 7） 、 （2- 9）得电磁转矩的表达式为： esum tk i= ( 2 - 1 0 ) 由电机的端电压方程（2 - 4 ） 、 （2 - 5 ） 、 （2 - 6 ）可得 sum eq sumeqm di vr ilk dt =+ ( 2 - 1 1 ) 式中： eq r为等效电阻，/2 eq rr， eq l为等效电感，/ 2 eq ll；v是等效端电压 v dc du=， dc u 是直流母线电压，d为 pwm 占空比。 华中科技大学硕士学位论文 16 不难看出，方程( 2 - 1 0 ) ，( 2 - 1 1 ) 所体现出的机械特性与普通直流电机几乎一致， 因此对于无刷直流电机的调速控制完全可以依照传统的有换向器的直流电机18。结合 电机的运动方程( 2 - 8 ) 可以得到电机开环调速系统方框图 2 . 1 2 如下: 1 (1) eqe rs+ k 1 (1) m bs+ l t sum i m e + - + - ve t k 图 2 . 1 2 b l d c m 控制方框图 其中， e 为电机的电气时间常数/ eqeq lr； m 为电机的机械时间常数/j b。 华中科技大学硕士学位论文 17 3 无位置传感器 bldcm控制原理 传统的无刷直流电机需要一套位置传感器来获得转子位置信息，从而控制逆变器 换相来使电流与反电动势保持同步，但使用位置传感器给控制系统带来了不利的影 响，因此无刷直流电机的无位置传感器控制是目前的一个研究热点19。 直流无刷电动机主要由电动机本体、位置传感器和逆变器组成。位置传感器安装 在电机的内部，起着测定转子磁极位置，为逻辑开关电路提供正确的换相信息。它主 要包括电磁式、光电式、磁敏式位置传感器。但是位置传感器会带来很多缺点2021， 比如安装位置传感器往往会增大电机体积，增加电机成本；并且传感器的输出信号一 般都是弱电信号，易引入干扰。高温、低温、污浊空气等工作环境及振动、高速运行 等工作条件，都会降低传感器的可靠性。当电机需要密封运行时，传感器的连接线也 是不利因素。为此，国内外学者近年致力于 b l d c m 的无位置传感器控制新方法，这种 方法是取消传统的机械式位置传感器，而代之以电子检测线路等其它方法来判断转子 位置。随着控制理论的发展和控制芯片功能的日益强大，这种控制新方法成为近年来 国内外学术界无刷直流电动机的研究热点。 3.1 无位置传感器的转子位置检测方法现状 无刷直流电机无位置传感器传统的位置检测方法主要包括：基于反电势检测法、 磁链估计法、状态观测器法等。以下简单介绍这几种检测方法。 3 . 1 . 1 基于反电势信号的检测法 它是目前技术最成熟，实现最简单，应用最广泛的转子位置检测方法。由于在气 隙磁通密度成梯形波分布的直流无刷电机中，因此定子绕组的反电势也成梯形波分 布。为产生平滑转矩，相电流和反电势之间要有着确定的相位关系，如图 3 . 1 所示。 这样逆变器的开关信号就可以从反电势过零点并延迟固定相位获得。 华中科技大学硕士学位论文 18 a e b e c e a i b i c i 3 0 反电势过零点 换相点 a b c 图 3 . 1 bldcm 反电势与相电流相位关系 ( 1 ) 端点电压检测法222324 在无刷直流电动机稳态运行时、忽略电机电枢反应的前提下，通过检测端电压就 可以获得反电势过零点。端电压法要用三相低通滤波器，用来滤除端电压中的高次谐 波分量，之后和电压比较器所组成电子电路从而取代了传统的机械位置传感器，实现 了转子位置信息的获得。现在应用最广泛的就是这种方法，尤其在家电领域。日本 80 年代首次在空调中利用 4 位单片机实现了无刷直流电机压缩机的无传感器控制，取得 了很好的效果。目前，在国外无刷直流电机作为动力的空调、冰箱等家电产品中已经 广泛应用了这种位置检测方法。但是由于反电势与转速成正比，因此在电机起动和低 速运行下，反电势信号在为零或很小，难以得到有效的转子位置信号，系统低速性能 比较差，需要采用开环方法进行起动；此外为消除 pwm 调制引起的高频干扰信号而 对反电动势信号进行深度滤波的同时带来了与速度有关的相移。因此该方法也有转速 最高限制。 （2 ） 反电势三次谐波积分法2526 这种方法原理是：由于梯形波的反电动势必然包含有三次谐波分量，获取此分量 并对其进行积分，当积分值为零时即得到相应的转子位置信息。