（电机与电器专业论文）稀土永磁无刷直流电机宽范围高精度转速控制研究.pdf

a bs t r a c t t h eh i 曲p e r f o r m a n c es p e e dc o n t r o lo fr e p mb l d cm o t o rw i t hw i d er a n g e s p e e db e t w e e nz e r oa n dn o l o a ds p e e di sr e s e a r c h e d as t r a t e g yc o n t r o l l i n gw i n d i n g c o m m u t a t i o nd i r e c t l yt oc o n t r o lm o t o ri sp r o p o s e dw i t hr e s p e c tt ot h ep r i n c i p l eo f m a c h i n e r o t a t o rp o s i t i o na n da s s e s sc o m m u t a t i o ns i g n a lc o n t r o l sc o m m u t a t i o ni n l e s st h a n3s p e e dr a t i os i m u l t a n e i t y p ic o tt r o la l g o r i t h mc a na d j u s tp h a s ed i f f e r e n t i a b e t w e e nr o t a t o rp o s i t i o n sa n da s s e s sc o m m u t a t i o ns i g n a lt om a k et h e ms a m e 6 0 0 e l e c t r i ca n g l eo n c r e s tu s e di nt r a d i t i o n a l12 0 m p e z o i db l d c mc a nm a k et h e b l d c mo p e r a t i o ni nc o n d i t i o no fp m s mi nr a t i oo f3 3 0 t h ef r e q u e n c yo f v o l t a g ea n dp h a s e sa r ed e t e r m i n e db yr a t e ds p e e d i tc a nm a k et h ep o w e ra n g l e i n v a r i a b l eo n6 0 0 b yc l o s e dl o o pc o n t r 0 1 a so p e r a t i n gi ns u p e rl o ws p e e do fr a t i o a b o v et o3 0 ，i ta l s oa d o p t st h eo v e r l a po f3 - p h a s et r a p e z o i dv o l t a g ew h e ns u p e rl o w e r s p e e da n di ta d o p t so p e nl o o pt om a k et h ep o w e ra n g l ec l o s et o0 。w h i l ei n c r e a s i n gt h e v a l u eo f v o l t a g ed u r i n ga l l o w a b l ec i r c u i t w h e nt h es y s t e mo p e r a t i o ni ns e v e r a lm o d e l s ，h y s t e r e t i cs w i t c hb e t w e e nt w o s p e e dp o i n t sc a np r e v e n ts p e e df l u c t u a t i o n d i f f e r e n c eo p e r a t i o nm o d e li su s e di n d i f f e r e n c es p e e d ，w h i c hc a np r o l o n gs p e e db a n da n di n c r e a s es e c u r i t ya n ds t a b i l i t y t h er e s u l to fe x p e r i m e n ts h o w st h a ti tc a nc o n t r o lt h em o t o rw i t haw i d e ra n dh i g l l p e r f o r m a n c e ，a n dt h ec o n t r o li se f f e c t i v e1 0t h ep e r f o r m a n c e o f t h es y s t e m i ta l s om a k e ss o m er e s e a