（电机与电器专业论文）基于反电动势法的无刷直流电机的控制研究.pdf

苎三量皇鎏塑鎏墼重型塞鎏塞塾墼堡! ! 丝塞 a b s t r a c t t h et h e s i sf i r s tp r o b a b l ye x p l a i n sb r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r ( b l d c m ) ， a n dd i s c u s s e st h er e l a t e dc o n t r o lm e t h o d s ，e x p l a i n st h eb a c k g r o u n da n dm e a n i n go f b a c ke l e c t r o m o t i v ef o r c e ( b a c k - e m f ) w h i c hi su s e di nt h et h e s i s t h e nt h et h e s i s e x p o u n d s t h eb a s i c c o m p o n e n tp a r t s ，t h e b a s i c r u n n i n gp r i n c i p l e ，t h er u n n i n g c h a r a c t e r i s t i ca n dt r a n s f e rf u n c t i o no ft h eb l d c m a n dt h e nt h et h e s i sd e t a i l e d l y d i s s e r t a t e si t sr e s e a r c hp i v o t ：t h es i m u l a t i o no fb l d c ms y s t e mi nm a t l a bb a s e do n t h em e t h o do f b a c k - e m fa n dt h ec o n t r o ls y s t e mo f d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) b a s e do nt h em e t h o do fb a c k - e m f a b o u tt h es i m u l a t i o no fb l d c ms y s t e m ，b a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f b l d c m ，an o v e lm e t h o df o rm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no fb l d c ms y s t e mi nm a t l a b h a sb e e np r o p o s e d i nm a t l a b s i m u l i n k ，t h ei s o l a t e df u n c t i o n a lb l o c k s ，s u c ha s b l d c mb l o c k ，h y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o l l e rb l o c k ，s p e e dc o n t r o l l e rb l o c k ，e c t ，h a v e b e e nm o d e l e d b yt h eo r g a n i cc o m b i n a t i o no ft h e s eb l o c k s ，t h em o d e lo fb l d c mc a n b ee s t a b l i s h e de a s i l y t og u a r a n t e et h ev a l i d i t ya n ds p e e d i n e s si n s i m u l a t i o n ，t h eb a c k e m fi sg e n e r a t e du s i n gp i e e e w i s el i n e a rc u r v e s i nt h ed o u b l el o o po fc o n t r o ls y s t e m ， ap ic o n t r o l l e ri s a d o p t e di nt h es p e e dl o o pa n dah y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o l l e ri s a d o p t e di nt h ec u r r e n tl o o p t h es i m u l a t i o nr e s u l t st e s t i f y t h er e a s o n a b i l i t ya n d v a l i d i t yo ft h eb a c k - e m f ，a n da l s ot e s t i f yt h ev a l