（电机与电器专业论文）永磁无刷直流电动机的无位置传感器控制.pdf

塑坚查堂婴主兰垡笙苎 生! 堕 a b s t r a c t t h ea v a i l a b i l i t yo fh i g hp e r f o r m a n c em a g n e t s ，l i k es a m a r i u mc o b a l t a n dn e o d y m i u m b o r o n i r o n ，h a sm a d ei tp o s s i b l et oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e o fb r u s h l e s sd cm o t o r ss i g n i f i c a n t l y d e s i g ne n g i n e e r sn o ws e l e c t i n g p m b l d cm o t o r so v e rc o n v e n t i o n a ld co ri n d u c t i o nm o t o rd r i y e sf o r t h e f o l l o w i n gr e a s o n s ：1 ) t h ea b s e n c eo fb r u s h e sr e s u l t si n a ne s s e n t i a l l y m a i n t e n a n c ef r e eo p e r a t i o na n de l i m i n a t e st h eu n d e s i r a b l ee f f e c t so f c o m m t a t i o ns u c ha ss p a r k s ，b r u s h l o s s ，r a d i o f r e q u e n c yi n t e r f e r e n c e ， e t c 2 ) t h el o wi n e r t i ao f t h er o t o re n h a n c e st h eq u a l i t yo ft h em e c h a n i c a l r e s p o n s eo ft h em o t o r ，s h o r t e n i n g t h ea c c e l e r a t i o i 3a n dd e c e l e r a t i o nt i m e 3 ) u t i l i z n gr a r e e a r t hp e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a l sw i t hh i g hc o e r c i v e f o r c er e s u l t si ns u b s t a n t i a l l yh i g h e re f f i c i e n c yt h a nt h e i rc o u n t e r p a r t w i t hh r u s h e so ft h es a m es i z e 4 ) b e c a u s eo ft h ea b s e n c eo fc o m m u t a t i o n s e g m e n t s ，t h es t a t o r c o n s t r u c t i o ni ss i m p l e f 。rt h es a k eo fh a r s hi n s t a l l a t i o n ，l o w e re n d u r a b i l i t ya n dh a r s h w o r k i n ge n v i r o n m e n t ，t h e u s eo fb l d c mi sl i m i t e d i nt h i sp a p e r ，t h et h e m ei st h eb a c ke l e c t r o m o t i v ef o r c ed e t e c t i o n t h i sp a p e ra n a l y z e st w oe m fm e t h o d sb a s e d o nal o to fd o c u m e n t s ，a n dp o i n t o u tt h ee r r a n da n dc o m p e n s a t i o no ft h e s et w om e t h o d s e s p e c i a l l yf o rt h e i n t e g r a t e dp h a s ed e t e c t i o n ，g i v ea na l t e r n a t i v es o l u t i o nw h i c h u s e st h e d i g it a lp o t e n t i o m e t e rt or e p l a c et h ef i x e d r e s i s t o r t h i ss o l u t i o nw i d e n t h ea p p l i c a t i o no ft h eb l d c m k e y w o r d ：b r u s h l e s s d cm o t o r b a c ke l e c t r o m o t i v e f o r c e d e t e c t i o n d i g i t a lp o t e n t i o m e t e r 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，也不包含为获得迸至三盘茎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：岔趴 签字日期： j 。