（电机与电器专业论文）无刷直流电机卡尔曼法转子位置检测及模型参考自适应控制.pdf

a b s t r a c t p e r m a n e n tm a g n e tb m s h l e s sd c ( b l d c ) m o t o r sh a v es m a l ls i z e s ，l o ww e i g h t ， l a r g ep o w e rt o v o l u m er a t i o ，l o wn o i s e ，a n da r ee a s yt om a i n t a i nc o m p a r e dw i t h p e r m a n e n tm a g n e td c s e r v om o t o r sh a v i n gt h es a m e o u t p u tr a t i n g s ob l d c m o t o r s a r eu s e dm o r ea n dm o r ef r e q u e n t l yi ne v e r yf i e l do f i n d u s t r ya p p l i c a t i o n s t r a d i t i o n a l b m s h l e s sd cm o t o r sh a v es h a f tp o s i t i o ns e n s o r sw h i c ha r eu s e dt og e n e r a t ep r e c i s e f i r i n gc o m m a n d s f o rp o w e rc o n v e r t e r s b u tp o s i t i o ns e n s o r sw i l lh a r mt ot h em o t o ri n c o s t ，s i z e sa n ds t a b i l n y s oi t i si m p o r t a n tt os t u d ys e n s o r l e s sc o n t r o la l g o r i t h m so ft h e b m s h l e s sd cm o t o r i nt h i sp a p e r , ap 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 df o rb r u s h l e s s d cm o t o rw h i c hi sb a s e do nk a l m a nf i l t e ri sp r e s e n t t h ek a l m a nf i l t e ri se m p l o y e dt o e s t i m a t et h es h a f tp o s i t i o nb yo n l yu s i n gm e a s u r e m e n t so fs t a t o rl i n ev o l t a g e s o nt h e o t h e rh a n d ，t h ep e r f o r m a n c eo fp e r m a n e n tm a g n e tb m s h l e s sd cm o t o rd r i v e sd e g r a d e s w i t hp a r a m e t e ra n dl o a dv a r i a t i o n s t os o l v et h i sp r o b l e m ，ac o n t r o l l e rb a s e do n m o d e lr e f e r e n c e a d a p t i v ec o n t r o l ( m r a c ) i s a l s od e s i g n e di nt h i sp a p e r a tf i r s t t h ep r i n c i p l eo fp o s i t i o n - s e n s o r l e s sc o n t r o lf o rp m b d c m i sd e s c r i b e d ， a n ds e v e r a lp o p u l a rc o n t r o lm e t l l o d sa r ed i s c u s s e d ad i s c r e t es t a t ee q u a t i o ni ss e tu 口 t h r o u g ht h eb a s i ce q u a t i o n so fb l d c m a n dan e wa l g o r i t h mw h i c hi sb a s e do n k a l m a nf i l t e ri sp r e s e n t e d d i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lm e t h o d st h a to n l yu s eb a c