r c ho nt h ef i e l d w e a k e n i n gc o n t r o lo fr e p mb l d c m o t o ra n dt h ec o n t r o lo fg e n e r a t o r , a n dt h es t r a t e g yi se x p a t i a t e dp a r t i c u l a r as c h e m e i sp r o p o s e dt o o k e y w o r d s ：r e a l e a r t hp e r m a n e n tm a g n e t ，b r u s h l e s sd cm o t 0 5 s p e e dc o n t r o l ，f i e l d - w e a k e n i n g ， g e n e r a t o r 西北工业大学砸士学位沦文第一章绪论 第一章绪论 近年来，随着稀土永磁材料、电力电子技术的发展以及微处理器性能的提高， 使稀土永磁无刷直流电动机伺服系统有了更为广阔的应用前景。在航空航天机 电作动器中，使用稀土永磁无刷直流电动机作为驱动装置，可使其在重量、功 率及性能方面有很大改善。稀土永磁无刷直流电动机伺服系统已经在美国的军 用、民用飞机及航天飞机的动作系统中得到了广泛应用。在飞机飞行控制系统 中也引入了稀土永磁无刷直流电动机。 本文给出了一种高性能稀土永磁无刷直流电动机驱动控制器，引入交流电 机的控制思想，在成本增加不大的前提下使其兼有交流电机和直流电机的优点。 使得系统的性能及可靠性有了大幅度的提升，因而拓宽其应用领域，同时也可 对现有电机系统进行技术改造。 1 1 稀土永磁无刷直流电动机综述 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领域以及 人们的日常生活之中。无刷直流电动机是用电子换向代替传统直流电动机机械 换向的一种机电一体化电机。它克服了传统直流电机由于机械换向带来的电磁 噪声、换向火花、以及寿命短等弱点，具备交流电动机的结构简单、运行可靠、 维护方便等一系列优点，但在性能上保持了普通直流电动机的体积小、重量轻、 无励磁损耗以及高效节能等一系列优点。随着电子技术、计算机技术和稀土永 磁材料的发展，无刷直流电动机在社会各个领域中得以迅速推广应用。 稀土永磁材料的出现对无刷直流电动机的发展起着强有力的推动作用，采 用稀土永磁体的无刷直流电动机不仅保持了铁氧体永磁、铝镍钻永磁等传统无 刷直流电动机的优点，如可靠性高、维护方便、结构简单、特性好、散热容易、 转速不受机械换向限制、噪声小等，而且还具有高能量密度，高转矩惯性化和 高效率等特点。另外，电枢反应对稀土永磁体的去磁作用较小，故稀土永磁无 刷直流电动机更适合突然反转、堵转驱动等特殊运行场合的性能要求。由于稀 土永磁无刷直流电动机具有上述一系列优点。因而，其用途更广泛，特别适合 两j l t a k 太学硕上学位论文第一章绪论 丁j 对性能、体积重量要求更高的场合，如航空航天、电动汽车、精密电子仪器 与设备、工业自动化和现代家用电器等领域。 电驱动系统的快速发展及对电机本体的多样性及高性能化、高精度的要求， 为永磁无刷直流电动机这样极具优势的高性能新型电动机提供一个更为广阔的 发展和应用空间。 交流伺服驱动技术的飞速发展，使得交流伺服驱动系统代替传统直流伺服 驱动系统将成为必然的发展趋势，而作为交流伺服驱动系统的永磁无刷直流电 动机伺服系统，更将成为高性能伺服驱动系统发展的主要方向，从而成为促进 永磁无刷直流电动机在伺服驱动领域应用推广的催化剂。 防爆电机主要用于煤炭、石油、化工、纺织、军工、医药以及粮食加工等 具有爆炸性气体和可燃性粉尘危险场所在的各工业部门的机械配套的动力设 备。由于无刷直流电动机采用电子换向，没有电刷带来的换向火花等，非常适 合需要防爆的领域，所以其发展潜力很大。 相信随着国际、国内对稀土永磁无刷直流电动机的研制和开发工作的目臻 成熟和完善，稀土永磁无刷直流电动机会愈发显示出其独特的经济价值和实用 价值。 尽管稀士永磁无刷直流电动机以其良好的性能而得到广泛应用，但我国元 器件水平及相关理论与实践相结合的程度还比较低，尤其是制造工艺和加工设 备较国际水准差距较大，所以目前我国稀土永磁无刷电机实际应用才开始不久， 与发达国家的技术水平和工程应用水平还有相当差距，在稀土永磁无刷直流电 动机的研究领域里还有不少问题值得深入研究。 自从7 0 年代矢量控制技术发展以来，电机控制系统的静、动态性能都有了 大幅度的提高。然而，在实际上由于系统特性受电动机参数的影响较大，以及 控制过程中所用矢量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果难以达到理论分 析的结果。直接转矩控制理论由德国鲁尔大学的d e p e n b r o c k 教授于1 9 8 5 年提 出，是近十几年发展起来的具有高性能的交流变频调速技术。它在很大程度上 克服了矢量控制技术的计算繁杂、特性易受电动机参数变化影响的缺点，以新 颖简明的控制思想和系统结构，优良的动、静态性能得到了迅速发展应用。