，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至三叁鲎有关保留、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，澎鎏蠢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：，虚_ 碡豇， 导师签名 签字日期：。年月日签字目期：研年岁 学位论文 乍者毕业后去向； 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 蠡，夕 ，3 ， 浙江大学硕士学位论文 第一章概述 一永磁无刷直流电动机的发展与分类n 1 一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，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。电动机主要类型有同步电动机，异步电 动机与直流电动机三种。其容量小到几瓦大至上千万瓦。众所周知直流电动机具 有运行效率高和调速性能好等诸多优点，但传统的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并由此带来噪声、火花、无线电干扰以及 使用寿命短等致命弱点，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。致使目前工农业生产上，大多数均采用三相异步电动机。 随着社会生产力的发展，人们生活水平的提高，需要不断地开发各种新型电 动机。新技术新材料的不断涌现更促进了电动机产品的不断推陈出新。针对上述 传统直流电动机的弊病，早在本世纪3 0 年代就有人开始研制以电子换向来代替电 刷机械换向的无刷直流电动机并取得了一定的成果。但由于当时大功率电子器件 仅处于初级发展阶段，没能找到理想的电子换向元器件，使得这种电动机只能停 留在实验室研究阶段而无法推广使用。1 9 5 5 年美国d 哈利森等人首次申请了应用 晶体管换向代替电动机机械换向器换向的专利，这就是现在无刷直流电动机的雏 形。但由于该电动机尚无起动转矩而不能产品化，后又经过人们多年努力，借助 霍尔元件来实现换相的无刷直流电动机终于在1 9 6 2 年问世，从而开创了无刷直流 电动机产品化的新纪元。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如m o s f e t 、i g b t 等相继出现，以及高性能永磁材料如 钐钴、钕铁硼等的问世，均为永磁无刷直流电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。 由于永磁无刷直流电动机既具备感应电动机的结构简单、运行可靠、维护方 便等一系列优点，又具备直流电动机调速性能好，以及永磁电动机运行效率高、 无励磁损耗等诸多特点，故在当今国民经济各个领域的应用日益普及。 根据逆变器组成器件和工作方式的不同，可以做如下简单分类“。： a 逆变器采用晶闸管 b 逆变器采用自关断器件b 一1 方波型驱动 浙江大学硕士学位论文 b 一2 j e 弦型驱动 这里，a 类电机一般为晶闸管无换向器电机，b 类电机称为永磁无刷直流电动 机或者自控式永磁同步电机。其中b - 1 类电机称为方波型永磁无刷直流电动机， 简称方波电机，其电机本体的反电势设计成梯形波，在这种情况下，转子位置传 感器只需要提供转子的若干个关键位置的离散信号就可以。方波电机结构简单、 控制方便、成本较低，一般用于对转矩要求不太高的调速传动。类似的，将b 。2 类电机称为正弦型永磁无刷直流电动机，简称正弦电机，其电机本体的反电势设 计成正弦形，而逆变器采用s p w m 技术或滞环控制技术等调制出正弦电压或电 流并与电机反电势保持适当的关系，从而产生比较平滑的电磁转矩；在这种情况 下，位置传感器需要提供连续的转子位置信号。正弦电机结构比较复杂且成本较 高( 尤其是位置传感器) ，控制方式灵活，一般转矩波动较小，因此往往用于伺 服控制系统。当然，如果用b 一1 类方式驱动b 2 类电机本体，或者用b - 2 类方式 驱动b 1 类电机本体，也可产生有效的电磁转矩，但是转矩波动往往较大。另 一方面，电机反电势实际上很难设计成标准的正弦形或梯形，电机电流往往也不 是相应的标准方波或者正弦波，这些都会引起转矩波动。 