k e m fz e r oc r o s s i n gs i g n a l t h i sa l g o r i t h mc a l lf u l lu s et h ee m fe s t i m a t e df r o mt h e s t a t o rl i n ev o l t a g e s b yu s i n gt h i sm e t h o d ，t h ep o s i t i o n ，s p e e da n da c c e l e r a t i o no ft h e s h a f tc a na l lb ee s t i m a t e do n l i n e ，s ot h es e n s o r l e s sc o n t r o l l e ro ft h eb l d c m c a nb e r e a l i z e d s e c o n d l y , a no v e r v i e wo ft h ep r i n c i p l ef o rm o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ec o n t r o l ( m r a c ) a n d t h ee r r o rb a c kp r o p a g m i o n ( b p ) a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki sp r e s e n t m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ec o n t r o lw i t hs i g n a la d a p t m i o na l g o r i t h m sh a sb e e na p p l i e d t oc o m p e n s a t i o np a r a m e t e rs e n s i t i v i t ya n di n f l u e n c eo fl o a dt o r q u ei nap e r m a n e n t m a g n e tb r u s h l e s sd cm o t o rd r i v e s ot h eo u t p u to f t h em o t o rc a nf o l l o wa1 0 wo r d e r m o d e la n dt h es t a b i l i t ya n d p r e c i s i o n o f t h es y s t e mi se n h a n c e d n e x t ，as i m p l ee r r o rd e t e c t i n gm e t h o db a s e do nh a m m i n gc o d ei s i n 仃o d u c e d o w i n g t ot h i sm e t h o d ，t h es p e e da n ds t a b i l i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ed s p a n dp ci nas e n s o r l e s sb r u s h l e s sd cm o t o re o n t r o ls y s t e mc a nb ei m p r o v e d a t1 a s t t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h ed s pc o n t r o l l e rf o rb m s h l e s sd cm o t o r i sd e s c r i b e da n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l ti sa l s op r e s e n t k e y w o r d s ：b r u s h l e s s d c m o t o r p o s i t i o n - s e n s o r l e s sc o n t r o l ，k a l m a nf i l t e r i n g ， m o d e lr e f e r e n c e a d a p t i v ec o n t r o l ，h a m m i n gc o d e ，d s p 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，也不包含为获得叁盗盘茎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 舀、玮 签字日期： 2 0 够年月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨生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 签字日期：c 2 卵j 年 导师签名：表步乞 签字同期：j 嘭年，月，日 节蝻 ， 陈阳 第一章绪论 第一章绪论 本章介绍了永磁无刷直流电机的发展概况与趋势，概述了国内外对永磁无刷 直流电机相关内容的研究状况、阐明了本课题研究的背景和意义：自适应控制理 论的发展及在电机控制中的应用；最后列出了本文研究的主要内容及全文的结构 安排。 