目 2 曲北工业大学颂十学位论丈 第一章结论 前浚技术已成功地应用于电力机车牵引的大功率交流传动上，德国、日本、美 国都在竞相发展此技术。直接转矩控制理论目前大都是针对异步电动机，而对 无刷直流电动机特别是方波驱动的稀土永磁无刷直流电动机的研究相对较少。 将直接转矩控制理论的思想应用于稀土永磁无刷直流电动机系统，提高控制精 度及系统性能，这方面的研究还处于空白状态。 图1 一l 稀土永磁无刷直流电动机构成框图 稀土永磁无刷直流电动机的基本构成包括电动机本体、驱动控制器和转子 位置传感器三部分，如图1 - 1 所示。其中驱动控制器包括控制电路、逆变电路 以及保护电路等。稀土永磁材料的内禀矫顽力极高，磁场定向性好，因而容易 实现在气隙中建立近似于矩形波的磁场，电机可设计成方波电机，当与逆变电 路相匹配，可实现方波驱动，从而可有效地减少转矩脉动，同时提高电机的出 力。因此，稀土永磁无刷直流电动机一般都设计为方波驱动。驱动控制电路通 过逆变电路将真流电变为方波交流电给电动机本体的绕组供电，使电动机产生 持续不断的转矩，各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的转 子位置信号。 对于方波驱动的稀土永磁无刷直流电动机，传统控制方式都是把它当普通 直流电动机来控制，逆变电路只起到换向器的作用。就算运用了先进的控制方 法，如参数自适应控制、滑模变结构控制、模糊控制等，但是由于电机本身参 数的非线性性和时变性，使其控制精度和动态性能提高不是很明显。近几年来， 随着微电子技术的迅速发展，使得各种高性能微处理器不断推出，加速了无刷 直流电动机控制系统的发展，数字控制技术也得到了快速的发展。数字控制技 术不但使系统获得高精度、高可靠性，还为新型控制理论的应用提供了物质基 础。同时，电力电子技术的飞速发展，使功率器件的容量和频率都有了很大的 提高，这给各种控制方式的实现提供了更便利的条件。综上所述，交流电机的 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 各种控制理论，如矢量控制、直接转矩控制、磁场向量控制等，其控制思想可 以用在稀土永磁无刷直流电动机的控制上，从而使系统的控制精度、动态性能、 鲁棒性、可靠性等有一个质的飞跃。 1 2 论文研究的主要内容 本文主要研究一种高精度的稀土永磁无刷直流电动机速度伺服控制方法。 在对电机特性分析的基础上提出了一种新型的控制方法，并给出了一种简单的 实现方案，包括硬件电路的设计和控制算法的软件实现。实现了稀永磁无刷 直流电机的高精度稳速控制。 为了不失一般性，本文选用常用的稀土永磁无刷直流电机，方波驱动的两 相导通星型三相六状态稀土永磁无刷直流电动机，霍耳式位置传感器，霍耳信 号的跳变位置为换向点。控制器采用高性能单片机，实现全数字式控制，系统 具有控制、保护、显示、操作指令输入等功能。 1 _ 2 1 速度伺服控制 1 高精度稳速控制 主要技术指标：电机在零转速到额定转速范围内平滑无级调速，速度控制 精度为0 1 ，在1 5 倍额定负载下转速变化小于l 。 电机转速由转子位置信号算出。对于两相导通三相六状态的电机，普通( 调 速比1 3 ) 速度运行时，电机换向由给定转速和转子位置信号共同控制，逆变 电路关断角由转子位置信号确定，根据速度给定值控制逆变电路的导通角，使 导通角和关断角之间的时间差与由速度给定值算出的时间差保持致。低速运 行时，电机绕组三相重叠导通，相当于同步电动机运行状态，考虑电机运行稳 定、效率及转矩波动等因素，采用平顶宽度6 0 0 电角度的梯形波电压驱动电机， 控制电流使功率角在6 0 。附近。另外，采用了滞环切换方式控制两种运行状态 互相平滑稳定地切换， 2 超低速运行及定位控制 主要技术指标：电机能在接近零的超低速平稳运行；电机在任意角度定位， 4 西北1 业大学硕j 二学位论文 第一章绪论 定位转矩大于或等于额定负载转矩。 针对电机的平顶宽度1 2 0 。电角度的梯形波的相绕组感应电势及其等效气隙 磁密，采用平顶宽度6 0 。电角度的梯形波等效电压加在绕组上。绕组上所加电 压频率由给定转速确定，通过p w m 信号控制电压幅值以控制功率角在0 0 电角 度附近，使电机可平稳运行在超低速或定位( 零转速) 状态。 1 2 2 弱磁控制 本文针对方波驱动的稀土永磁无刷直流电动机的结构特点，采用在气隙磁 密弱的位置给绕组通电的方法来进行弱磁升速。对于常用逆变电路，当电机转 速超过理想空载转速时电流会通过续流二极管流回电源。本文研究了一种特殊 的三相桥式逆变电路，保证了电机高速运行时电能不会反馈回电源，同时也消 除了绕组之间的环流。 论文在理论上分析了弱磁控制方法的可行性及系统的稳定性，并给出了一 种简单的实现方法。 1 2 3 发电控制 1 起动发电控制 针对一般起动发电系统，由于直流母线与蓄电池相连，存在电动状态蓄电 池电压过低时起动转矩小和发电状态电机转速过低时绕组感应电势低而不能输 出电流、转速过高时电机绕组感应电势太高而使输出电流过大三个不足之处。 本文提出了一种方波驱动的稀土永磁无刷直流电机的起动发电控制方法，给出 理论推导和控制器的具体软硬件实现方案。在蓄电池电压低时提高电动机的起 动转矩，并扩大了发电机稳压输出的转速范围。 