上述分类与定义并不是唯一的，视其分类标准而定。事实上，通常所说的永磁 无刷直流电动机往往泛指b 一1 类电机。本文采用上述分类方法，一方面为了将研 究对象永磁无刷直流电动机界定在整个b 类电机范围内，另一方面是为了说 明方波电机与正弦电机的设计、控制、分析等各有特点。同样，按照上述分类， 采用位置闭环而自同步运行的永磁式或混合式步进电机也属于永磁无刷直流电 动机。但这种电机一般用于位置控制而不是为了提供动力，所以并不在本文的研 究范围之内。 永磁无刷直流电动机具有类似于普通直流电动机的良好调速性能，又不存在机 械换向装置，因而电磁噪声与干扰较小，维护要求低，可靠性好；而且不需要电 励磁，效率相对较高。因此这类电机自问世以来一直受到高度重视a 但是，永磁 无刷直流电动机的广泛开发和应用，还只是近一二十年来电力电子器件( m o s f e t 、 i g b t 等) ，新型永磁材料( a l n i c o ，s m c o ，n d b e b 等) 和先进的控制理论迅速发展的 结果。所以，目前这类电机的总体现状为；“传统理论分析比较成熟，但不少特 殊问题有待解决，实际推广应用还须大量工作。” 浙江大学硕士学位论文 二永磁无刷直流电动机的应用 1 电动自行车 电动车( e l e c t r i cv e h i c l e ，e v ) 早在本世纪初就因其结构简单、操作方便 而风靡一时；采用内燃发动机的汽车只是在起动马达发明之后才逐渐成为主流交 通工具。内燃机汽车的能源主要是石油，而电动车的能源可以来自火力( 煤炭、 石油、天然气) 发电、水力发电、风力发电、地热发电、潮汐发电、原子能发电 等等，也可以来自太阳能电池，因此电动车的能源比内燃机汽车要广泛的多。到 上个世纪七十年代，石油危机使人们重新感受到了电动车的重要性。内燃机汽车、 摩托车及助动车的另一缺点是废气排放，在交通密集的场合，这是空气的主要污 染源之一。有报道指出，一辆燃油型助动车虽然在尾气排放量上比一辆载重1 5 吨的卡车少很多，但是由于汽油燃烧不充分等原因，其排放的污染气体仍然与卡 车接近。对电动车而言，只要废旧蓄电池处理得当，几乎不造成环境污染。所以， 到上世纪9 0 年代，环保问题已经成为全世界共同关心的课题的时候，电动车自然 而然再次受到高度重视；并且不少国家的政府通过行政干预、经济补助等手段有 力的促进电动车的发展。预计本世纪，随着人们对交通工具的安全性能、驾驶性 能及其它辅助功能的要求的不断提高，电动车也将得到越来越广泛的应用。 中国是一个“自行车王国”。随着人民生活水平的提高，又限于居民购买能 力及城市道路设施等因素，电动自行车将是比电动汽车更具竞争力、更易大众化 的绿色代步工具。因此，研制开发电动自行车将具有非常广阔的前景。 电动自行车的两项关键技术是蓄电池和驱动系统。除了铅酸电池之外，近 年来一些性能比较优越的蓄电池，如镍镉电池、锂电池、镍氢电池等的相继问世， 这为电动自行车的逐步普及提供了最重要的前提条件。而驱动系统的核心在于电 动机。显然电动自行车电机应该在表卜1 所列出的六项性能指标上具有优势。 表1 1 对永磁无刷直流电动机、永磁有刷直流电动机、开关磁阻电动机和变 频调速异步电动机在六项技术指标上作了定性比较。 表卜l 四种电动机比较 i 种类 永磁有刷直流永磁无刷直流开关磁阻电动变频调速异步 l 藉 电动机电动机 机电动机 浙江大学硕士学位论文 结构可靠性差 好好好 效率较高高 较高较低 调速性 好好好较好 能 功率体积比较低高较高低 电机本体成 高较高低较低 本 控制器成本低较高较低高 如前文所述，永磁无刷直流电机和永磁直流电机相比，最大的特点就是没有 换向器和电刷组成的机械接触结构。加之，其转子采用永磁体励磁，没有激磁损 耗；发热的电枢绕组通常装在外面的定子上，热阻较小，散热容易。因此，永磁 无刷直流电机在保持了普通直流电机良好的调速和启动性能的同时，还具有无换 向火花及无线电干扰，寿命长，运行可靠，维护简便等优点n 一般认为，永磁无 刷直流电机既具有永磁有刷直流电机优良的机械特性和控制特性，又克服了有刷 电机的缺点，具有更强的竞争力。 即使与同样也是无刷结构的变频调速感应电动机相比，永磁无刷直流电机也 有较多的优越性。交流异步电动机虽然结构简单、运行可靠、价格低廉、结实耐 用，一直是工业和家用动力的主要来源，但它的力能指标、效率、功率因数却不 是很好。实践表明，比之异步电动机，永磁无刷直流电机具有以下一些优点： ( 1 ) 转动惯量较小，响应更快，具有更高的转矩惯量比； ( 2 ) 无需电励磁，具有更高的效率和功率因数： ( 3 ) 永磁转子不发热，发热部分在定子上，散热条件较好，可以取相对高 一些的电磁负荷，体积减小。功率密度增大； ( 4 ) 气隙主磁通是由转子永磁体产生的，使定子绕组电流与产生的转矩可 设计成线性关系，控制挂能比异步电动机更好。 表1 - 1 从结构可靠性、效率、调速性能、功率密度、电机本体成本和控制器 成本六个方面对四类典型电机作了定性比较，结果表明，永磁无刷直流电机和其 它电机相比具有高可靠性、高效率、优异的调速性能等诸多优越性，并且随着新 型钕铁硼永磁的性能的提高和价格i n - f i 绛，电机的制造成本将不断下降，其优越 4 浙江大学硕士学位论文 性将更加明显。 