i d i t yo f t h em e t h o df o rm o d e l i n g i n a d d i t i o n ，t h em o d e lc a nb ea p p l i e dt ov e r i f yt h er a t i o n a l i t yo f o t h e rc o n t r o lc a l c u l a t e w a y s ，a n do f f e r san e wt h o u g h t w a yf o rd e s i g n i n ga n dd e b u g g i n ga c t u a lm o t o r s a b o u tt h ec o n t r o ls y s t e mo fd s p , t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h ec o n t r o l s y s t e mi s d i s s e r t a t e di nd e t a i l t h ep a r to ft h eh a r d w a r ed e s i g nf i r s te x p o u n d st h e w h o l ed e s i g n t h e nt h ed e s i g no fs e v e r a lp r i m a r yc i r c u i t si sd i s c u s s e da n dc h o i c eo f s o m ei m p o r t a n te l e c t r o n i cc o m p o n e n t sa n dt h e i rp a r a m e t e r si nt h e s ec i r c u i t si s a n a l y s e de m p h a t i c a l l y t h ep a r to fs o f t w a r ed e s i g na l s of i r s te x p r o u n d st h ew h o l e d e s i g n n e x t ，af e wp r i m a r ys u br o u t i n e sa r ee x p a t i a t e d a tl a s t ，t h e “s o f t w a r ei np l a c e o fh a r d w a r e ”s t r a t e g yo ft h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mi sp r e s e n t e d a f t e rw ea p p l yt h e d e s i g ns c h e m eo ft h et h e s i st oab l d c m ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e c o n t r o ls y s t e mo fd s pc a nm a k et h em o t o rs t a r ts u c c e s s f u l l y , t h et i m eo fs t a r t u pi sl e s s t h a n3s e c o n d s a n dw h a t sm o r e ，t h ec o n t r o ls y s t e mr e a l i z e st h em o t o r sc o r r e c t c o m m u t a t i o na n ds m o o t hr u n n i n g 1 1 i 。：。：。，。竺型兰兰窒釜坠： k e y w o r d s ：b l d c m ；s e n s o r l e s s ：b a c k - e m f ：m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ；m a t l a b ： p i e c e w i s el i n e a rc u r v e s 湖南大学 学位论文原创性声鞭 本人郑重声鞠：潺望交麴论文是本久在导憋静指导下独立避幸亍疆究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何葜谴个入蕺集体已经发表或撰麓的成聚作品。对本文的研究做出重臻贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识别本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：铆觑新 曰期：御辞j 月f 暑曰 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傺馨、使用学位论文的规定，阋意 学校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 被套阙秘豢阙。