1 1 永磁无刷直流电机的发展概况与趋势 电动机作为一种机电能量转换装置，经过一个多世纪的发展，其应用范围已 经普及到了国民经济和人民生活的各个领域。根据情况的实际要求。各种不同种 类的电机应运丽生，其中包括同步电机，异步电机，直流电机以及各种微特电机。 众所周知，交流电机具有结构简单，运行可靠，维护方便等优点，但是同步电机 调速困难、容易失步；异步电机特性软、起动困难、功率因数低、调速难。直流 电机在传统电机中，以其优异的调速性能、机械性能、高效率等优点脱颖面出， 应用领域很广。虽然如此，由于传统直流电机中机械电刷、换向器的存在，不可 避免的带来可靠性差、制造成本高、维护困难等其自身难以克服的缺陷。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，新技术的不断涌现，在过去的几十年里出现 了各式各样的微特电机。其中永磁无刷直流电机，即有交流电机结构简单、运行 可靠、维护方便等特点，又有直流电机调速方便、运行效率高、性能优良等优势， 在越来越多的场合中取代了传统电机。因而对永磁无刷直流电机的研究成为了业 内人士关注的焦点。 1 永磁无刷直流电机的发展概况 早在二十世纪三十年代，就有人开始尝试以电子换向来代替传统直流电机的 机械换向。但是，由于当时的大功率电子器件仅处于初级发展阶段，没有理想的 电子换向元件，这种电机只能停留在实验室研究阶段面无法推广使用。1 9 5 5 年， 美国d - 哈里森等人首次申请了应用晶体管换相代替电机机械换向器换向的专利， 第一章绪论 这就是现代永磁无刷直流电机的雏形。但由于该电机尚无起动转矩，因此还不能 产品化。经过人们多年努力，借助霍尔元件来实现换向的永磁无刷直流电机在 1 9 6 2 年终于问世，从而开创了永磁无刷直流电机产品化的新纪元【l _ 2 。 二十世纪七十年代以来，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g t r 、m o s f e t 、i g b t 等相继出现，许多高能永磁材料， 如钐钴、钕铁硼等相继问世，这些均为永磁无刷直流电机的发展奠定了坚实的基 础。 随着技术的发展，无刷直流电机的基本技术已经成熟，在很多场合投入了实 际应用f 3 】a 1 1 2 无刷直流电机控制器的发展概况 对无刷直流电机的控制，当前主要采用专用集成电路( a s i c - - a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 控制器、单片机( m c u ) 和数字信号处理器( d s p ) 三种方式。 对于专用集成电路( a s i c ) ，现在几乎所有先进工业国家的半导体厂商。都 能提供自己开发的电机控制专用集成电路。但使用时受到的限制比较多、功能有 限，且不易升级，维护等操作。 现在实际应用的无刷直流电机控制器大多采用单片机来实现。应用较多的是 8 0 9 6 系列产品。但单片机的处理能力有限，特别是需要处理的数据量太、实时 性和精度要求高时，单片机往往不能再满足要求。 目前d s p 已经发展到了第六代产品，其型号规格相当丰富，价格便宜1 4 。由 于d s p 采用改进的哈佛结构和流水线等机制，其指令处理速度远远高于单片机， 特别是d s p 器件还提供了高度专业化的指令集，提高了数字滤波器的运算速度， 这样使得它在控制器的规则实施、矢量控制和矩阵变换方面具有得天独厚的优 势，而且d s p 还有很多专用芯片，它们以c u p 为核心，加上不同的外围，集成 在一个芯片上，可以实现很多复杂的控制功能，降低了系统对外围器件的要求， 降低了整个系统的成本，提高了可靠性，有利于专利技术的保密。其中，美国德 州仪器公司( t i ) 推出的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 就是一款价格便宜，功能强的电机控 制专用d s p 芯片。它的两个事件管理器、6 路c a p t u r e 单元、多达1 4 路p w m 信号输出，丰富的i o 口等都使得电机的控制大大简化。 d s p 强大的计算能力使许多控制方法得以实现，这大大提高了电机的控制精 第一章绪论 度。因此近年来永磁无刷直流电机的全数字控制成为了研究的热点6 1 。 1 1 3 无刷直流电机的市场展望 永磁无刷直流电机除了保持有刷直流电机固有的优越的起动和调速性能外， 其最大的特点是没有机械换向结构，克服了直流电机机械换向器和电刷带来的一 系列弊端，具有转速高、效率高、寿命长、噪音低、电磁干扰小、运行可靠、维 护方便等一系列优点。而且，永磁体作为转子，使得电机体积小、重量轻、转动 惯量小。此外，永磁无刷直流电机由于其结构上的特点，发热的电枢绕组通常装 在外面的定子上，这样热阻较小，散热容易。