由于永磁无刷直流电机的诸多内在优越性，目前，这类电机已经成为电动车 的驱动核心部件。 2 变频空调和压缩机电机 空调是近年来进入居民家庭消费的又一热门产品。目前我国空调的社会拥有 量已经达至u 8 0 0 万台，而全国约4 0 0 家空调机生产与组装厂家的年生产能力在1 5 0 0 万台，年产量超过5 0 0 万台。传统的空调的风机和压缩机都工作在“开一停一开” 的方式，其所用的电动机在每次启动过程中都承受电流冲击，正常运行时输出功 率又是固定的，因此效率非常低。刚开机或者重新设定温度之后，将室温从当 前值调节到设定值所需要的过渡过程的时间比较长，正常运转情况下，实际室温 是围绕着设定值设定值上下波动，且波动较大。而变频空调的风机和压缩机都工 作在连续、调速运行方式，其输出功率可变，因此，电流冲击小，效率高；刚开 机或者重新设定温度后，压缩机和风机可高速运行，输出功率较大甚至可以超 过额定功率，因此能迅速达到设定温度；正常运转的情况下，压缩机和风机始终 低速运转，输出功率小，温度波动也小。变频空调尤其适合一拖二，一拖三的 结构。 变频空调的风机电机需要具有较好的调速性能和较高的效率，因此可以采用 永磁无刷直流电动机。对于空调室内机的风机电机，最大的要求是低噪声。而对 于通常是密封的压缩机电机，其转子位置传感器的可靠性以及众多的信号传输线 都会带来不利的影响：同时，由于风机电机容量较小，其转子位置传感器相对而 言就占了很大的体积。因此，变频空调中这两种永磁无刷直流电动机都有必要采 用无传感器控制方法。这也是本课题的研究内容，将在下面另行介绍。 三本文的选题意义及研究内容 永磁无刷直流电动机之所以能够自同步运行且具有类似有刷直流电动机的 良好的调速性能，是因为其逆变器功率期间的导通与关断取决于转子位置，因此 转子位置信号是必不可少的。为了获得转子位置信号，传统的永磁无刷直流电动 机往往采用外置式位置传感器进行检测。 转子位置传感器有电磁式，光电式，霍尔磁敏式等多种形式。电磁式体积大， 浙江大学硕士学位论文 抗干扰能力差，因此目前已经不经常使用。光电式体积也较大；尤其是正弦电机 的传感器，价格昂贵，结构可靠性差。霍尔磁敏式体积小，从霍尔元件发展到霍 $ i c ，可直接输出数字信号，使用比较方便；但是霍尔磁敏式传感器往往存在一 定的磁不敏感区，从而造成转子位置误差。 无论采用哪种外置式传感器，还存在以下共同缺点： 1 为了安放传感器而增大电机体积。对于容量在数百瓦以下的永磁无刷直流 电动机，传感器体积往往占了整机体积的2 0 以上。 2 传感器增加电机成本。对于容量在数百瓦以下的小容量方波型永磁无刷直 流电动机，常用的i c 式霍尔传感器的成本通常为电机本体的3 0 左右。同样，小 容量正弦电机所需要的旋转变压器或光电码盘作为传感器，其成本往往与电机本 体相当，甚至更高。 3 传感器连线太多。例如，台三相方波电机若采用霍尔i c 作传感器，至少 需要五根连线；若采用其他传感器时往往连线更多。当电机密封起来运行时，这 些连线都将成为不利因素。 4 传感器输出的信号通常都是弱电信号，因此太多太长的连线都很容易引入 干扰。 5 高温低温，污浊空气等工作环境及震动，高速运行等工作条件，都会降低 传感器的可靠性。 6 传感器的安装精度直接影响电机的运行性能，因此也相对增加了生产工艺 的难度。 综上所述，外置转子位置传感器在一定程度上限制了永磁无刷直流电动机的 推广和应用。因此，如果能够省去外置式传感器而采用其他方式检测转子位置， 必定能够促进永磁无刷直流电动机的发展。 永磁无刷直流电动机的无位置传感器控制一直是国内外较为热门的研究课 题。从7 0 年代术开始到目前为止，永磁无刷直流电动机的无位置传感器控制已 大致经历了3 个发展阶段，针对不同的电机性能和应用场合，出现了很多不同的 控制理论和实现方法，其实质都是通过在线检测电机的参数或电机运行时的物理 量来推测转子的位置从而实现永磁无刷直流电动机的自同步运行。在这些方法中 较为成熟的主要有四类：反电势法、续流二极管法、电感法和状态观测器法。 浙江大学硕士学位论文 反电势法是迄今为止最成熟、最有效、也是最常见和应用最为广泛的一种转 子位置信号检测方法。这种方法的基本原理就是在忽略永磁无刷直流电机电枢反 应影响的前提下，通过检测“断开相”( 逆变器上下功率器件皆处于关断的那一 相) 的反电势过零点，来依次得到转子的六个关键位置信号，并以此为参考依据， 轮流触发导通六个功率管，驱动电机运转。 续流二极管法又称“第三相导通法”，它是通过反并联于逆变桥功率开关管 上续流二极管的导通与关断状态的检测来确定转子位置的。续流二极管法其本质 还是反电动势法，只是在“断开楣”反电势过零点检测上有了一定的改变。这种 改变在一定程度上能够拓宽电机的调速范围。 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 嵌式磁钢结构的永磁无刷直流电机。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，它是“反电势法”中所用到的一种起 动技术。第二种是通过在线检测绕组电感随转子位置的改变而发生的变化，再经 过一定计算，推算转子的位置。 