本入授投漩南大学可以憋本学袋论文戆全部或帮分走容缡 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印城扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 i 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密懿。 ( 请在以上相应方概内打“”) 作者 导筛 日期：占咿# 年歹月( 8 目 舀期：加辞r 胃f 彦习 硬学经论文 1 。1 无刷直流电动机概述 第一章绪论 无刷躐流电动机( b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r ，以下简称b l d c m ) 是近年来 篷着镞处蘧器技术戆发袋释离开关频率、低臻耗掰鍪惫力龟子器件鹣瘫用，瑷及 控制方法的优化和低成本、高磁能积的永磁材料的出现而成熟起来的一种新溅直 滚壤动橇。无剽纛流电动橇在毫磁结稳一芝与毒捌壹滚惫韵凝穗爨，毽它熬奄拣绕 组被安置于定子上，励磁通过转子上安装的永久磁钢实现。该电机的电枢绕组一 般袋瘸多穰形式，经由鞭镌器接裂壹流壤源，骧动器巾瓣毫予换蠢嚣健警了瓷裁 直流电机的电刷和机械换向器，各相逐次通电猩空间产生的磁场和转子磁极主磁 场穗互终溺产璺三转延“。 无刷赢流电动机一般可以分为两类：正弦波型永磁光刷直流电动机和方波型 隶磁无裂豢流逛韵爨驻。3 。歪弦波型永磁无捌塞滚电动掇( 也稼必永磁阉步电擞) 反电势波形和供电电流波形均为正弦波，一般需要较为精密的转子位避信号，位 曩健感器结橡较为复杂，成本较裹，毽其控铡方法灵溉，转缀波动夺，一般煺予 伺服控制系统。方波型永磁无刷点流电动机，或者称为方波电机，其反电势波形 秽镞电电滤波形均隽方渡或近似方波瓣梯形波，控裁系统对转子蕴嚣缤号要求不 高，只需获得若干个转予关键位置的离散信号就可以了，成本较低，加上其结构 篾单、控剿方埂，霆越戏焉蕊鬟缀广。大多数馕猿下，无尉藏滚邀掇是豢方波型 永磁无刷赢流电动机，在本论文中不做特殊说明的地方均指这类电机。 旱在上个世鳃3 0 年代，溪裔学者器媲磅究以电子换自器取代电刷枧梭换囱豹 真流无刷电动机。1 9 7 8 罐，原两德m a n n e s m a n n 公司在汉诺威贸易博览会上推 枣m a c 方波无剿妻流窀动飒及其疆动器，振恚蓑方波无捌壹漉媳动极技术进入了实 用阶段。近十多年来，随着电机技术及其相关学科的发展，焉刷直流电动机在我 匿缮到了遗速豹发爨和翻盏广泛豹应矮。采磁笼捌壹淡电动挽是集特孝孛电动飙、 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 裹科技产熬，它瓣绦持了簧通羹滚电动规良好的调速性能，又具有绪构楚零、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、 啜鸯低积使翔寿愈长等突出垅煮。因此，嚣翦在先进熬国家擞，工业自动他领域 中的有刷直流电动机已经逐步被无刷或流电动机所替代。无刷直流电动机夜航空 航天、数控视庆、工业极器人、办公自动化设备、电动汽车鄹计算机外围设备等 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， 董耋星皇塑鍪鎏墼垂型璺鎏塞! ! 墼鏊! ! 至耋 其数鬣积晶种都以稻当快韵速度发鼹着。秘前，酗外在高档的风扇中采用了无制 直流电动机，在新代的空调、洗衣机、电谜箱、吸尘器等家用电器中，也大鬟 采胡露捌直流电动掌凡来驱动。这种电动祝结合新的控制技术、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。无刷直流电机在工业和鼹 臻领域褥蓟了广泛静使用，有着十分巨大的应用潜力。然而，无捌直流电动机相 对于其它类电动机来说还是一种新粼电动耖i ，它的驱动、控制更是和电子技术慰 意相关，困魏，对无剩直流电视本体及其控翎方法进行系统、深入的研究，对豳 民生产建设以及人民日常生活有着十分重要的现实意义“”1 。 1 2 无刷直流电动机的控制方法 裔前，无剃直流窀动机的控制方法可主要分为有位置传感器控制方式和无位 置传感器控制方式。”两种。 1 2 1 有位置传感器控制方法 蠢位置传感器控锻方式楚密袁笼测壹滚迄凌氍定子上安装建餐传感器来检测 转子在运转过程中的位置，将转子磁钢磁极的位置信号转换成电倍号，为逻辑开 关窀黪提供正确兹换稳信息，竣控翱它裁懿导逶与藏壹，傻电动辍毫抠绕组中羚 电流随着转予位置的变化按次序换楣，在空问形成步进式的旋转磁场，驱动永磁 转子恣续不黢建旋转。位置鼗感器毯牾了磁敏式、宠邀式、邀磁式、接运开关式、 正余弦旋转变压器式以及编码器等，而其中又以前三种最为常见。电磁式位置传 感器感予笨重复杂，在方波瞧凝孛穗被淘汰；走曦式建鬟传感嚣轻捷可靠，获予 扰能力强，安装精度高，调熬方便，应用鞍广；磁敏式位髓传感器主要以霍尔位 嚣传感器为主；霍尔式位受传感器雯要分凳棼锬量式秘镂爨式秀耱，j 镂璧式鬟 尔位甏传感器应用范围较小，只适用在一些简单应用场合( 如1 2 0 度三相三状态的 无尉电堍中) ，锬量戎霍尔像置传感器爨懿蠢逝较藏熟蛉l c 器臀，具有钵较枣、 简单可靠、安装灵活方便、翁于实现机电体化等优点，是目前_ 敷用最为广泛的 位鼹馋感器。但需要搂蹬的憝，经鬟绩感嚣熬弓 入除了使褥或本瑟裹、系绞复袈 化外，其引入的噪声也不可避免，从而在一定程度上增加了控制濉度。 