可以看出，永磁无刷直流电机对提 高产品质量，寿命，节能具有重要意义。 二十世纪九十年代以后，人类更加关注环境保护，节约能源及国民经济的可 持续发展。随着现代微电子技术、电力电子技术、传感器技术、精密机械技术、 自动控制技术、微型计算机技术及人工智能技术等高新技术的发展，以机械为主 体的工业、民用产品不断采用高新技术，并向自动化和智能化方向发展。相应对 电动机的要求从过去简单的起动控制、提供动力，发展到要求对转速、位置、转 矩等精确控制，以使驱动机械运行达到预定的技术性能，从而促进了电动机与电 子产品结合成密不可分的机电一体化产品的发展。而永磁直流无刷电机作为这种 产品的典型之一，具有很大的市场需求。2 0 0 0 年无刷直流电机韵年产量达到7 5 亿台，预计到2 0 0 3 年产量将达到1 0 亿台。 在国外，由于电子元件的成本较低，各种无刷直流电动机的控制专用集成电 路，功率器件的价格不断降低，永磁无刷直流电机的发展极为迅速，以每年2 0 的增长率发展。它除了在空间技术、军事及工业控制领域广泛应用外，已经开始 用于家用电器，如空调、洗衣机、风扇等。 我国是稀土元素矿藏大国，有着丰富的资源优势。特别是第3 代稀土永磁材 料一钕铁硼( n d f e b ) 磁钢的性能不断提高，价格不断下降，为我国无刷 电动机的规模生产提供了可靠的材料来源。改革开放后，国外各大半导体器件厂 商抢滩中国市场，使国内方便采购到世界当今最先迸的电动机专用的大规模集成 电路驱动器件、大功率开关器件、高性能微处理器、d p s 数字信号处理器、 m o s f e t 功率器件和i g b t 功率模块等，价格比过去更加便宣，为推出性能优良、 价格低廉的无刷直流电动机提供了器件来源。目前在我国，永磁无刷直流电机在 变频空调，电动自行车，洗衣机中已经得到应用，在医疗器械、仪器仪表、化工、 3 第一章绪论 轻纺以及家电产品等高性能、高精度的伺服驱动领域也具有广泛的应用前景。但 是，它的发展受国产电子元器件价格和性能的影响，尚未形成大批量生产规模， 它的应用因而也受到限制。相信随着我国微电子技术的发展，电子元器件的成本 会逐渐降低，性能会进一步提高，从而使永磁无刷直流电机在我国的开发和应用 得到迅猛的发展。 1 2 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无刷直流电机的研究主要集中在无位置传感器控制、 高精度控制、转矩波动抑制、抗干扰以及振动、噪声和e m c 等问题网。 1 2 1 无位置传感器控制 无位置传感器控制是指通过检测驱动电路中的一些电压或电流量，对其进行 一定的处理，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 行的方法。 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的新纪元。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【7 _ 1 ”、续流 二极管法【12 1 、电感法 1 3 】1 1 4 】、磁链、法【1 5 1 等方法相继被提出。 在八十年代末九十年代初，还有人提出了状态观测器法【1 6 1 和卡尔曼滤波法【”】 来检测转子的位置。但是由于当时微机处理速度有限，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8 1 。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【1 9 - 2 0 。 国内对无位置传感器无刷直流电动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。 第一章绪论 1 2 2 高精度控制 过去对无刷直流电机的研究主要集中于对电机本体、控制器硬件电路及无位 置传感器等方面的研究，对现代控制策略应用方面的研究较少，要求较高的控制 系统通常仅仅工作在p i 调节的电流转速双闭环运行方式。现代工业应用中对电 机控制系统性能的要求越来越高，而普通p i d 控制只适合于可以用固定的数学 模型所描述的控制系统，当系统中存在未知或变化的动态量时，这种控制方式就 不能取得很好的效果，当系统的参数变化过大时，控制系统甚至会不稳定。六十 年代开始成形的现代控制理论，目前发展已比较成熟，几种主要理论分支都已达 到实用阶段，其中诸如：状态观测器理论、最优控制理论、自适应控制理论和滑 模变结构控制理论等非常适合用来控制电机，将其应用于电机控制系统中，可以 有效提高系统的性能。 由于无刷直流电机是一个非线性、多变量、强耦合的系统，如果对其应用现 代控制理论进行设计，计算量往往非常大，很难实现实时控制，因而这方面的研 究较少。随着高性能的d s p 等控制器件的发展，性价比的不断提高，计算的复 杂性在一定程度上得到解决，陆续有人开始尝试在无刷直流电机控制系统中应用 现代控制理论。 国外早在九十年代初就有人提出利用滑模观测器来实现无刷直流电机的位 置和速度控制，取得了一定的控制效果【1 6 1 。