2 作为负载时的控制 在对永磁电动机进行性能测试时，可用对拖负载方式加载。相同的电机与 其同轴相连并工作在发电状态，通过控制发电机的输出功率便可得到不同的负 载。本文提出了一种控制稀土永磁无刷直流电机作为对拖负载的方法，根据不 同转速调节输出功率，使其输入转矩( 电动机的负载转矩) 与给定转矩一致。 西北i 业人学硕士学位论文 第二章速度伺服控制 第二章速度伺服控制 随着控制技术、电子及计算机等技术的发展，电气伺服系统以其日益优异 的性能获得了越来越广泛的应用。稀永磁无刷直流电动机作为伺服系统执行 电机时，传统上将其当作直流电机来控制，通过控制等效母线电压以及电流来 控制电机转速，出于电机参数的非线性性和时变性，使得控制精度、快速性和 鲁棒性等系统性能很难提高。 本文所用电机为最常用的稀土永磁无刷直流电动机，方波驱动的两相导通 星型三相六状态稀土永磁无刷直流电动机，霍耳式位置传感器，霍耳信号的跳 变位置为换向点。普通速度运行时，参照交流电机的直接转矩控制，通过控制 绕组电流的通断直接控制电机转矩，从而控制转速以及转子位置，电机的实际 转速和转子位置由位置传感器获得。低速运行时，电机相当于永磁同步电动机 运行，三相绕组重叠导通，加在绕组上的电压为平定宽度为6 0 0 的梯形波电压 ( 控制简单，对应平定宽度为1 2 0 。的梯形波感应电势转矩脉动较小) 。控制绕 组上等效电压波形使电机转矩平稳，控制其相位使功率角在6 0 0 附近( 转矩脉 动较小) 使电机转速稳定。极低转速运行时，功率角在0 0 附近( 转矩脉动较小) 。 这种三相重叠导通的方法可以使电机运行于极低的转速，同时可以任意角度定 位电机转子。 本章从电机的基本原理及传统控制方法入手，在理论上详细叙述了高精度 稳速控制和超低速运行及定位控制的方法，包括普通速度运行、低速运行、超 低速运行、堵转定位、各种运行状态的切换以及电机在各种运行状态下稳定性 的分析；给出了一种简单的实现方法，包括硬件电路的设计、研制以及控制软 件的算法设计、程序编写；另外还对实际的实验结果进行分析，并与理论分析 的对照。 为了便于分析，假定电机绕组等效气隙磁密及感应电势均为标准的平顶宽 度为1 2 0 。电角度的梯形波，忽略绕组电感，不考虑由p w m 斩波引起的电流波 动。 6 两北工业大学硕l 学位论义 第一章速度伺服控制 2 1 伺服系统概述 伺服系统( s e r v os y s t e m ) 也称随动系统，属于自动控制系统的一种，用于 控制被控对象的转角( 或位移) ，使其能自动地、连续地、精确地复现输入指令 的变化规律。伺服系统通常为带有负反馈的闭环控制系统，某些场合下也可使 用开环控制来实现其功能。 伺服系统是伴随着电的应用而发展起来的，最早出现于2 0 世纪初。1 9 3 4 年 第一次提出了伺服机构( s e r v o m e c h a n i s m ) 这个词，随着自动控制理论的发展， 到2 0 世纪中期，伺服系统的理论与实践日趋完善，并得到了广泛的应用。2 0 世 纪7 0 年代以来，随着计算机技术和微电子技术的飞速发展，微型计算机特别是 单片型计算机得到了迅速的发展，使得它们体积小、重量轻、工作可靠、价格 低廉，在伺服系统中取代了大量的模拟和数字电路，提高了伺服系统的可靠性， 增强了伺服系统的通用性和灵活性，促进了伺服系统向数字化方向的发展，其 应用几乎遍及社会的各个领域。此外，应用数字计算机作为数字控制器，使得 许多控制理论和技术中的新方法，如最优控制、自适应控制和智能控制等，可 以应用于伺服系统中，使伺服系统的性能和效率得到极大提高。 机械制造行业是伺服系统传统的应用领域，各种机床运动部分的速度控制、 运动轨迹控制、位置控制等都是由各种伺服系统控制的。它们不仅能完成转动 控制、直线运动控制，而且依靠多套伺服系统的配合，可以完成复杂的空间曲 线运动的控制，如仿型机床的控制、机器人手臂关节的运动控制等。另外，电 弧炼锻炉的电极的位置控制，轧钢机轧辊压下运动的位置控制，高层建筑中电 梯的升降控制、通信系统中天线俯仰角和方位角的控制、计算机中的磁盘和光 盘的驱动控制等也都需要伺服系统。 随着现代科学技术的飞速发展，特别是微电子、计算机、电力半导体和电 机制造技术取得的巨大技术进步，使得数字伺服系统在许多高科技领域得到了 非常广泛的应用，如激光加工、机器人数控机床、大规模集成电路制造、智能 办公设备、雷达和各种军用武器随动系统等，其控制性能对这些高科技的发展 正起着越来越关键的作用。 两此工业人学硕十学位论文 第二章速度伺服控制 按误差控制的闭环伺服系统的组成如图2 1 所示。图中聃为系统的输入信 号，( p 。为系统的输出信号，则系统的误差o = 币，( p 。误差测量装置又称比较元件， 其作用是将系统的输入晰与输出( p 。之间的差值0 转换成电信号u 0 送入放大装 置。放大装置将误差电压u 0 经过必要的变换与功率放大之后驱动执行机构，使 执行机构拖动被控对象按照输入信号晰的规律运动。补偿装置的作用是补偿系 统中存在的电磁与机电惯性所引起的滞后作用，使系统的输出信号( p 。能瞬时跟 随输入信号哳的变化，以满足系统的动态性能要求。当系统受到外部干扰，使 输出量i p 。