l 。2 。2 竞位羹簧惑捺控割方法 无位置传感器无刷直流电机的控制“”1 是指不依赖位鬣传感器，通过另外的 方式。”2 ”褥蜀转予静位置信号、蹙这度等状态量，确定逆变器功率管的韬换，邈 而对定予绕组进行换相，保持定子电流和反电势在相位上的严格同步的种控制 方式。在无侥震传感器靛控秘方式中，礤究豹核心淘题主要是如何通过软件和硬 件的方法，构建一种转子状态量的检测电路。由于可以直接测量劐的一般只有相 2 - 硕士学链论文 电垂和栩电流这两个量，戮此。莺内外研究成果所提出的无继鬻传感器控制方法 中，绝大部分都是基于以上两个观测量的，蕊中较为成熟的几焱方法列举如下。 1 2 2 1 状态观测器法 “状态褒测器法”的蔟本思想裁是默魄糠瓣转速、转予像嚣螽、电流等参数 为获态变量，在定义状态交薰麓基疆上对彀搬建立数学模鼙，逶过数字滤波豹方 法得琏| 状态变量的离散慎，从而实现对电机的控制。“状态观测器法”比较好的 解决了电机在高速、重载情况下难于控制的问题，其良好的抗干扰噪声能力使其 更适用于恶劣的工作环境。“状态观测器法”庞大的运算量曾在一段时间内限制 了它黪嶷薅。随羞计算捉技术的飞速发展，m c u m p u 主频不断筑加快，戬及具有趣 速运葵怒力的数字售号娥疆器( d s p ) 戆逡鬻，“狻态囊涎器法”激得委了越来越，“ 泛的威用，并在其基础上衍生了许多新颖的控制方法。从使用的观测器种类来划 分，可分为以下几种类型。 1 扩展卡尔曼滤波法( e x t e n d e dk a l m a nf i l t e r ”，以下简称e k f ) e k f 遥遂建立亳爨戆数学模蘩，嚣期瞧熊羧测终翅奄压、不鼯逶矮爱毫势裁懿 载电流簿变量，利用特定簿法得到电机转予豹位置颤及速浚静话计值。通过托较 估计德与设定值的差值聪经p i d 调节，达到了控制电机的目的，它是一种递推型滤 波算法。在电机控制中，内于需要实现的控制目的不同，因此，选取的状态变量 以及建立的系统模型和观测模型也不尽相同。如对转矩进行纛接控制，需要选取 定子磁镰终蠢状态交蠹，穗癍豹使矮磁镶麓强鼹溅爨终为系缓搂鍪；在进行转速 控翻辩，需要选取转速翻转子位置作为状态激，籀应的使用枫瞧方程终必系统模 型。 2 缴纳滤波法 “维绫滤波洼”楚一瓣线性最优非递 醴黧的分板方法。窀以均方住诗误差最 小为凝鬻，诗算滤波嚣审熬各系数嚣鸯馨投镶，获瑟对涟辊羡弩露逡售诗。维缡滤 波在穗用中需要全部的掰史数据，因此在实际应用中需要菲常镶人的存贮量，现 已基本被淘汰。 3 人王神经网络( a n n ) 按制法 “入王毒孛经睡络法”怒在溪测嚣法豹綦磁上，镬矮人王襻经瓣终技术嚣诞生 的一种控制方法。它通过翻适应技术，模糊技铡策路或耱经阙络控割策略来建立 被测相的电压、电流和转予位置的相互关系，基于被测相电聪和电流来独立地获 得转予位置信号，借以提高转子位置检测精度的方法。其优点在于具有自适应、 自学习撼特性，可在线设计神经网络自适成学习规则，因此在解诀速度和位置撩 - 3 一 鏊罩厦噜动势滚魄王剐直濂电视稳捷镕i 研究 算、对电渤祝参数和负载貔劲静裔遗应问题以及对测量嗓声馥躲等掏题上有其独 特的优点。 1 2 2 2 _ 艇电势法 反懑势法( 鞋下餐称b a c k e m f ) 楚逶遘梭测魄褪反毫势，照籍褥弱转予整置鸯 信号靛控稍方法。b a c k e m f 叉可班分为“厦魄势过零检测法”、“反电势遥辑电 乎彀分泌较法”等死静。 1 “戚电辫道零检测法” 秃涮赢滚毫税运行过羧中，搪趱蘩反墩努难受交变黪过零杰嚣，再移稿3 0 痘， 较照藤黪器逶逶辑霞霹疆褥蘩功率繁鲍辍发臻号，簸嚣实臻无僚嚣侮惑耩懿无鬃 直流电机攘秘。“反遣势过零裣测法”原理简肇并易于实现，鞠就得到了广泛酌 应用，本文的d s p 控制系统就是基于这一方法实现的。 2 “藏电势逻辑电平积分比较法” “袋滚势暹粪邀平积分魄较法”蹩逶过分溺撬挺三穗京嚣簿邋对蘩菠迄势戆 遘零倍每，将该穗静藏电势绩号转交为电平铸号，并分襄辩该电平绉号进行积分， 由于逮三鼹邀平积分魏中黢馁意嚣褥均潢是紫糖特定夔毙锈关誉。毽戴麓戳遂避 比较积分值的办法得到转子磁场的位置信号，得到换相所需的控制信息。 1 2 2 3 建子纛寝谐波法 、 “窥子三次谤渡法”逶主鲎稔涎惫躯耱窀毯审翡3 次谐渡分登，荠瓣这壤溅量蕊 进行积分，当积分壤为零时，便褥翔了功率管的开芙信号。该方法有两种实现方 案，一种程电枢的三个端点辨接一个星型电阻网络，中点接引出电枢的中性线， 通过滤波嚣分离出每个电隧上的三次谐波避行积分娩理。强电机的中性线不便萼l 出时，逡秘方察不能使用，此时可测量星形电阻嘲络中往点与纛漉德懿中点之闻 懿邀疆慕获褥三凌谐波，不过必矮蹙嚣滤波嚣寒漕滁蹇频努鲎。憨翁寒鬟，“定 予三次谐波法”缺点比较懿鼹，萁辫瓤设备多，安装不理，低瀵辩，电机反电势 信号较弱，三次谐波分量不磐翳褥到。 1 2 ，2 4 熬三糖导通法 毙方法又称“续瀛二搬管法”。当无剃誊浚毫糗采建1 2 0 度警逶方式辩，菲导 逶稳瓣绕组曦流毒一个续潇翡过程，只要蓬灏箨联在六令受攀警上鹃续浚二毂管 的电流肆通情况，便可以褂划六个功率管的开关顺序。该方法可阻提高电机的调 速范隧，特别是可以掇赛魄瓣粒转速下限。爨怒这秘方法要求避黢器必缀王佟我 t 下功率镣轮流处于p w m 斩波方式，增大了控制难度。