moreira 在实验中并 联于星形电机绕组一个星形电阻网络，通过电阻网络中性点与直流侧中点之间的电压 来获得三次谐波，省去了电机绕组与电阻网络两中性点之间的连线。这种位置检测方 法与利用反电动势过零点检测方法进行了对比实验，采用端电压检测法所获得的调速 范围为 10006000r/min，而反电势三次谐波积分法获得了更宽的调速范围，为 100 华中科技大学硕士学位论文 19 6000r/min，也需要采用开环起动方式，但性能要比反电动势过零点检测法优越。 与反电动势过零点检测法相比，三次谐波积分法和电机速度、负载情况无关，受 逆变器引起的干扰影响小，对滤波器要求低，移相误差小，有更宽的调速范围，低速 时三次谐波信号依然可以检测到，所以起动和低速性能要好些，在更宽的调速范围内 这种方法能获得更大的单位电流出力和更高的电机效率。 （3 ） 续流二极管法27 通过检测不导通相绕组续流二极管的开关状态，间接检测电机反电势过零点，控 制逆变器开关状态。该方法检测电路简单，灵敏度高，电机调速范围宽。由于静止时 无法检测到转子位置，起动方式也需采用开环方式，但是较好的低速性能改善了起动 特性。目前日本已实现在 22rmin 时使电机进入反电势控制换向阶段。该方法适用 于方波电动机而不适用于正弦波电动机，因其检测电路要求电机的反电势信号必须为 梯形波。这种方法的缺点是总共六路的检测电路增加了硬件电路的复杂性；这种方法 需要逆变器采取开关管 120导通期间前半段调制后半段开通的方式工作，增加了控 制上的难度。 （4 ） 反电动势积分法2829 反电动势积分法是对非导通相绕组的反电动势积分从而获得转子位置，当关断相 的反电动势过零点时开始对其绝对值进行积分，当积分值达到一个设定的阈值时停止 积分，此时获得了转子位置，对应于定子绕组的换流时刻，改变此阈值即可实现高速 时为提高转矩而采取的换流角超前控制。因为低速时反电动势信号很弱，这种方法也 需要采取开环起动方式。逆变桥中功率器件的开关噪声影响这种方法的低速特性。文 献29提出了和上述方法相似的反电动势逻辑电平积分比较法，这种方法将两路非导 通相反电动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，这两 个积分值之间的关系实际上反映了相位关系，从而可以确定出转子的磁极位置。这种 方法只需检测非导通相反电动势的极性，有利于改善低速性能，调速范围可以达到 101500r/min；对检测电路要求低，所用滤波器只需滤除反电动势中的高频噪声，引 入的相移小， 甚至可以忽略不计； 适用性强， 可以用于多种形式变换器供电的 bldcm 和 pmsm。 3 . 1 . 2 磁链估计法30 磁链估计法是利用测量定子电压和电流而估算出磁链，再根据磁链与转子位置的 关系估计出转子的位置。该算法包含有两个电流环结构，内环矫正磁链的估计值，外 华中科技大学硕士学位论文 20 环调整位置估计值，这种方法有较高的准确度，受测量误差和电机参数变化的影响也 很小，对包括从静止起动在内的宽调速范围内，这种方法都可以准确地检测到转子位 置。文献30利用数字信号处理器实现了磁链估计法，实验中获得了良好的稳态和暂 态特性以及良好的起动性能。这种磁链估计法可以应用于 pmsm 和 bldcm 的无位 置传感器控制中。 3 . 1 . 3 状态观测器法3132 实际上, 现在出现的转子位置检测方法都需要结合现代控制技术, 而现代控制需 要知道全部状态变量, 然而实际情况中有些状态变量不易或无法检测, 状态观测器正 是为解决这个问题而出现的。状态观测器可以通过易于检测的输入输出变量来估计系 统的其它状态变量。实际上, 无刷直流电机的无位置传感器控制问题和状态观测器问 题相类似, 也是通过电流、电压等电机变量来求解电机转子位置, 因此可以设想通过设 计状态观测器来观测转子位置, 从而实现无位置传感器控制。因此, 可以说具有随机干 扰的动态系统的状态观测目的就是要在适当定义的统计意义上, 实现估计误差最小的 最优估计。 3 . 1 . 4 其它方法3334 文献33提出涡流效应法。该方法是在永磁转子表面粘贴部分非磁性导电材料， 通过测量此材料中涡流影响引起的开路相电压变化来判断出转子位置，保证了无刷直 流电动机在起动和低速时的可靠运行。