偏离输入量聃时，通过负反馈作用，使误差测量装置输出误差电压， 执行元件推动被控对象回到与输入相对应的位置，将系统输出量( p 。自动调整到 允许的误差范围之内，这是按误差控制( 又称反馈控制) 的极大优点。 图2 - 1闭环伺服系统原理框图 伺服系统按系统组成元件的物理性质分类，有电气伺服系统、电气一液压 伺服系统和电气一气动伺服系统。对于应用最广泛的电气伺服系统，作为执行 元件的电机主要有：直流伺服电动机、直流力矩电动机、直流无刷电动机、步 进电动机、异步电动机和同步电动机等几类。传统高精度速度伺服系统一般采 用同步电动机，其转速与驱动电压( 电流) 频率的严格正比关系保证了速度的 控制精度。 稀土永磁无刷直流电动机与同步电机相比。同等体积重量下出力大，电枢 反应小使其工作更稳定、特性更优良，机械特性硬、电压调整率小使其过载能 力强、起动转矩大、系统动态等特性更优良，机电时间常数和转子转动惯量小 使其起动更迅速、系统响应更快速。因此，若能使无刷直流电机具有同步电动 机的转速控制精度，将会使系统的性能有更进一步的提高。 8 西北1 = 业大学硕士学位论文 第二章速度伺服控制 2 2 电机原理及传统控制方法分析 对于方波驱动的两相导通星型三相六状态稀土永磁无刷直流电动机，当相 绕组感应电势及其等效气隙磁密均为乎顶宽度不小于1 2 0 。电角度的梯形波，与 1 2 0 。导通型三相逆变电路相匹配，在每个运转周期( 3 6 0 0 电角度) 能连续输出 平稳的转矩。但是等效气隙磁密平顶宽度越大，电机的设计及加工的难度越大， 因此一般电机都接近1 2 0 0 。 图2 - 2电机绕组感应电势和气隙磁密波形图 为了简化分析过程，假定电机相绕组感应电势e 。及其等效气隙磁密b 。波形 如图2 2 所示，均为梯形波，平顶宽度等于1 2 0 0 电角度，图中0 为转子位置( 电 角度) 。在实际系统中，由于方波驱动的稀土永磁无刷直流电动机电枢反应可忽 略，感应电势和气隙磁密波形是不变的，其幅值与电机转速成正比。因此，可 以根据实测的感应电势波形和据此推算出的气隙磁密波形来对控制软件所用波 形进行补偿，由此可更进一步提高系统控制精度。 2 2 1 稀土永磁无刷直流电动机基本原理 直流 电源 输出 传感器 图2 - 3 稀土永磁无刷直流电动机原理框图 方波驱动的稀土永磁无刷直流电动机结构如图2 3 所示。控制电路对转子 9 西北t 业大学硕士学位论文 第一章速度伺服控制 位置传感器检测的信号进行逻辑变换后产生脉宽调制p w m 信号，经过驱动电 路放大送至三相桥式逆变电路，从而控制电动机各相绕组按一定顺序工作，产 生连续的电磁转矩。 电机三相绕组a 、b 、c 的感应电势( e 。、。b 和e c ) 、绕组电流( i 。、i b 和i 。) 以及三个转子位置信号( h a 、h b 和h c ) 波型图如图2 - 4 所示，其中0 为转子 位置( 电角度) 。下面以二相导通星形三相六状态无刷直流电动机为例来说明其 工作原理。 e a e be c 、一一一一一一一一一一一尽 7 i 。， ，。 、 、 1 c ， 、 、 、 l _-_- r 、 纛 0 - - 0 03 i) o6 0 09 ll o1 20 01 50 01 8o o2 10 02 40 0 2 70 03 ( io o3 3 o o l h a r l h 1 3 r h c 图2 - 4 传统方式绕组电流换向时序图( 正转) 转子位置在0 0 3 0 。电角度期间，转子位置信号逻辑值按h a 、h b 、h c 的 顺序( 文中不作特殊说明均按此顺序) 为1 0 0 。a 相绕组不导通，电流为零， 不产生转矩；b 相绕组反向导通，电流为负，感应电势为负，转矩为正；c 相 绕组正向导通，电流为正，感应电势为正，转矩为正。电机产生的总电磁转矩 为正，电机顺着转子位置电角度由o o 到3 0 0 的方向转动。 转子位置在3 0 。电角度时，转子位置信号由1 0 0 跳变为1 1 0 ，绕组电流换 向为a 相正向导通、b 相反向导通、c 相不导通。转子位置在3 0 0 9 0 。电角度 期间，a 相绕组电流为正，感应电势为正，转矩为正；b 相绕组电流为负，感 应电势为负，转矩为正；c 相绕组电流为零，不产生转矩。电机产生的总电磁 两北工业大学硕士学位论文 第二章速盅何服择制 转7 色为正，电机顺着转子位置电角度由3 0 0 到9 0 。的方向转动。 转子位置在9 0 0 电角度时，转子位置信号由1 1 0 跳变为0 1 0 ，绕组电流换 向为a 相i f 向导通、b 相不导通、c 相反向导通。依此类推可得出在一个周期 ( 3 6 0 。电角度) 内绕组电流的换向关系，同理可得电机正反转的转子位置信号 和绕组导通顺序的逻辑关系如表2 1 所示。表2 1 中a ( b 或c ) 表示a ( b 或 c ) 相绕组正向导通，a ( b 或c ) 表示a ( b 或c ) 相绕组反向导通，转子位 置信号排列顺序为h a 、h b 、h c 。 表2 1 传统方式正反转逻辑关系表 转子位置信号 1 0 01 1 00 1 00 1 10 0 11 0 1 正转 c 曰 爿口 爿c曰c b 爿 c 一 _ 反转 曰c 曰4 c 爿c b一b爿c 下面以二相导通星形三相六状态为例，分析稀土永磁无刷直流电机的电磁 转矩、电枢电流和反电势等特性。