在此之后基于状态观测器【2 m 3 1 、鲁 棒控制、变结构控制、模型参考自适应控制【2 4 2 5 1 等理论的无刷直流电机控制方案 相继被提出。但就楚体而言，国外对无刷直流电机应用现代控制理论进行控制的 研究还处于开始阶段。 国内在近几年也开始了在无刷直流电机控制系统中应用现代控制理论方面 的研究。但研究的范围主要集中在参数辨识等方面，其他理论的研究较少。 第一章绪论 1 3 本文研究的内容及结构安排 本文的研究内容是基于卡尔曼滤波永磁无刷直流电机的无位置传感器控制 技术以及模型参考自适应控制方法，同时也研究了永磁无刷直流电机的d s p 控 制技术。除了第一章介绍课题意义、研究综述外，其余四章内容安排如下： 第二章介绍了永磁无刷直流电机的结构，说明了电机换相的基本原理，以反 电势法为例介绍了无刷直流电机无位置传感器控制的基本原理，比较了几种常见 间接检测转子位置的方法。 第三章介绍了卡尔曼( k a l m a n ) 滤波的基本原理，在分析了电机的数学模型 的基础下，列出了转子位置、速度、加速度的状态方程，改变了过去方波型无刷 直流电机预测换相时刻仅仅依靠反电势过零点的思路，充分地利用了整个可以测 得的反电势曲线，将状态方程离散化后在线应用卡尔曼算法，滤掉了建模误差、 量测误差和外界干扰，估计出了转子旋转的电角度、电角速度和电角加速度，并 给出了仿真结果。 第四章阐述了模型参考自适应控制( m r a s ) 的基本原理，介绍了b p 神经 网络的基本原理、特点和学习方法，设计了基于b p 神经网络的无刷直流电机模 型参考自适应控制器。 第五章介绍了无刷直流电机控制系统的硬件及软件结构，简单描述了硬件电 路各部分的功能与结构，阐述了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的主要特点及功能，介绍了增 强串行通信可靠性的纠错码技术及其软件实现，最后给出了相关的实验结果。 最后是结束语，总结了本文主要的研究结果以及以后要做的工作。 第二章永磁无刷直流电机基本工作原理 第二章 永磁无刷直流电机基本工作原理 本章介绍了永磁无刷直流电机的结构，说明了电机换相的基本原理，以反电 势法为例介绍了无刷直流电机无位置传感器控制的基本原理，比较了几种常见间 接检测转子位置的方法。 2 1 永磁无刷直流电机的基本结构 无刷直流电机使用电子换向装置取代直流电机的机械换向。因而，无论从结 构或控制方式上来看，无刷直流电机与传统的直流电机都有很多相似之处：用粘 有永磁体的转子取代有刷直流电机的定子磁极，用具有多相绕组的定子取代安装 在传统直流电机转子上的电枢绕组，用逆变器和转子位置传感器等组成的电子换 向器取代机械换向器和电刷，这样就得到了无刷直流电机。无刷直流电机一般由 无刷直流电机本体、转子位置检测器、控制电路和逆变器组成i l “。如图2 1 所 示。 2 1 1 电动机本体 图2 - 1 无刷直流电机基本结构图 电机本体主要由主定子和主转子组成，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，保证机械结构牢固和稳定；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。无刷直 流电机的本体，与永磁同步电机相似。它利用在转子粘贴或内嵌磁性较强的稀土 永磁材料来建立转子磁场。为了满足不同应用场合的要求，建立的转子磁场在空 间的分布存在正弦和梯形两种形式。这两种电机在原理、模型及控制方法上有所 7 第二章永磁无刷直流电机基本工作原理 不同，习惯上把转子磁场分布为正弦波型的称为正弦型永磁同步电机( p e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r - 一p m s m ) ，而把转子磁场分布方波的称为无刷直流电 机( b r u s h l e s sd cm o t o r - - b l d c m ) 或方波型无刷直流电机。与正弦型永磁同步 电机相比，方波型永磁无刷直流电机控制简单、出力大，因此应用也更为广泛。 本文研究的主要对象就是方波型永磁无刷直流电机。 2 1 2 转子位置传感器 转子位置传感器按照其动作原理的不同可以分为敏感式、耦合式、谐振式和 接近式等。敏感式利用敏感元件如光敏元件( 光电二极管或三极管) 和磁敏元件 ( 如霍尔元件、磁敏电阻和磁敏二极管等) 来感应出转子位置，并输出检测到的 转子位置信号。霍尔元件体积小，可直接输出数字信号，使用比较方便。因此， 在无刷直流电机中一般采用霍尔元件来作为转子位置传感器。 2 1 3 控制电路 控制电路是无刷直流电机实现电子换相的一个重要组成部分。它的作用是将 位置传感器检测到的转子位置信号进行处理，按照一定的逻辑关系，依靠其中的 驱动部分去控制逆变器功率开关元件导通或关断，使电枢绕组按转子位置馈电， 从而实现电子换相。 2 ，2 永磁无刷直流电机的工作原理 传统直流电机用电刷换向，使得在电机运行过程中由磁极产生的磁场与电枢 绕组通电后产生的磁场始终保持垂直，从而保证电机在最大转矩下运转。