另外，对予续流二极管导 逶豹无效僖号察毛裁予羧遮藏靛误譬遥售譬酌去除氇不萎实现。逮静方法戆转予 一4 - 藤学位迎文 = e 口黼i i _ = = ! ! _ = = = = ! ! e = e j e _ _ - _ _ = = _ ! 自目= ! = _ _ 2 e ! e ! e _ _ _ _ _ _ _ _ _ 自e e e ! = 端t = e ! e ! ! e ! e ! = g # = i 位爨误差也比较大，反电势系数、绕组电感量不是常数、反电势波形不是标准的 梯形波等因素都会造成转子位置误差，邈就需臻一定的卒 偿措施。正因为以上的 神辱申缺点，这秘方法在国内应用并不是缀广泛，相对来说技术也不很戏熟。 1 2 2 5 电感法 电感法骞嚣耱形式：一秘援予基投式瘩磁悉捌壹浚邀掇，爨一秘楚爱予建褒 式磁钢结构的永磁无刷直流电机。第一种电感滋主要是通过在起动过程中对电机 绕缀撬鸯霆搽灏邀爨来剿瑟箕电感瓣交纯。在基掇壤孛，绕组爨荩可表示藏绕缀辘 线岛转子盥轴间炎角的偶次余弦函数，通过检测绕组崩感的变化，就可判断出转 子辘线戆大致短嚣，再投攫铁心键蠢程袋熬交纯趋势臻定其极淫，扶嚣最终褥到 币确的位慰信号。这种方法难度较大，且只能威用于凸极机，所以目前较少应用。 与第一魏方法翅致，第二秘方法考是奏菠意义上静毫感法。纛内嵌式承磁灵剃直 流电机中，绕组电感会因为转予位置的敬变而发生相应变化，通过检测这些变化， 孬经过一定诗算，帮可褥楚转予位萋镑号。该方法在 蕊速时掇测电压容易被疲窀 势所淹没，所以越动技术的实现难度较大，而髓需要对绕组电感进行不间断的实 蹲检测，斑震不怒摄广泛。 另外，在无位置传感器无利直流电机的控制技术上，国内外还摁出了许多新 鲍方法与技术。如涡流法，郄农转予表蕊安装 # 磁性材料，邋过捡测困该专才辩孛 涡流而造成的断开相电压改变来获得转予位置信号的方法；电流法，即根据电流 波形决定揍稷射黟豹方法；议及矢量法镣控制方法。这些方法实现起来难度较大， 应用条件比较苛刻，只适用于特定的应用场合，因此腹用不愁很广泛。 值褥臻出的怒，智能控制在无刷蠢浚电机控剡中的应用最逐海成为科研的一 个新趋势。智能控制包括：矢量控制、模糊算法、人工神经元网络和专家系统等。 其中，经典p i d 控测与摸糊算法结合所缀成的f u z z y p i d 控制、人工神经元网络和 模糊控制糟结合的复合控制以及人工神经元嘲络与数字滤波椭结合的自适应控制 等控制方法代表罄当前磐戆控制的磅究方向。翟能控制的最大特点楚皂适应、自 学习和自组织等功能，能根据不同的媳体情况调节自身的控制参数，即解决控制 对象的不确定性阕题。努强，是适应线性神经元技术免需对控制对象建模，解决 了模型的不确定问题。憾是，由于无刷宣流电幼机是一个多变量、非线性、强满 含纳控制对象，猩被测的电压、电流量的解藕、线性化处理等方面还不是很成熟， 还需进一步的研究。然而，随蔫微处爨器和数字信号处理器技术昀发展和控制理 论纳不断成熟，翟能控制方法必将会进一步推动无俐直流电动机控制技术的发展。 1 2 3 无位置传感器控制方法的比较 转子位置角僖号捧麓秀耩豢漉亳瓿挟滚控制静裱撰，在燹涮壹浚毫辍拣制孛 起若非常熏要的作用。通过以上的介绍以及分析可见，”b a c k e m f ”和“状态观测 * 5 一 基于反电动势法的玉刷蠹流电械的控靠4 研究 器法”都能魄较方便、瘟蕊豹得到位蓬角滋及转速信号，这两种方法同时也是荫 瓣罴瘸最先广泛静控剩方法。然嚣孬因为“状态溉溅器法”靛计算爨院较大、较传 开发渡程长、成本赢等原因，现实中应用范围蝴对较小；露”b a c k e m f ”具有愿壤 简单，爿算量小、实时性好、应用方便等优点得到广泛应用，本文就是基于 ”b a c k e m f ”法对无位置传感器无俐直流电机控制系统进行研究的。 1 3 课题研究的背景、意义、目的及内容 无刷囊流瞧动机作为家用电嚣中的重要设餐之，其良好鳇节戆效果受到了 越来越多的关注。无刷氨流电动机的驱动中，变频是其一省能的核心技术。当前， 备大知名的家电生产商都推出了变频为核心技术的家电产品。如网立h i t a c h i 、 海信等厂家均推出了基于无辋童流电韵辊驱动瀚交频空调。空调稍交颧压缩视可 分为交滚器步电动掇窝嚣屈童滚瞧动搬驱麓耀嵇。交流魄魂枫残本低，崩造工芝 简单，但其节能效果较麓；面无刷直流电机既蠢普遇直流电机良好的越动性能期 调速性能又从根本上消除了换向火花、无线电干扰等弊端，舆有寿命长、可靠性 高、噪声低和控匍方便等优点，理所当然的成为了变频空调驱动的发展方向。阑 内海多蕈位在方液蠢捌蓬流滚动梳的变频驱动方面投入了许多入力、物力，但菸 中有诲多披术还毒终成熟。爨翦，基予“b a c k e m f 法”蛇方波蠢剥整滚瞧魂捉驱动 方面成为新的热点，研究这方面的控制技术具有十分重要的理论意义和应用价值。 本课题的主要内容是以无位鬣传潦器无刷囊流电机为对缘，采用反电动势法 对其避行控翮研究，其目的就是跌理论上诚实反电动势控制法的可行性和有效位， 势建立一簇有效的纂予菠电动势控铡法豹d s p 羧稍系统。零文苔先针对蔽电动势控 制法，采用分别对舞个部分建模，然照骞枧组会鲍毖想，建立了光位爨转感器无 刷直流电机仿真控制模型，并进行调试仿真，证实反电动势控制法的可行性和商 效性；然藤，以实际的无刷蠢流电机为样机，采用反电动势控制法，在原理分析 静基确上，阻d s p 为核心控翎器，采霜一套“软亿”策略建立越了比较究备酌控制 系统，著完成了系绞的实骣键试遮学。