为了便于分析，假设不考虑开关管开关动作 的过渡过程和电枢绕组的电感 单根导体在气隙磁场中感应电势为 e = 终l v ( v )( 2 - 1 ) 式中，b 。为气隙磁感应强度，l 为导体的有效长度，v 为导体相对于磁场的线 速度。 v = 丽a d 7 = 2 p r 蠢( m s ) ( 2 - 2 ) p r”丽丽 式中， 为电机转速( r r a i n ) ，d 为电枢内径，f 为极距，p 为极对数。 设电枢绕组每相串联匝数为r y e , ，则每相绕组的感应电势为 e 。= 2 w , e ( v )( 2 - 3 ) 将式( 2 - 2 ) 代入式( 2 1 ) 得 p = b a l 2 p 7 丽r l (v)(2-4) 方波气隙磁感应强度对应的每极磁通为 巾d = b j 甜，r l ( w b )( 2 - 5 ) 西北丁业大学硕上学位论文 式中，口，为计算极弧系数，则有 p = 2 p 中d 6 0 l a , ( v ) i 2 _ 6 ) 将式( 2 6 ) 代入式( 2 3 ) 得每相绕组感应电势 2 去咖 (v)(2-7) 则线电势，即电枢感应电势为 e = 2 = 罴n = e 叱n ( v ) ( 2 - s ) 式中，c 。= 差卫为电势常数。 1 ) 口 在每个导通时间内有以下电压平衡方程式 u 一2 a u = e + 2 ，。0 ( 2 - 9 ) 式中，u 为电源电压，u 为开关管的饱和管压降，。为每相绕组电流，为 每相绕组电阻。 由上式得 掣 ( a )( 2 一l o ) 在任一时刻，电机的电磁转矩t 。由两相绕组的合成磁场与转子永磁场相互 作用而产生，则 。警= 鲁 帅)1 ) 。“ qq 、7 、。 式中，q = 丝6 0 为电机的角速度。则有 。警2 pw m 中a n l 百4 p 叫。：鹕l m ，江 式中，c r ：翌k 为转矩常数。 刀口 将式( 2 8 ) 代入式( 2 - 9 ) 得 1 2 两北工业人学硕士学位论文 第一章速度伺服拧蜘 u 一2 a u 一2 i 。0 h = 2 = e m 。 ( 2 1 3 ) 空载转速为 铲型2互u-2iau舶，丽u-2auc,中80 ( 舳川4 ) 一手瓦卸5 丽删m 犯。1 4 从式( 2 - 8 ) 、( 2 1 2 ) 和( 2 一1 3 ) 可以看出，方波驱动的无刷直流电动机与普通直 流有刷直流电动机的基本公式相类似，理论上来说无刷直流电动机可以得到与 普通直流电动机完全相同的特性，但由于无刷直流电动机换向不能象有刷直流 电动机换向频繁，电机定子磁场跳变比较大，所以无刷直流电动机的转矩脉动 较大，如果无刷直流电动机的相数可以做到与有刷直流电动机换向片数相同， 就能够取得与有刷直流电动机相同的特性，但考虑到换向电路的成本问题，无 刷直流电动机一般设计成三相绕组。 转子位置传感器是稀土永磁无刷直流电动机的关键部件。它对电机转子位 置进行检测，其输出信号经过逻辑变换后去控制开关管的通断，使电机定子各 相绕组竣顺序导通，保证电机连续工作。转子位置传感器也由定、转子组成， 其转子与电机本体同轴，以跟踪电机本体转子的位置；其定子固定于电机本体 定子或端盖上，以敏感和输出转子位置信号。转子位置传感器的主要技术指标 为：输出信号的幅值、精度，响应速度，工作温度，抗干扰能力，损耗，体积 重量，安装方便性以及可靠性等。其种类包括磁敏式、电磁式、光电式、接近 开关式、正余弦旋转变压器式以及编码器等，其中最常用的是霍耳元件式位置 传感器、电磁式位置传感器和光电式位置传感器，下面分别给予说明。 霍尔元件式位置传感器是磁敏式位置传感器的一种。它是一种半导体器件， 是利用霍尔效应制成的。当霍尔元件按要求通以电流并置于外磁场中，即输出 霍尔电势信号，当其不受外磁场作用时，其输出端无信号。用霍尔元件作转子 位置传感器通常有两种方式。第一种方式是将霍尔元件粘贴于电机端盖内表面， 靠近霍尔元件并与之有- d , 间隙处，安装着与电机轴同轴的永磁体。对于两相 导通星形三相六状态无刷直流电动机，三个霍尔元件在空间彼此相隔1 2 0 。电角 度，永磁体的极弧宽度为1 8 0 0 电角度。这样，当电机转子旋转时，i 个霍尔元 两北丁业丈学颅十学位论文 第二，章速度伺服摔制 件便交替输出三个宽为1 8 0 。电角度、相位互差1 2 0 。电角度的矩形波信号。第二 种方式是直接将霍尔元件敷贴在定子电枢铁心气隙表面或绕组端部紧靠铁心 处，利用电机转子上的稀土磁体主极作为传感器的永磁体，根据霍尔元件的输 出信号即可判断转子磁极的位置，将信号放大处理后便可驱动逆变器工作。霍 尔元件式位置传感器结构简单、体积小、价格低、可靠，但对工作温度有一定 要求，同时霍尔元件应靠近传感器的永磁体，否则输出信号电平太低，不能正 常工作。因此，在对性能和环境要求不是很高的稀土永磁无刷直流电动机应用 场合，大量使用霍尔元件式位置传感器。 电磁式位置传感器的定子由磁芯、高频激磁绕组和输出绕组组成，转子由 扇形磁芯和非导磁衬套组成。定转子磁芯均由高频导磁材料( 如软磁铁氧体) 制成。