状态观测器法即转子位置计算法，是将电机三相电压、电流作坐标变换在派 克方程的基础上估算出电机转子位置的一种方法。状态观测器法一般只适用于感 应电势为正弦波的永磁无刷直流电机，且计算繁琐并对微机性能要求较高。除了 上述几种方法，国内外还出现了其它一些转子位置信号检测方法，如：涡流法一 一在转子表面安装非磁性材料，通过检测因该材料中涡流而造成的断开相电压改 变来获得转子位置信号：模糊控制和神经网络控制法通过自适应技术、模糊 控制策略或神经网络控制策略来建立被测电压、电流等物理量与转予位置的相互 关系并进而获取转子位置信号。这些方法或因实现难度较大，或因应用条件苛刻， 或因检测误差太大等缘故，应用都不是很广泛， 本文首先分析了几种的无位置传感器的永磁无刷直流电机的位置检测的方 法，比较它们之间的优缺点。指出了各种位置检测方法的检测误差，提出了一些 误差补偿方法。特别是针对积分法直接检测抉相点的缺陷，提出了使用数值电位 器代替固定电阻的解决方案，数值电位器的引入解决了直接检测换相点系统带宽 受到限制的问题。 浙江大学硕士学位论文 第二章无刷直流电机工作原理 无刷直流电机是由电动机本体、位置传感器和功率变换器三部分组成。图 2 - 1 为一台典型的三相桥式永磁无刷直流电机原理图。图中t 1 t 6 为电力电子开 关器件，常用i g b t 、m o s f e t 和g t r ，d 1 d 6 为与开关器件反并联的续流二极管， 电机本体由定子和转子两部分构成，磁钢贴在转子上与转子同轴旋转；电枢绕组 装在定子上，可以是类似交流电机的重叠绕组，也可以是含极靴的非重叠绕组。 三相电压、电流及反电势正方向如图所示，p 为定、转子磁势夹角的电角度。根 据位置传感器检测的转子位置，按一定的逻辑触发功率变换器的功率器件，给电 机定子绕组馈电，随着电力电子器件构成的功率器件有规律的开通、关断，转子 在定子磁动势的带动下旋转起来。 dd 。 s 学 n 图2 一l 三相永磁无刷直流电机原理图 一无刷直流电机的换相过程 从无刷直流电机的工作原理可知无刷直流电机是根据转子位置信号决定导 通相次序和换相时刻，现以一台原型样机为例分析其工作原理和换相过程。图2 2 为无刷直流电机三相六状态的相电流和转子位置图，其中三相定子电流流出 纸面为正方向，流入纸面为负方向，如4 百表示a 相绕组中电流流出纸面，b 相 绕组中电流流入纸面。换相过程如下： 浙江大学硕士学位论文 转子初始位置如图2 - - 2 ( a ) 所示，此时开关元件t 1 ，t 6 导通，定子磁势巧 超前转子n 极1 2 0 。转子永磁体在定子磁场的吸引下逆时针旋转，当位置传感 器检测到转子落后于定子磁势e 为6 0 。( 图2 2 ( b ) ) 时，导通功率器件t 1 ，t 2 ， 由于转子转动惯量的存在，开关期间切换时转子依然保持原来位置不动，定子磁 势只重新超前n 极1 2 0 。，这样随着位置传感器信号的变化，电枢绕组一相一相 地依次馈电，从而实现各相绕组的换流，功率变换器件依据转子位置信号依次触 发可使转子连续旋转。转子每旋转一周，开关元件实现六次换流，定子电流引起 的定子磁动势在空间发生六次跳变，定、转予磁势夹角始终在1 2 0 。6 0 。范 围内变化，周而复始。 x x 4 ( f ) ( e ) ( d ) 图2 2 无刷直流电机绕组电流与转子磁场的相互关系 二无刷直流电机的电压方程 由于永磁材料磁导率与空气相近，可认为面贴式无刷直流电机气隙均匀，功 率半导体器件为理想开关元件。这样，定子电压方程式可写为： 9 a 浙江大学硕士学位论文 f 2 - 1 ) 耄1 = 荟荟冬 睦l a s l + 巨1 c z 一：， 对于面贴式无刷直流电机，电感不随空间位置变化，且由各相绕组空间对称 性可知：k = 厶。= 三。= l = 厶。= k = m t k = k = k = ，。，丸。，丸。为 医 = f ii 萋1 慝1 + q 言罢墨 d 耋 + q 。巨 = f ：0 ：0r ：, j 陉b o + q 乞0 三0 墨 - 。匡 + 医1 c ：一勺 ljl厶jk jk j 其中，= 一m ，为各相绕组自漏感，单位h 。 式中，彩。为转子电频率( 对于永磁无刷直流电机而言，定子供电角频率即为转 1 0 1，j巨 d+ 、，jl=一一 1，j 0 o 0 0 o 0 r，。，1 一一 1ll，j卜k k 浙江大学硕士学位论文 j o 一10 i k f oo 一1 f( 2 6 ) l - 1 00 j 为对称关系矩阵，它联系着时间上互差n 3 两时刻的系统状态，因而求解 区间可以缩小至1 6 周期。由图2 1 中无刷直流电机的原理图和无刷直流电机 1 2 0 。导通模式，可得4 己导通时电路拓扑结构，如图2 3 所示。 由图2 3 可知 图2 - - 3a ，己导通时电路拓扑结构 2 一 1 s 2 一l c s ( 2 7 ) ( 2 8 ) 2 0 ( 2 一功 联立式( 2 4 ) 、( 2 7 ) 、( 2 - - 8 ) 、( 2 9 ) ，可得： = 2 r j o 十2 t 鲁螺i ( 2 - 1 0 ) 稳态时，l 恒定，则皇i 旦= 0 ，爿石导通时，b 哉，b = 品，则式( 2 1 0 ) 可简 e l l 化为： u ，。= 2 t t 。