无刷直 流电动机的运行原理和有刷直流电动机基本相同，依靠转子位置传感器检测出转 子位置信号，通过驱动逆变器各功率开关管的导通与荚断，从而控制定子各相绕 组的通断电，在定子上产生一定方向的磁场，拖动转予旋转。随着转子的转动， 位黄传感器不断地送出信号，电枢的通电状态不断改变，使得定予磁势平均超前 转子磁势9 0 。度，这样，就可以使无刷直流电机以恒定的最大转矩运转起来【2 6 】。 一般来说，随着极对数、定子相数的增加，电机的转矩波动越小。但是由于 逆变器元件价格和永磁体粘贴、绕组布线等工艺上的限制，常用的无刷直流电机 第一二章永磁无刷直流电机基本工作原理 采用三相绕组。 永磁无刷直流电机按控制电路来分有全桥式和半桥式两种，按电机绕组结构 来分有y 接和接两种方式。半桥电路的特点是控制简单，一个功率开关元件 控制一相绕组的通断。但是这种方式下，每个绕组只通电1 3 的时间，另外2 3 时 间处于断开状态，绕组线负荷没有得到充分的和用，而且在运行过程中转矩的波 动较大。桥式虽然有控制和驱动复杂的缺点，但是其转矩波动小，输出转矩大。 本课题的样机是采用三相桥式y 接电机，下面以此类型电机为例说明永磁无刷 电机的换流过程。其控制原理图如图2 - 2 所示。 马： ”斗篷 0 匡 一 【卜】【一一 a b f c 、 j l l 3 c 】 i 叶- - 】 妄 一l 鼍妄 图2 - 2 无昂n 直流电机控制原理图 b c 相导迸 ai 通，鱼、 删导通 b 相* 通 一一4 一、 “” 、遭，玎、， 专0 e磐7 、 ，。 7 f 、 c 椭。| 5 警掣通 ， 、 。：古一7 c b 相导通 图2 - 2 无刷直流电机控制原理图 为了减少转矩脉动，增大平均转矩，三相桥式y 接电机，一般采用“三相 六拍”的控制方式，即每时刻有两相导通，第三相悬空。无刷直流电机的电枢导 通顺序由转予的位置信号及转向决定，运行原理图如图2 3 所示。 设开始转子位于图2 3 所示的位置附近，根据位置传感器的信号，若电机顺 时针方向旋转，此时功率管t 1 、t 2 导通，即a 、c 相导通，电流由a 相流入， 由c 相流出，产生如图所示的a c 相合成定子磁势拖动转子旋转；当转子转至滞 9 第二章永磁无刷直流电机基本丁作原理 后a 相绕组轴线9 0 0 电角度的位置时，转子位置传感器发出信号，控制电路驱动 t 2 关断，t 6 导通，此时电流由a 相流入，由b 相流出，产生如图所示的a b 相 合成定子磁势继续拖动转子旋转；当转子旋转过6 0 。电角度后，位置传感器发出 信号，又进行换相，t 1 关断，t 5 导通，此时电流由c 相流入，由b 相流出，如 图所示的定子磁势继续拖动转子旋转；转子又转过6 0 。电角度，位置传感器又发 出信号，然后进行换相，t 6 关断，t 4 导通，此时c 、a 相导通，电流由c 相流 入，由a 相流出，转子仍然受到定子磁场的拖动；在转过6 0 。电角度，开始换相， t 5 关断，t 3 导通，此时导通相为b 、a 相，电流由b 相流入，由a 相流出：此 状态维持6 0 。电角度后开始换相，t 4 关断，t 2 导通，电流由b 相流入，由c 相 流出；此状态维持6 0 。电角度后开始换相，t 3 关断，t 1 导通，电流由a 相流入， 由c 相流出，到达开始的状态，形成一个周期。整个过程形成了所谓的三相六 拍状态，三相绕组经历六个状态：a c 相、a b 相、c b 相、c a 相、b a 相、b c 相分别导通，每个状态维持6 0 。电角度，然后周而复始，不断循环，维持电机稳 定运行。这样电机就可以按照图2 3 所示旋转起来。其中a 相绕组的反电势和电 流波形如图2 - 4 所示。 图2 - 4 a 相绕组的反电势和电流波形 2 3 无位置传感器永磁无刷直流电机的工作原理 t 无位置传感器技术对于增加无刷直流电机抗干扰性、可靠性、稳定性，减小 电机体积、降低成本、延长使用寿命等都有重要的意义。而如2 2 所述，对于方 波型无刷直流电机，在转子旋转一个2 兀电角度的过程中，只需要知道转子到达 六个特定位置的准确时间，就可以控制功率开关元件动作，使电机正确换相，因 此更容易实现无位置传感器技术 2 7 1 。 第二章永磁无刷直流电机基本：r 作原理 转子位置间接检测方法的基本原理都是利用逆变器电路中包含的与转子磁 势旋转同频率的电压或电流信号，得出转子到达这六个位置的信号。其中“反电 势法”由于其简单有效，同时又是多种位置检测方法的基础而倍受大家的青睐。 本文就以反电势法为例介绍无位置传感器控制的一般方法。 电机定子绕组中感生的反电势波形取决于气隙磁密的空间分布。当电机空载 时，气隙磁场仅由磁极励磁磁动势所建立。当电机加负载时，电枢绕组中有电流 通过，产生电枢磁动势。此时，气隙磁场就由磁极励磁磁动势与电枢磁动势的合 成磁动势所建立。但对于永磁无刷直流电机而言，永磁体励磁磁动势和磁阻都很 大，因而永磁体励磁磁动势比电枢磁动势大得多，电枢反应基本可以忽略。在不 考虑电枢反应影响的前提下，当转子直轴与某相绕组轴线重合时，该相绕组反电 势大小为零。因而可通过检测定予绕组中反电势过零时刻来得到转子直轴与某相 绕组轴线重合的时刻。