电机运行时，输入绕组中通以高频激磁电流，当转子扇形磁芯处在输出 绕组下面时，输入和输出绕组通过定、转子磁芯耦台，输出绕组中则感应出高 频信号，经滤波整形和逻辑处理后，即可控制逆变器开关管。这种传感器具有 较高的强度，可经受较大的振动冲击，故多用于航空航天领域。电磁式位置传 感器输出信号较大，一般不需要经过放大便可直接驱动开关管，但因输出电压 是交流，必须先整流。由于这种传感器过于笨重复杂，因而大大限制了其在普 通条件下的应用。 光电式位置传感器由固定在定子上的几个光电耦合开关和固定在转子轴上 的遮光盘所组成。几个光电耦合开关沿圆周均布，每只光电耦合开关由相互对 着的红外发光二极管和光敏三极管组成。遮光盘处于发光二极管和光敏三极管 中间，盘上开有一定角度的窗口。红外发光二极管通电后发出红外光，当遮光 盘随电机转子一同旋转时，红外光间断地照在光敏三极管上，使其不断导通和 截止，其输出信号反应了转予的位置，经过放大后去驱动逆变器开关管。这种 传感器轻便可靠，安装精度高，抗干扰能力强，凋整方便，因而获得了广泛的 应用。 西北工业大学坝七学位论文 第二章速度伺服控制 2 2 2 传统控制方法分析 f i ； = f i i l f 乏 + f 己毛m 工 m 呈m 1 尸f 芝 + f l ；1 c z 一，s ， 式中：“。、“。、为绕组相电压，r 为绕组相电阻，、i 。、i c 为绕组相电流， 三为每相绕组自感，肼为两相绕组间互感，尸为微分算子，p 。、e 。、f 。为每相 传统控制方法均是以式2 - 1 5 和电机基本公式，= g 妒，、e = c 。庐 为基础 西北工业大学瑚l 学位论文 第二章速度伺服挣制 2 3 稀土永磁无刷直流电动机的高精度稳速控制 为了提高稀土永磁无刷直流电动机的转速控制精度，改善传统控制方法的 不足之处，本文引入了直接转矩控制的思想，提出了直接控制转速的思路。电 机转速即是单位时间转子转过的角度，与转子转过一定电角度所需时间成反比， 因此控制转予转过一定电角度所用时间就等于控制了转速。 传统控制方式下无刷电机的换向时间，即转子转过6 0 。电角度的时间是随 电机电压和负载转矩的变化而变化的，是不能直接控制的。本文的直接控制转 速的思想就是根据给定转速，直接控制电机换向时间来达到对转速的直接控制， 同时通过调节加在绕组上的等效电压来保证电机平稳运转。 2 3 1 普通速度下电机的高精度稳速控制 针对传统控制方法的不足之处，在电机速度较高的普通速度下，采用控制 绕组电流换向为主，调节绕组上等效电压为辅的方法来控制电机转速。绕组换 向由给定速度、瞬时速度( 用p i 控制算法时) 和转子位置信号共同控制。 新控制方式下电机正转，电机转速稳定时电机三相绕组a 、b 、c 的感应电 势( e a 、e b 和e 。) 、绕组电流( i 。、i b 和i 。) 以及三个转子位置信号( h a 、h b 和 h c ) 和三个辅助换向信号( h s a 、h s b 和h s c ) 波形图如图2 - 5 所示，其中0 为转子位置( 电角度) 。 正转时，辅助换向信号h s a 由转子位置信号h b 延迟( 若转子位置信号对 称性不好，则由h c 延迟) 后取反得到，延迟时间由电机的给定速度和瞬时速 度( 用p i 控制算法时) 确定，其时间基准为转子位置信号。当电机转速稳定、 给定速度等于瞬时速度时，h a s 与h a 重合。同理，正转时，h s b 由h c 延迟 取反得到，h s c 由h a 延迟取反得到。反转时，h s a 由h c 延迟取反得到，h s b 由h a 延迟取反得到，h s c 由h b 延迟取反得到。 新控制方式下绕组电流换向时，导通由辅助换向信号控制，关断由转子位 置信号控制。为了减小逆变电路功率管损耗、降低电流波动，逆变电路采用半 桥调制模式。大多数桥式逆变电路的驱动电路中，上下桥臂在导通期间都是 6 西北t 业大学硕上学位论文 第二章速度伺服控制 p w m 调制。本文所用调制方法在功率管导通的1 2 0 。电角度期间，前6 0 。电角 度p w m 控制，后6 0 。常通，这样可使逆变器各功率管损耗减小，同时在p w m 调制的关断期间电流不会流回电源，减小母线电流的波动。为使每一时刻都只 有一个功率管为f w m 调制，最大限度降低功耗和电流波动，从p w m 控制切 换到常通也由辅助换向信号控制。 i 。 ? ， t w ! ；：；j l ； ；i ； 嚣 e c ；i ；!i c i i i i i i i i i i i i u u 一一：蹦壁垒= = = = = = 除娑、i i i 3 0 06 0 09 0 0i 2 0 01 5 0 01 8 0 02 1 0 。2 4 0 。2 7 0 。3 0 0 03 3 0 03 6 0 0 r - h b r l h c i r h s a ， r i h s b r l h s c 图2 5 新方式f 稳定时绕组电流抉向j 顿序图( 正转) 电机转速稳定时，给定速度等于电机瞬时速度。若负载转矩突然增加或扰 动使电机转速下降，在下一个换向点来临时，辅助换向信号不再与对应转子位 置信号重叠，辅助换向信号会提前跳变，令提前的电角度为b 。由于绕组的导 通由辅助换向信号控制，则绕组提前导通，提前角为p 。