+ 2 e( 2 1 1 ) 三无刷直流电机的运行特性 浙江大学硕士学位论文 由电机结构可知，不同的电枢绕组形式和换向线路，电枢绕组的反电势表达 式是不同的，但是无论哪种绕组和线路结构均可表示为： e = 也n( 2 1 2 ) 将式( 2 - - 1 2 ) 代入式( 2 - - 1 1 ) ，可得： n = 等挚( 2 - 1 3 ， 稳态时，电磁转矩可表示为： 联立式( 2 1 3 ) 、式( 2 - - 1 4 ) 可得 肌”去 2 去a t 。= 吒l ( 2 - 1 4 ) 一等等砘嘲m ( 2 - 1 5 ) 从式( 2 - - 1 5 ) 可以看出，无刷直流电机的机械特性是一条斜率为负的直线 如图2 4 所示。 图2 4 无刷直流电机的机械特性曲线 图2 4 中的，砌，n o a ，分别为母线电压为，o 比，比时的空载转速， 由式( 2 1 5 ) 可知， 如 配，。由图2 4 可以看出无刷直流电机的机 1 2 浙江大学硕士学位论文 械特性曲线与直流电机的机械特性曲线形状一致，表示从直流母线电压向逆变器 方向看去，无刷直流电机具有与直流电机一样优良的调速特性和良好的伺服控制 性能，这也是无刷直流电机被称之为无刷直流电机的原因。 四永磁无刷直流电机控制系统设计 永磁无刷直流电机是一个真正意义上的机电一体化产品，所谓的“永磁无刷 直流电机”已不是原来所谓的像异步电机那样单一的电机本体，而是一套包括电 机本体、控制装置在内的完整的运动控制系统。控制系统设计的优劣直接影响了 整个系统的工作性能。 永磁无刷直流电机系统综合设计平台作为完整系统的设计软件，必然包括控 制系统的设计。这一部分的主要工作是按照客户的要求，选择合适的控制理论、 控制方法，采用合适的实现手段，完成控制器设计，用以驱动以上所设计完成的 电机本体。 永磁无刷直流电动机有着类似于直流电动机的电磁转矩方程。在气隙磁场保 持恒定的假设下，其电磁转矩近似与电枢电流成正比。因此为了控制永磁无刷直 流电动机的转矩与转速，只要调节其电枢电流即可。对于普通的直流电动机，可 以通过改变加在电枢上的电压来调节电枢的电流，这也就是所谓的调压调速。在 直流电动机调速系统中，既可以利用相控整流调压，也可以利用斩波调压以达到 调速的目的，后者即是斩波调速又称脉宽调速，是在直流电源电压基本不变的情 况下，通过电子开关的通断改变施加到电机端的直流电压脉冲宽度占空比，以调 节输入到电机的电压平均值。由于永磁无刷直流电动机已经具备了向电枢绕组分 配能量的功率主回路，因此实现永磁无刷直流电动机的p w m 调速不需要增加功率 开关器件上的开销。 我们只要在永磁无刷直流电动机的电子开关线路中加上一个p w m 发生器以 及几个与门就可以构成个简单的开环调速系统。这样的开环调速系统也还是有 其实用价值的，如可以用在电动自行车上。我们不能指望这样简单的调速系统具 有良好的动态特性，为了得到良好的动态特性，我们必须再增加速度和电流调节 器以构成速度电流双闭环调速系统。 通常的永磁无刷直流电动机都配有位置传感器，以便检测转子的位置，从而 浙江大学硕士学位论文 保证其自同步运行。但永磁无刷直流电动机小型化发展以及其应用环境的特殊性 往往需要去掉位置传感器，以利于简化结构或节省空间或适应特殊的应用环境。 因此永磁无刷直流电动机无位置传感器控制也已经成为研究的热门。 1 4 浙江大学硕士学位论文 第三章硬件系统设计 第一节反电势检测电路设计及误差分析 一反电势过零点检测 1 过零点检测3 2 1 三相端电压计算反电势过零点时刻，在此基础上进行延时3 0 度电角度， 所得的时刻即为恰当的换相时刻。具体推导如下： v n 图3 - 1 定子端一相等效电路 以梯形反电势波形三相无刷直流电机为例，定子绕组星形连接，设系统采用 两两导通、三相六状态的p w m 调制方式。图3 - 1 所示为定子端一相等效电 路，图3 - 1 中v x 为对地端电压，v n 为星形连接绕组中点对地电压，e x 为 反电势，i x 为相电流，l 为相电感，r 为相电阻，其中x = a ，b ，c 。则有如 下关系式成立： 圪：e o + r + k + 工型孕 ( 3 1 ) k = 毛+ 她+ k + 哮 ( 3 2 ) 屹= 疋+ 取+ 巧+ 哮 ( 3 - 3 ) 任一时刻只有两相绕组导通，以星形绕组中点为参考点，设电流流出绕组为 正，流入绕组为负，则导通两相绕组中的电流大小相等而方向相反，第三相 被关断而电流为零。由反电势波形可以看出，在未导通相反电势过零瞬间，导 浙江大学硕士学位论文 有 通的两相绕组的反电势大小相等方向相反，而未导通项反电势为零，在此时 将式( 3 1 ) 、( 3 2 ) 、( 3 3 ) 相加， 则有： 屹+ + 圪= e + 易+ 臣+ 3 z o = 3 k 矿：匕鉴兰 “ 3 ( 3 4 ) ( 3 - s ) 式( 3 - 5 ) 表明，在未导通相反电势过零瞬间中点电压等于相端电压总和的三 分之一。 此时，我们假设x 相为反电势检测相，则有如下电位关系式： k = t + k ( 3 6 ) 疋= k k = k 一半 ( 3 - 7 ) 由式( 3 - 7 ) 我们可以得出如下结论，在反电势过零点即e = 0 的时刻 k = 坠 ( 3 - 8 ) 只要测量出三相端电压，然后由程序确定出当前时刻的反电势相，然后计 算未导通相端电压与三相端电压总和三分之一的差值即可得到末导通相的反电 势值，当该差值为零时即表明检测到反电势过零点。