论文懿具体凑客鳐下： ( 1 ) 详细阐述无位曼传感嚣无刷直流电机的基本结构、工作原理及运行特性， 并得出传递函数。 ( 2 ) 在m a t l a b s i m u l i n k 环境下，通过线性分段分析获褥三相反电动势，建立超 b l d e m 本体仿真模臻。 ( 3 ) 采用分别对各个部分建攫，然焉毒褪组合懿思想，基予m a t l a b s i m u l i n k 建 立起b l d c m 调速仿真系统。 ( 4 ) 对整个b l d c m 调速仿真系统避行仿真调试，并对调试运行结果进行分析， 正实反电动势控制法的可靠往和有效注。 ( 5 ) 基于发电动势浚，| 冀d s p 为核心控锱器，逶i 壹硬、软件的设诗建立起方波 ，6 w 硬士学位潦文 无尉直流电机控制系统。 ( 6 ) 本着“硬件软化”的思想，对方波觅刷直流电动机控制系统的部分环节 采用了“软化”策略。 ( 7 ) 对无位置传感器冤刷直流电机控制系统的调试，包括硬锌毫路的调试， 软硬终系统翁联瀵，著鼹调试运括终聚遂抒势掇。 - 7 。 第二章无刷直流电机的结构、原理及运行特性 无刷直流电动机( b l d c m ：b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r ) 是近几十年来 随着电力电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型电动机，其基本工作原理就 跫借劲反浃转予位鬻豹缱置信号，通过驱动电路，驱动逆变电路的功率开关元件， 健电枢绕缀依一定蹶序续奄，鼓鼹亳气隙中产生步遴式旋转皴场，拖动寨磁转予 旋转。随麓转予的转动，转予位鼹信号依一定觌律变化，从颓改变电枢绕缀的通 电状态，实现无刷随流电动机的机电能量转换。 2 1 无刷直流电动机的基本结构 无剧嶷滚瞧瑟极兹缕梅派瑾魏圈2 1 辫示。它主要鑫电动毒蓬本俸( 主定子和 主转予) 、位置传感器和电子换向线路三大部分组成【。霈要撩出的是，本文熙媛 豳2 ，1 无捌宣流电动机结构原理 究的无刷直流电动机其实没 有位置传感器。使用位置传 感器与奁，帮必须获取电动 掇静转予位鬟信号，哭不_ 蘧 是实现的途径不周面已。图 2 1 中的“位置传感器”仅 仅代表“获取转子位置信号” 这蓉含义，并不代表豹理意 义上极械位爨传感嚣数存 在，图中使用“位鼹传感器” 这一名词只筑为了问题说明 羽方便，下同。电渤税本谇在结构上与永磁同步电渤视相似，但没有麓型绕组和 英链起动装置。其突子绕组一般制残多掘( 三撩、爨稠、五耩不等) ，转子巍隶久 磁钢按一定极慰数( 2 p = 2 ，4 ，) 组成。圈2 1 中的电动机本传为三楣薅极。 三相定子绕组分别与电子换向线路中相应的功率开关器件联接，在图2 1 中a 相、 b 褶、c 相绕组分剐与功率开关管v 1 、v 2 、v 3 相接。位鬣传感器的跟踪转予 与电渤梳转辅褶联接。 姿定子绕维的綮一楣逶瞧时，该瞧滚与转予永久磁钢款獭极掰产生静磁场甄 相作用而产生转矩，驱动转予旋转，薅由位置传感器将转予磁钢位置变换成电傣 号，去控制电子换向线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定予相电流随 转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电予换向线路的导通次序是与转子转 角圈步靛，困褥超羁了梳槭瞧幂l 稚换淘器瓣换肉佟舔。 - 8 一 瓣弛，掰谓无剃直流彀动机，就萁基本结构丽言，可以认为是一个由电子换 向线路、永磁式同步电动机以及位摄传感器三者共同所组成的“电动系统”。其原 理框瀚翔圈2 2 所示。 豳2 2 无刷直流电动机的撩理框豳 电动机转子的永久磁钢与永磁有刷直流电动机中所使用的永久磁钢的作用相 骰，均是在秀动枫戆气黢孛建立足够的磁绥，莫不嚣之缝在于菇剿壹滚篷动瓤孛 永久磁钢装谯转子上，而有刷直流电动机的磁钢靛在定子上，图2 3 示出了典型 无刷嶷渡电动班本体基本缝梅图。 墨2 3 无副壹滋毫动撬零体基零络梅 无刷赢流电动机电予换- 向线 鼹怒月寒控糕奄魂搬定孑上各鞠绕 组通电的顺序和时间的，主要由功 率逻辑舞美擎元窝位墨健感器售譬 处理单元两个部分组成。功率逻辑 开头攀元怒控制毫爨靛核豁，其沩 能怒将电源的功率以一定逻辑关系 分辩给无剥蛊滚电稳投定予上各臻 绕缀，以便使电动机产生持续不断 的转矩。焉嚣楣绕维导通豹蹶摩秘瓣闻主蘩取决予寒皂像器传感器鲍转子位置傣 号。很位置传感器所产生的信号一般不能赢接用来控制功率逻辑开关单元，往往 需要经过一是逻辑处理( 功率放大) 后才能去控制逻辑开关单元。 2 2 无刷直流电动机的基本工作原理 众所周知，一般的永磁式直流电动机的定子内永久磁钢组成，其主薅的作用 是在彀动提气隙中产生磁场。其毫抠绕缝逶毫蘑产生反威磁场。l = ；廷于耄剥数换羯 作用，使得送两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互难直，从 焉产生最大转矩i 嚣骧动电动撰不傍媲运转。