因为绕组的关断由转 子位置信号控制，所以绕组关断时间不受影响。由前面所述的辅助换向信号的 获得方法可知，b 小于6 0 0 电角度。电机正转( 反转时原理与正转一样) 绕组提 1 7 西北工业人学硕士学位论文第二章速度伺服控制 前导通时各绕组及控制换向信号如图2 - 6 所示。 ： e ae be c ， 、 ， 1 c 7棚 i 。 带n 矧： i b 善 ：i ，l il i i l l i ； 。 l l l i h l lo ，二 l _ i删。埘 r i i ：h ! l i i u 一 _ ： 、 _二 0 3 r6 0 0 l ii o 1 2 0 01 5矿1 80 0z 10 02 4 0 02 70 03 0 0 03 0 。3 6o o ： ； ；h a r l h b r - h c j r - h s a l r h s b r h s c 图2 - 6 提前导通时绕组电流换向顺序图( 正转) 由图2 - 6 中绕组感应电势波形可看出，在绕组提前导通期间，绕组感应电 势小于或等于( 感应电势波形平顶部分大于1 2 0 。电角度) 征常导通期间的电势， 而加在绕组上的等效电压相同。根据电机基本公式7 1 = 鲁= 罟和 u 一2 a u = e + 2 i r 可得： 丁：生丝二! 垒竺二生2 ( 2 1 6 ) 2 d r 、 式中t 为电机电磁转矩，e 为绕组感应电势，u 加在绕组上的等效电压，a u 为逆变电路功率管管压降，q 为转子角速度，r 为绕组电阻。e u 2 a u 2 e 时，感应电势e 越小，电磁转矩越大，n u 一2 a u = 2 e 时电磁转矩最大，其值 1 8 西北t 业大学硕，l 学位论文第二章速度 u 】服拧制 为= 警。对于本文所采用的电机，由于星犁接法，逆变电路的输 出电压是加在串联的两相绕组上，式2 - 1 6 中的绕组感应电势e 是指通电两绕组 的感应电势之和，因此由图2 - 6 可看出，提前导通部分的转矩最大值在p = 6 0 0 ( u 一2 a u = 2 e ) 时取得。因此，b 在0 。到6 0 0 间变化时，提前导通部分的附 加转矩随b 的增大快速增加。当负载转矩突然增大或扰动使电机转速降低时， 绕组提前导通，电机输出转矩增大自动平衡增加的负载转矩和扰动。 枣 y 一 e b e c 一一一一 ，、 。 n nn n n 广- ：一一、 7 、 1 a ，、 n l l i l l il l b i 、 i c 硼一 ， ， i i i i i ii， ，i _ l i i i ii；nl i i i l i ：t f ：， 州o y u u 雕 7 ； z 黼0 i i i、 ： ： j u u i o 3 () o6 0 9 0 0 1 20 01 5 0 01 80 。2 10 1 2 4o o2 7 矿3 c0 03 30 03 60 0 l h a r h b r l h c r l h s a l ， f l t t s b l r h s c 图2 7 延迟导通时绕组电流换向顺序图( 正转) 同理，当负载转矩突然减小或扰动使电机转速增加时，绕组延迟导通。在 延迟期闯三相绕组都不导通，电机电磁转矩为零。这样减小的输出转矩也自动 平衡了减小的负载转矩和扰动。绕组延迟导通时各绕组及控制换向信号如图2 - 7 所示，令延迟的电角度为t 。当y 大于或等于6 0 。电角度时，电机的输出转矩为 零。 1 9 两北t 业大学硕+ 学位论文 第二幸速度伺服控制 电机正转时，结合图2 5 、图2 - 6 和图2 7 可得，转子位置在3 0 0 电角度时， 由b 相绕组反向p w m 调制、c 相绕组正向常通切换到a 相绕组正向p w m 调 制、b 相绕组反向常通；转子位置在6 0 。电角度时，由a 相绕组正向p w m 调 制、b 相绕组反向常通切换到c 相绕组反向p w m 调制、a 相绕组正向常通。 转子位置在3 0 0 9 0 0 电角度期问a 相绕组正向p w m 调制、b 相绕组反向常通。 综上所述，可推导出在3 0 0 9 0 0 电角度期间，控制绕组导通的各信号的逻辑状 态为h a 为1 、h s b 为1 。依次类推，可得到3 6 0 0 电角度期间其余5 个阶段 控制绕组的各信号的逻辑状态。同理，可得出电机反转时的绕组导通状态及其 控制信号的逻辑关系、电机正反转的转子位置信号、辅助换向信号和绕组导通 顺序的逻辑关系如表2 2 所示。表2 2 中a ( b 或c ) 表示a ( b 或c ) 相绕组 j f 向导通，a ( b 或c ) 表示a ( b 或c ) 相绕组反向导通，逻辑信号为x 表 示可为任意值( o 或1 ) ，p w m 表示p w m 信号调制导通。 表2 2 新方式正反转绕组换向逻辑关系表 转予位置信号辅助换向信号绕组导通规律 h ah b h ch s ah s b h s c 4 4 b b c c x0xx x o小导通不导通不导通 p w m 常通不导通 lxxx 1 x p w m不导通不导通 常通不导通不导通 正 xx00 x x常通不导通不导通不导通不导通 p w m 转 xx x 1不导通不导通 p w m不导通不导通常通 xl ox x x 0 x不导通 p w m常