由2 2 所述的原理可知，相绕组轴线与电机换相时转子到 达的位置相差3 0 0 电角度，但由于电机机械时间较长，在很短的时间内转速变化 不大，对得到的反电势过零时刻进行适当延迟，就可以得出换相时刻。这就是反 电势法的基本思想。 2 31 反电势过零点检测的原理 绕组反电势是难以直接检测的，因此人们研究了两种变通形式，分别称为“相 电压法”和“端电压法”：对于“星形一三相六拍一1 2 0 。方波型”驱动方式来说， 在任意时刻逆变器总有一相的可关断器件是全部关断的，即电机该相绕组悬空， 则绕组相电压等于其反电势。绕组反电势的过零时，对应转子旋转到该相绕组轴 线上，这样的话，即使绕组中通电，对转子也基本不会产生电磁转矩，所以如果 换相过程没有出现差错的话，绕组反电势的过零点就发生在该相绕组悬空期间。 由上面的分析可知，正常情况下通过检测绕组的相电压或端电压可以得出每一相 的反电势过零点。 - 假设电机端电压是，u b ，中性点电压是u n 。三相反电势和定子绕组 三相阻抗分别是e 。，e 6 ，e c 和乙，磊，五。逆变器电源直流电压是翰。 忽略p w m 调制信号对端电压造成的影响( 滤波电路可以把这部分高频信号 全部滤掉) ，忽略晶体管的正向压降，忽略换相的影响，当b c 相导通时，电压 关系为 第二章永磁无刷直流电机基本工作原理 i 2 u n + e a = 虬( 2 - 1 ) 【= 0 电机电流f 和中性点电压为 if ：绉二鱼生 乙+ 五( 2 2 ) 卜 n = 一e b i 乙 三相阻抗相等，因此有 z o = 磊= 乏= z( 2 3 ) 由式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 - 3 ) 可得a 相绕组的端电压是 u a = u n + e a ：毕坞( 2 - 4 ) 一般可认为反电势是平衡的， j巳= f ( o ) e b = f ( o 一2 x 1 3 ) ( 2 - 5 ) 【= f ( o 一4 n 3 ) 当e 。= o 时，e b = 一e c ，由式( 2 4 ) 可得 铲驴晕( 2 - 6 ) 因此只要用电压比较器比较地与u n 或与曲2 的大小，就能方便的检测 出反电势过零点的位置。根据对称性，同样可以得到b 、c 两相反电势的过零 时刻。 2 3 2 换相时间的确定 传统直流电机用电刷换相，使得在电机运行过程中由磁极产生的磁场与电枢 绕组通电后产生的磁场始终保持垂直，从而保证电机在最大转矩下运转。无刷直 流电动机的运行原理和有刷直流电动机基本相同，依靠转子位置信号，通过驱动 逆变器各功率开关管的导通与关断，从而控制定子各相绕组的通断电，在定子上 产生一定方向的磁场，拖动转子旋转。若忽略绕组电流换流的过渡过程，合理控 制逆变器的触发时序，使得定子磁势平均超前转子磁势9 0 。度，相电流和励磁电 势的相位一致，则电机电磁转矩无脉动，且始终保持在当前电流所能产生的最大 转矩下运转。满足了这个合理的触发时序，我们就说方波无刷直流电机满足“最 第二章永磁无刷直流电机基本工作原理 佳换相逻辑”。 绕组中的反电势波形是关于转子位置和转速的函数。反电势的过零时刻和电 机最佳换相时刻的关系可以由下面的分析得出。 d l 、 图2 - 5 转子位置和馈电配台关系 假设电机运行状态如图2 5 所示。在t 0 时刻，电机转子顺时针旋转至d 轴 处于如图2 5 所示d 1 的位置，即转予直轴与a c 相导通的合成磁势垂直，同时 与b 相轴线重合。此时在不导通的b 相中转子磁势产生的反电势为零。 为了使转子的磁势始终滞后于定予磁势，且滞后的相位角始终保持在1 2 0 。 到6 0 。之间变化，即转子磁势平均滞后于定子磁势9 0 。电角度，从而获得最大的 平均电磁转矩，应当在转子转至图2 5 所示的d 2 处时进行换相，由原来的a c 相导通转变成a b 相导通。这时转子磁势轴线与a c 相导通时产生的磁势夹角是 6 0 。，与a b 相导通时产生的磁势夹角是1 2 0 。，因而此时换相可以产生最大平均 转矩。 由以上分析可知，若测出反电势过零的t 0 时刻，延迟转子转过3 0 。电角度 的时间，就可以得到转子到达d 2 位置的时刻，控制电机正确换相。根据对称性， 可以看出只要能够钡9 出各相绕组反电势过零时刻并作适当延时，就可确定方波型 永磁无刷直流电机的换相时序，保证电机以最大的平均电磁转矩稳定运行于自同 步方式下。 由于电机的机械时间常数较大，在很短的时间内，转速变化不大，为了实现 在较大转速变化范围内移相角度不变，通常用滤波电路对采样的各相端电压信号 第二章永磁无刷直流电机基本工作原理 移相9 0 。，这样相当于使反电势过零点延迟了转子转过3 0 。电角度的时间后又延 迟了6 0 。，刚好对应转子到达下一个最佳换相位置的时刻。这时换相同样可以保 证电机稳定运行。 相电压法适用于绕组有中心线引出的电机，而端电压法对绕组中心线没有要 求。这就是“相电压法”与“端电压法”的原理，统称“反电势法”。 2 4 常用间接检测转子位置方法 随着无刷直流电机无位置传感器控制技术的发展，各种间接检测转子位置的 方法层出不穷。其中比较常见的方法主要有反电势法、续流二极管法、电感法、 磁链估计法等。下面我们就对这些常用方法的特点进行比较。 