因为这种方法对电机的结构有所改变，增加了 加工的难度，所以在实际中应用并不多见。 文献34提出电流法。该方法是针对传统的反电动势过零点检测法随速度改变而 变化的相位差问题，通过检测电机定子相电流波形来判断转子位置的相电流检测电 路，再与霍尔输出信号进行对比，实验发现在 6963174r/min 范围内该电路都能作为 位置检测电路很好的工作。 3.2 本文转子位置检测方法的确定 基于反电势法检测转子位置是目前应用最为广泛的方法，现代的直流电机调速器 通常通过 pwm 方法来完成调速过程。pwm 控制方法使待检测感应电势信号与开关 脉冲混杂在一起,使用传统的模拟低通滤波器很难滤除脉冲干扰,而且带来了比较大的 相位延迟,使过零点检测误差较大,影响电机运行效率及稳定性。本课题采用现代数字 华中科技大学硕士学位论文 21 技术,使用专用单片机对悬空绕组在其它绕组通电的情况下进行反电势信号采样,并进 行分析,滤除干扰脉冲,准确地识别出过零点，从而获得转子位置信息。该方法实现的 具体原理阐述如下3536： 永磁无刷直流电机主电路结构如图 3 . 2 所示： t1d1 t3d3t5d5 t4 t6t2 d4d6d2 rl rl rl dc u a u b u c u a e b e c e 图 3 . 2 主电路原理图 三相星形永磁无刷直流电机工作在第二章所述的两相导通六状态方式,并且每两 相导通时对应的上桥臂开关管保持恒通，对应的下桥臂开关管工作在 pwm 方式下。 以 a、 b 两相绕组通电， c 相绕组断开为例说明。 t1 恒通、 t6 以 pwm 方式交替开断。 当 t 6 开通时，图 3 . 2 中主电路的端电压方程为： a aaan di urielu dt =+ （3 - 1 ） b bbbn di urielu dt =+ （3 - 2 ） ccn ueu=+ （3 - 3 ） 当电流从 a 相绕组流进，从 b 相流出时，两相绕组的电流、端电压和反电势存满足关 系： ab ii= ， adc uu=，0 b u =， ab ee= 。所以， 由式（3 - 1 ） 、 （3 - 2 ）得中性点电压， 22 dcab n uuu u + = （3 - 4 ） 华中科技大学硕士学位论文 22 由（3 - 3 ）式得 c 相绕组反电势， 2 dc ccnc u euuu= （3 - 5 ） 当 t 6 关断时， b i 通过二极管 d 3 续流，依同样方法分析，可得中性点电压， 2 ab ndc uu uu + = （3 - 6 ） c 相绕组反电势， ccncdc euuuu= （3 - 7 ） 由 （3- 5） 和 （3- 7） 式可知， c 相绕组反电势过零点可以通过检测端电压 c u 等于 1 2 dc u 或 dc u 得到，由于本课题希望能获得比较大的 pwm 占空比，而文献3738提出的直 接反电动势过零点检测方法只能够在 pwm 关断期间进行检测, 这样当 pwm 占空比 很大时, 其检测电路将会失去作用, 从而导致电机运行不正常，所以选择当下桥臂开 关管导通时，检测断开相绕组端电压是否等于直流环中点电压 1 2 dc u来判断过零点 3738。 3.3 无刷直流电机的起动 电动势换相的无刷直流电机是利用电动势作为转子位置信号控制电机驱动电路 换相并产生电磁转矩。但电机静止或者低速运行时，电动势过小，不足以检测到转子 位置信号。必须外加起动信号使电机向某一方向具有一定的初始速度，绕组中产生电 动势，然后用模拟开关切换到无刷电机方式，从而完成起动。电动势换向的无刷直流 电机起动有外同步方式起动和预定位方式起动两种3940。 外同步驱动方式起动就是通 常所采用的“三段式起动法” ，也就是先初始定位，再按外同步方式起动加速，适当 时刻切换至自同步方式。这种起动方式需要专门的脉冲分配电路提供各相导通的控制 信号，因此起动电路较为复杂。预定位方式起动的控制电路相对简单，但为了起动可 靠，必须设计起动控制电路并合理地调整电路参数。 由于上述两种方法往往需要附加起动控制电路，增加了系统成本且使系统复杂 化。文献41基于 tms20f240 的起动控制策略则无需附加任何起动控制电路，实现了 华中科技大学硕士学位论文 2