从反电势波形( 图3 - 2 反 电势波形) 可以看出过零点起延时3 0 电角度即可得到换相点。 1 6 浙江大学硕士学位论文 0 l 6 。 1 2 0 1 8 2 4 03 0 0 卢一 l ：卢。 1 8 。2 4 。 3 。h 、。：? 、厂_ 6 0 1 2 01 8 0 。 3 0 0 。一 图3 - 2 反电势波形 除此之外，还有基于这个思路的其他解决方案，例如三相端电压相互比较 得出导通状态等等。但是这些方案都需要延时3 0 度电角度。给精确换相带来了 一定的困难。此外，出于提取电压信号的同时，需要使用电容滤波，必然会增加 额外的相位信号进入系统。 2 过零点检测误差分析“ 在过零点检测解决方案中，首先要求在监测到过零点之后还要延时3 0 度电 角度，由于在无位置传感器控制中，速度信号仍然由过零点检测得到，因此，形 成了强耦合关系。过零点检测的误差将会给延时的电角度带来误差，电角度延时 不准又会直接影响到下一次过零点的监测。情况严重时，将会导致系统不稳定a 其次，由于采样电压信号时，会由于滤波电容器带来额外的相位差，根据转速、 滤波电容的容值的不同，额外的相位差也会不同，试分析如下： 浙江大学硕士学位论文 采样电压的原理图如下 有如下关系式成立： 型： 堡 圪置- 4 - 尺2 + 2 x r , 马f c 则相角位移为： 目：雒。t a n ! ! 墨曼2 笠 墨十也 图3 - 3 电压采样原理框图 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 式( 3 1 0 ) 中给出了相角位移的表达式，可以看出和频率f 、电容值c 、分压电 阻有关。根据式( 3 1 0 ) 可以得出相角偏移量0 的值。可以得出此时的延时不是 单纯的3 0 度电角度，而应该是 a = 3 0 0 ( 3 - 1 1 ) 在低速时的相角位移很小，所以修正效果不是很明显。当电机运行频率上升后， 位置检测电路的相位移变大，修正效果更加明显，冲击电流明显减小，有效的控 制了脉动转矩。 在实现时，通过计算当前的频率，解算出相角位移，在折合成时间，运用到控制 当中。 二换相点检测 利用延时电路将各相电压信号延时9 0 度之后，与人造中点电压直接进行比 较3 ”，方案原理描述如下： 浙江大学硕士学位论文 1 延时后的反电势关系图如下 e c o 0 l 6 0 1 2 0 1 队2 4 0 3 0 0 t o 一 i 1 个 1 2 0 ! 卜 甘u i ：。1 8 02 4 。3 。一 、厂_ 一 6 0 1 2 01 8 。 3 3 6 0 八 6 0 1 2 。：尸3 6 。 图3 - 4 延时后的反电势关系 浙江大学硕士学位论文 由图3 - 4 可以看出，将反电势过零点延迟9 0 度电角度。由于在二二通电的 状态下共有六种状态，每种状态占据6 0 度电角度，延迟9 0 度电角度之后，恰好 是一个状态的电角度加上3 0 度，也就是说，如果我们可以利用延时电路将反电 势延时9 0 度，可以直接利用延迟后的过零点作为换相依据，而无需再额外延时 3 0 度电角度。 2 系统框图 电压信号输入 图3 - 5 系统框图1 根据前述内容，积分电路将采取如下的结构： 浙江大学硕士学位论文 圈3 - 6 延时电路及人造三相中点 如图3 - 6 所示，以a 相为例，如果选取r 1r 3 为较大的阻值，只取出相电 压信号而不影响相电流，r 4 和c 2 对信号进行滤波，通过r 2 对c 1 进行充电， 如果r c 电路的参数合适，使得电容c 1 上的电压曲线工作在指数曲线的最接近 于直线的部分，就可以达到了延时9 0 度相位的目的，得到电压信号v a 。同时， 从a ，b ，c 三相引出电压信号，同样通过大阻值电阻，使用星型连接，引出其中 点信号v n 。将、，a 和v n 信号同时接入比较器中，所输出的信号翻转时，就意 味着过零点时刻的到来。中央处理单元将负责判定在任意时刻的反电势相，查询 相应的比较器单元的输出，得到相应的换向信号。 3 对换相点检测方案的改进； 2 1 浙江大学硕士学位论文 1 ) 对直接检测换相点的分析： 如前所述，延时电路中的电阻r 2 超着十分重要的作用，直接决定了系统的 带宽。试分析如下：反电势幅值与电机转速成正比，在相电压频率较高时，即电 机转速较高时，反电势幅值较大，因而对电容c 1 的充电速度快，如果电阻r 2 阻值选择不当，容易出现电容充电饱和的情况，这种情况在这种方案下是不允许 的，它将会严重影响到换向点的判断并导致过零点漂移，因此在高速时应该考虑 选择较小的充电电流。选择比较大的r 2 。相对的，在相电压频率较低时，反电 势幅值较小，因而在电容c 1 上面的输出幅值v a 很小，信噪比很小，容易被其 他干扰信号所触发而产生误动作给出错误的换向信号，从丽导致影响了电机的运 行性能，严重时会导致失步。图3 7 和图3 - 8 是关于这两种情况的简单仿真。从 图上也可以清楚地看至日 高速时： o 1i 形烈； 一 1 2 8 一j n h 图3 7 高速时的过零点误差 在高速时，由上图可以看出，由于r c 参数选则不妥，c i 上电压曲线是一 个指数曲线，与我们期望的直线推延9 0 度有非常大的误差。