2 4 1 反电势法 反电势法就是利用电机转子磁势在定子绕组中感应出的反电势的大小来判 断转子位置的方法。它应用简单方便，原理清晰，目前主要存在以下缺点： 1 1 起动困难。在静止和低速的时候无法正确得到反电势信号。因此实际应 用中，都要用到特殊的起动方法； 2 ) 忽略了电枢反应。只计算了永磁转子对反电势的影响，因此需要作一些 误差补偿； 3 1 忽略了阻抗的变化。绕组对应的转子位鬣不同使铁心饱和程度不同，同 时会引起绕组的电感变化，这在凸极电机中最明显，在隐极电机中也有 发生； 4 ) 硬件滤波电路增大了控制器的体积，降低了稳定性； 5 ) 事实上，滤波电路一定会对端电压进行移相，而且移相的角度随着转速 的变化而变化。很难设计在很大转速范围内都能准确移相9 0 。，对信号 的衰减又不是太大的电路。 2 4 2 续流二极管法 续流二极管法就是利用逆变器中续流二极管的通断状态来判断转子位置的 方法。它与反电势法原理类似，但巧妙的利用了换相电路的特点，转化了检测对 象，扩大了检测的速度范围。它的缺点主要有： 1 、由于现在m o s f e t 芯片内并联有续流二极管，对二极管的导通状态的 检测较难，干扰信号也比较多； 2 1 由于与反电势法原理非常接近，所以也存在与反电势法类似的一些缺 第二章永磁无刷直流电机基本工作原理 点。 2 4 3 电感法 电感法就是利用电机转子位置改变会导致电枢绕组中的电感发生变化的原 理来判断转子位置的方法。它适用于低速和静止时对转子位置的检测，其缺点主 要有： 1 1 适用于凸极电机，而不适合隐极电机； 2 ) 需要单独的检测时间，因此不适合高速情况下的应用； 3 1 对软硬件的要求较高。 2 4 4 磁链估计法 磁链估计法就是利用电压电流等确定磁链，再由磁链确定确定转子位置。它 可以得到连续的转子位置信号，而且在转速较低的情况下也能取得较高的精度。 它的缺点主要有： 1 1 适用于f 弦波电机，而不适合方波型电机； 2 ) 计算量大； 3 】由于引出了微分项，其输出结果受测量及建模误差影响较大。 第三章基于卡尔曼滤波的无刷直流电机状态观测器设计 第三章基于卡尔曼滤波的无刷直流电机状态观测器设计 本章介绍了卡尔曼( k a l m a n ) 滤波的基本原理，在分析了电机的数学模型的 基础下，列出了转子位置、速度、加速度的状态方程，改变了过去方波型无刷直 流电机预测换向时刻仅仅依靠反电势过零点的思路，充分地利用了整个可以测得 的反电势曲线，将状态方程离散化后在线应用卡尔曼算法，滤掉了建模误差、量 测误差和外界干扰，估计出了转子旋转的电角度、电角速度和电角加速度，并给 出了仿真结果。 3 1 卡尔曼滤波的基本原理 现代控制需要知道全部状态变量，而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。 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。针对这类问题，卡尔曼一布西等人在前人工作的 基础上找到了一套线性滤波的递推公式，应用这些递推公式，不论量测次数如何 增加，即不需要解高阶逆矩阵，又不需要存储大批历史的量测数据，从而满足了 应用上实时性的要求田】。 3 1 1 具有随机干扰线性系统的状态空间模型 图3 - 1 动态系统的状态空间模型 1 6 第三章基于卡尔曼滤波的无刷直流电机状态观测器设计 在实际的动态系统中，除了非随机的控制输入u 。外，还有随机扰动输入w ( 的。 例如外界干扰或系统建模误差等都可列为w ( 功。这种扰动又称为动态噪声。作用 于动态系统上的随机干扰除了动态噪声外，还有由传感器引入的量测噪声旧， 它一般作用在系统的出1 2 1 。考虑这些随机干扰后系统的状态空间模型如图3 1 所 示【2 9 1 。 系统动态过程和量测过程的状态方程和输出方程分别为： x i + i 等垂x i + r 女u 女+ g w ( k )( 3 - 1 ) y ( 七) = h i x + v ( 尼) ( 3 - 2 ) 其中， u 。一系统的非随机控制输入： w f 柚一系统的随机扰动输入； v ( 曲一系统的量测噪声； y ( 妁一系统的量测输出； x 。一系统的状态，x 。表示系统的初始状态，一般情况下x 。是随机向量； m 。，r 。，g i ，i t i 都是实矩阵。 所谓离散时间的状态估计问题( 又称滤波问题) 。就是要根据量测序列( 艄) 对状态序列作出尽可能好的估计。在解决滤波问题时，一般先不考虑u 。的影响( 根 据叠加定理确定性输入的影响可以单独考虑) 。另外假定初始状态x 。、动态噪声 ( w q c ) ) 和量测噪声( v ( ) 的统计性质是己知的。 般假定( w ( 的) 和( v ( 妁) 为零均值的正态白噪声序列。即：e w ( 助 = 0 ， e w ( i ) w ( 矿) = q 。晚；e v ( ) ) = 0 ，e v ( k ) v q ) 7 = r 。民，其中q 。是非负定阵 ( q 。0 ) ，称为系统输入随机扰动的协方差矩阵，r 是正定阵( r 。 o ) ，称为量 测噪声的协方差矩阵 & = 豢： 4 假定x 是一个随机向量且 e ( x 。)