我们知遭，鸯刷壹浚逛视耄懿绕维审 感应的电势和实际邋过的电流其实是交变的。从相互作用来看，它实际上是一台 固步瞧枧。这令同步邀执帮矗流电源之阙怒放电掇绕组葶爨定子磁场之阍逶过抉囱 - 9 * 器和电利撼它稻联系起来酾。在电动祝豹情况下，换向器和窀蒯怒着逆变器的作 用，它把魄源的直流电逆鼗成交流电送入电挺绕组。相反地，在嶷滚发电机的情 况下，换向器和电利起着熬流器的作用，它搬电枢中产生的交流魄箍流为直流电 输送到外_ 蕊的受载上。有删叛流电搬中的邀蒯不靛起着弓l 导电流戆终尾，两且虫 于毫抠零钵在经过邀弱掰凌穰黉嚣亨，羹中麴魄滚要改变方囊，爨叛瞧瓣鹊建置决 定巷电机中电流换向的媳点。这就怒说，有利囊流电视的瞧划起麓电枢魄流换向 位置的检测律璃。和冤利崴流电动机相院，就不难看到，其实无剃直流电动机和 有刷岚流电动机一样，本身都是一螽同步电动机，只是有刷直流电动机中加的是 一个枧械的邋变器换鹅爨勰电巅，厩无剐慧流奄秘梳中刚采髑漱予抉离装置 一整予遵交器代替瞧摄羧囊器蠢壤鬟豹舔爝。零管二者砖造不懑，瞧宅餐掰惹 豹佟躅却怒爨全程稳瀚，都烧为了察蕊直瀛电动枫熬正确捩穗。 咒刷崴流电动机为了实现无电刷换相，蓠先要求把一般直i j c 电动机的电枢绕 组放在怒予一色，把永磁磁绷放在转予上，这与裔涮赢流永磁电动枫静结构刚好稻 反。但仪这样还不行，因为翔一般盛滚电源绘定子。各绕缀供呶，只能产生固定 藏凄，它不裁与运凄中转予撩镄瑟产生懿隶磁磁塌耀互镎麓，骐产生挚一方蠢熬 转矩采驱动转予转动。所以，无磷壹流电动机除了洳定、转子缀艘寇动机本俸井， 还需要交绽鬣传感器、燕铡怒路戳获功率逻耩开关共同擒藏静挠淘装置，使祷尧 刷直流电动机在运行过程中凇予绕组所产生的磁场和转动中的转予磁钢产生的永 久磁场+ 程登阉始终保持强妒左右静电角嶷。 ， 为了燹攘清楚逡鬻述嚣捌壹瀵壤动壤豹王终溅蘧霜特焘“，下瑟浚三稷星澎 绕筑半撩轿憩籍受爨寒热潋麓要诞筏。蚕2 ，4 为三穗无弱赢滚滚动辊半羟辑宅路 原理图。此处采用光电器件v p l 、v p 2 、v n 作为位置传感器，以三只功率晶体管 ￥l 、v 2 、v 3 梅藏璃率逻瓣攀元。圈2 5 菇羚芙蹶序及定予磁濒旋转示懑霾，赘 2 4 所示的转予位置和图2 5 8 所示的位黄槲对斑。由于此时光电潞传v p l 被光照 射，簸巍茨稿率基骛警v 基譬逶蔌拳，毫流溅入绕爨奄a ，该缀堪迄浚蘑转予 磁辍箨愆霜所产生静转斑旋转予的磁辍按圈2 5 中的箭头寿淘( 暇时钟方向) 转 动。当转予磁掇转到强2 。骚辩示懿经萋器雩，激按装在转予辘上的浚转遮巍薇遣跟 着同步转动，并遮住v p l 而使v p 2 受光照射，从而使晶体管v l 截止、晶体管v 2 导 遥，电流扶绕缓a f a 断开褥滚入绕缀b b ，壤缮转子磁掇继续赣瓣头方离转动， 著豢麓遮兜羧阕孵赣蹶爨铸方彝旋转。当转予磁羧转裂嚣2 。s c 爨承位羹瓣，魏游 凌转遮巍嫒基经邃袋￥p 2 ，锼v 玛蔹毙爨越，蛰致熬镰蓉￥2 藏壹、鑫癸警￥3 罢遗， 因而电流流入绕组c - c ，。t - 魑驱动转予磁极继续朝顺时针方向旋转，使转子磁极转 裂嚣2 。5 d 瑟暴建曼，重糕飘烈了霆2 ，5 a 黪暴经饕。 ，1 0 * 磺士学位论文 圈2 , 4 三相绕组无异4 赢流电动机鞫2 5 开关顺序及定予磁场旋转示意翻 这样，随着位置传感器转子扇形片的转幼，定子绕组在位置传感器v p l 、v p 2 、 v p 3 酌掇制下，便一相一棚媲依次馈电，实现了各捐绕组电漉煞换相。不难看崽， 在挨稳避程孛，定予各糕绕缀在工幸筝气豫肉掰形藏静簇转磁场楚懿跃式豹。这耱 旋转磁场在3 6 0 8 电角发徽阐内有三种磁状态，每种磁状态持续1 2 0 0 电角度。备 相绕组电流与电动机转予磁场的相互关系如图2 5 所示。图2 5 a 为第一状态， f 。为绕缀a a 通电后所产生的磁动势。显然，绕组电流与转予磁场的相互作用， 使转予添顺时针方向旋转；转过1 2 0 0 电焦发嚣，便进入第二状豢，这对绕组a - a 1 鹫毫， i 霾绕缝b ，b 蘧之遴瞧，帮定子绕缀凝 a a 1 i产生的磁场转过了1 2 0 0 ，如图2 5 b 所示，电 ii _ 一卜动机转予继续沿顺时针方向旋转；转子转过 b - b l 1 2 0 0 电角度后，便进入第三状态，这时绕组 llll。 b b 断溆，c - c 通电，定予绕组所产生的磁 c - c ，夸 ” 凌迄瓣辩转遂了1 2 0 8 邀麓度，妇蚕2 5 c 灏 | 厂 示；它继续驱动转子沿顺时针方向转过1 2 0 。 0 0 1 2 0 02 4 0 03 6 0 04 8 0 0 w t 电角度艏就恢复到初始状态了。这样周而复 黼2 6 各相绕组的导遴幂意图 始，电动机转子便连续不断地旋转。图2 _ 6 示蹬了器楣绕组导通颓序的示意图。 2 3 无捌直流电动撬运行特性和传递函数 黉十分精确地分析炙刷真流电动机的运行特性，是很困滩的。它涉及非线性 理论及数值解法等诸多润题，在一般工程威用上尚无此必要，故通常作如下假定 ( 鄙攥往无刷直流电动捉中懿主要矛詹以麓化其推导) 1 1 】： $堕壮 基于反电动势法的无剃直流电机的控制研究 ( 1 ) 电动瓶的气陈磁感瘦强度沿气陈按正弦分布。 ( 2 ) 绕组通电时，该电流所产生的磁通对气隙磁通的影响忽略不计( 即 忽略嘏枢反应) 。 ( 3 ) 控制电路在开关状态下工作，功率晶体管压降为恒俊。 ( 4 ) 各稻绕组对称，其对波的电路单元完全一致，相应的电气常数忽略 不计 ( 5 ) 位置镄落器等控翻电路酌功耗忽路不计 仍以三相星形绕组半控电路为例，搬导出无厢4 直流电动枫稳态运行时的基本方程。 出缓瓮( 1 ) 鲡，b = b 。s i n o 。这祥一来，如采在定予菜一褶( 铡如b 褶) 绕组中 通一持续的直流电流，贝口有： = z d 互r l s i n o ( 2 + 1 ) 式中z o 一一每相绕组的有效导体数； 己一绕组中导线的有效长度，鞠磁镪长发； r 一一电动机中气隙的半径； l 一一绕绥鞠毫滚。 就是说某一相通以不变的壹流后，它和转子磁场作用所产缴的转矩也将随转子位 置戆不两嚣按正弦糕律交讫。对受载露言，掰褥窀动撬嚣乎麓转辍为零。僵在三 相半控电路的工作情况下，实际上每相绕缀中通过的不是持续不变的直流电流， 固 岱 a ) 轴 图2 7 曼相无刷赢流电动机半控意路的转矩 哭楚逶遥1 3 蠲斓酶矩形波窀滚。辩该 电流和转予磁场作用所产生的转矩也只 凳歪弦转楚癌线上耱警予1 1 3 嗣期静一 段，且这一段曲线与绕缎开始通电时的 转子葙对经耋有关。显然在鹜2 7 舞示 的瞬间导通该相晶体管，可产生最大的 警均转短。因为袭这释渣猛下，绕组邋 电1 2 0 0 的时间里，载流导体正好处在比 较强熬气羧磁场中。溪璇它辨产生懿转 矩脉动小，平均值大。列惯上把这一点 选撵鑫箨管开戆导逶豹基难熹，定为 h = 0 0 。在h = 0 。的情况下，电动机三 糖绕缀轮流通电瓣蒺产黛懿总转矩强弱 2 7 b 所示，对应输出转矩的平均值t a 为： 艺= 等争跏= 0 8 2 7 。， 墨= z l b # r 1 1 2 硬学彼论文 = = l _ _ = = _ _ l = = ! # _ _ _ _ = = = ! _ _ _ _ ! _ 嗣理可按下式求得感生魄动势的平均毽e 。： 铲等乒s i n o d 0 = 0 8 2 7 e ”( 2 3 ) e h 。z o l b m r 牲 定义荻滚动势系鼗彝转缀系数分剐荛： e ：量 ( 2 4 ) k r 。罩 ( 2 5 ) 对于某个具体的电动机，它们为常数。幽前述假定知各相绕组对称、相应时 间常数忽略不计，可得电动桃的电压平衡方摆组为： 移一矗u = 瓯+ 臻 ( 2 ：6 ) 其中，e a = k o n 、t 。= k t i ，将其代入式( 2 6 ) 经整理得电动机稳定运行对戆机 械特性方程( 即一般所说的静态方程) 为： 押：丁u - a u 一疋 ( 2 7 )押= 。( z 7 ) k b k e k r 。 一 式孛 n 一毫动辊转速( r m i n ) ； u 一一电源电歪 撰式( 2 9 ) 可求褥无到鑫滚奄动枫静动态结擒图，翔鹜2 8 拼示。 墨2 。8 无剔篓滚毫动章韪动态缭榜蕊 由结构图可求褥其传递函数为： 吣) = 志) 一彘疋 ( 2 i o ) 式中 k 一彀动势传递系数，k l = 1 k o ； k 2 转矩传递系数，k 2 = r k t ； t 。电磁时间常数，t 。= r g d 2 ( 3 7 5k 。k t ) 。 ，1 4 第三章基于反电动势法的控制系统m a t l a b 建模及仿真 本章将会详细介绍控制系统的建模方法及过程“”1 ，并对系统模型进行调试 得出仿真结果，通过刈仿真结果的分析证实反电势控制方法的可行性和有效性， 为下章建立具体i ) s p 控制系统进行实验和调试提供了理论依据。本论文建模的 总体思想是：对控制系统的各个部分分别建模( 其中包括b l d c m 本体模块、电 流滞环控制模块、速度控制模块、参考电流模块、转矩计算模块和电压逆变模块) ， 然后对这些功能模块进行有机整合，从而搭建出无刷直流电机控制系统的仿真模 型。值得指出的是，本文基于反电动势控制法，通过线性分段法获得反电动势建 立起无刷直流电机的本体模块，采用双闭环控制方案( 转速环由p i d 调节器构成， 电流环由电流滞环调节器构成) 建立的仿真控制系统“”“1 ，这样做除了能动态的 观测转速响应波形、反电动势波形、转矩波形、相电流波形外，还能比较真观的 观测大致转子位置波形。 3 1 永磁无刷直流电动机的数学模型 匿 = e ；习+ 匪 + 妻兰墨 p + 睦 + 医 c 。- ， 嗓型2o 。 ? 掣9 10 i “ “l j 2 n 矗 图3 1 单相反电动势和电流 图3 1 单相反电动势和电流 式中：叽c ，。u 。一定子相绕组电压( v ) ； j 。，。j c 一定子相绕组电流( a ) ；e 。e 。一定子 相绕组反电动势( v ) ；三一每相绕组的自感 ( h ) ；m 一每两相绕组间的瓦感( h ) ；p 一微分 算子p = d t 。一相方波电流和梯形波反电 动势如图3 1 所示。 繁予反电动势法的无昂i 壹流电机蛇控毒i 研究 设三楣绕缀为星形连接，艇没有中线，则省 i 。+ i b + i 。；0 并鱼 m l 。+ 毛= - m i = 将式( 3 2 ) 和( 3 3 ) 代入式( 3 1 ) ，得到电压方程为： 刚i o l m o ( 3 2 ) ( 3 ，3 ) 纠 。， h 川 ij 坠_ 上卜”7 l h 圭lf 张l 一刨 i 舻叫= ：卜一l 一h 璩：垒 ；撩、一型 圈3