在这张图上的换相 点向后推延的角度不是9 0 度而是6 0 度。这个误差极为明显。不能够简单的忽略， 它不是电机的最佳换相点，而且如果单个出现或者周期性出现将会导致电机的转 矩脉动增大，电机运行不平稳。因此，这种情况应当尽力避免出现e 低速时： 浙江大学硕士学位论文 - _ _ - - - _ _ _ - - _ _ 一 o 相中点 图3 8 低速时的过零点误差 人造三相中点的电位可以视为一个幅度很小的正弦波型，从图3 8 中可以看 出，当速度很低时，r c 充电电路参数不妥，则会导致c 1 上的电压幅值过小， 与人造三相中点的电压关系就不能恰当的反应换相时刻，电机低速运行时，谐波 较大也会导致错误的换相点出现。因此，这种情况也应当尽力避免。 但是问题在于，一旦确定了硬件，r 2 值就已经固定，无法改变。一般的做 法是考虑该系统的用途和使用环境等因素，有针对性地考虑高速或者低速的情 况。这也是这种解决方案的最大的缺点。 2 ) 数值电位器 基于上述分析，如果能够在线动态的调整r 2 的数值，使之可以同时适应高 速和低速的要求， 就可以大大提升判断换向点的准确性，从而提高这个解决方 案的应用范围。而作为本系统地中央处理单；元d s p 非常善于进行实时海量计算。 从上述分析来看，数值电位器，就可以满足这样的要求。综合性能。阻值范围， 阻值精度，接口，价格等各方面因素，选择了m a x i m 5 4 0 2 作为数值电位器用于 本系统当中。 在此简单介绍一下数值电位器m a x i m 5 4 0 2 ，其满量程为1 0 k o t u n s ，精度为8 位即1 0 k 2 5 5 = 3 9 2 0 h r n s ，与外电路接口为同步串行总线s p i 接口，中央处理单 元d s p 可以通过其自带的s p i 总线对其进行动态调节。数值电位器的优点还在 于其不易受温度影响，普通电阻会随温度升高而阻值变化，数值电位器则基本不 受影响。 调整之后的系统框图如下： 浙江大学硕士学位论文 图3 - 9 改进后系统框图 以数值电位器代替延时电路中的r 2 作为关键部件，由于使用了数值电位器， 在控制策略上的回旋余地也随之增n t 。可以选择的方案有：根据当前转速实 时进行计算以确定输出的电位器调节系数，或者根据预先设定的表格通过查表缛 到当前电位器输出的数值。更加有利的是，可以通过进行在线计算，对于可确定 误差进行补偿。例如，在延时电路中存在的延时误差，比较器输出的滞后等，都 可以通过计算后调节数值电位器进行补偿。关于误差的补偿将在后文中提到。 浙江大学硕士学位论文 图3 1 0 利用数值电位器作为充电电阻的反电势检测电路 4 直接检测换相点的误差分析 换相点直接检测的误差主要存在于积分电压信号时，r c 电路充电曲线和我 们期望的直线之间所存在的误差。众所周知，r c 积分电路是指数曲线，而如图 3 3 和3 7 所示，我们期望的延时9 0 的效果是把电容c 上的曲线近似看成直线时 出现的。那么在这两者中就存在了误差。具体分析如下： 积分电路其实就是如图3 2 中的电压e a 曲线对如图中3 - 6 的电容c l 进行充 电的等效电路。当反电势过程开始时，v a 的幅值开始沿直线下降，而在v a 大于 电容c 上电压u c 时，仍然是v a 对u c 充电，当v a 幅值减小到等于u c 时，充 电过程就停止，之后v a 继续减小而u e 将通过r 2 进行放电。这样就出现了第一 个误差，我们所期望的是在v a 大于零的时刻都在对电容c 1 进行充电，而当v a 和u c 相等时，这个充电过程就停止了。如图3 - 1 l 所示 0 图3 ，1 1 积分电路误差分析 这个误差将导致出现的换相点比实际换相点提前了一个时刻t 。 浙江大学硕士学位论文 此外电容c 1 上的电压的指数曲线与期望的直线的差异，也将导致一个误差，这 个误差可由图3 7 说明。这个误差也将导致出现的换相点比实际换相点提前了一 个时刻。 但是，需要说明的是，在换相点出现之后，c p u 需要时间进行响应，需要进行 软件滤波，运行计算程序等过程都需要时间。所以换相点比实际情况提前出现从 某种程度来说是一件好事。如果需要的话，可以通过在线实时计算来确定出现的 换相点比实际的换相点提前的时间。但是这个计算量比较大，在线计算是否有必 要，则需要权衡各种条件来决定。 在这里，我对上文所述的几种解决方案作了一个简单的比较，见下表： 袁3 - 1 几种解决方案的比较 换相点检测带数值电位器的换相点检测过零点检测 类型无需延时直接换相无需延时直接换相需要延时3 0 电角度 系统带宽由积分电路决定可以动态调节基本没有限制没有要求 可以误差由分压电路带来 误差补偿不可可以通过动态补偿和延时3 0 度电角度的计算带 来 有频率限制带有频率可以做到精确但需要考虑 换相点检测可以动态计算容易做到精确 误差较多因素 硬件实现简单比较简单简单 如果考虑到误差的消除和精 软件实现难度不大带动态计算或查表难度一般 确换向有些难度 第二节硬件电路设计 任何一个复杂系统的稳定而可靠的工作几乎都离不开合理的硬件结构设计 浙江大学硕士学位论文