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摘要 论文题目：无刷直流电机无位置传感器控制系统研究 学科：模式识别与智能系统 研究生：胡少轶 签名： 导师：刘军教授 签名： 摘要 无刷直流电机是随着电力电子技术的发展和新型永磁材料的出现而迅速发展起来的 一种新型机电一体化产品。随着无刷直流电机在许多领域的广泛应用，无位置传感器控制 方法的优势也越来越明显，本文围绕无刷直流电机无位置传感器控制系统的设计，进行了 相关的研究和探讨。 首先，基于m a t l a b 建立了无刷直流电机无位置传感器控制系统的模型，对转子位置 检测、电机起动、控制算法等关键技术的实现方案进行了仿真分析和比较。 其次，以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理器作为控制核心，设计了无刷直流电机控制系 统以及四种基于反电势过零点转子位置检测方法的硬件电路、电流采样和过流保护电路。 最后，在c c s 2 0 0 0 编译环境下，编制了基于d s p 的控制程序，主要模块包括：转子预 定位模块、开环加速模块、转子位置计算模块、电机转速计算模块、速度p 工调节模块。 综上所述，本文设计了基于d s p 的无刷直流电机无位置传感器控制系统，对整个控制 系统进行了仿真分析，在此基础上制作了试验平台，编制了基于d s p 的控制程序，并进行 了调试。仿真和实验证明了设计的可行性。 关键词：无刷直流电机；无位置传感器；反电势：三段式起动 a b st r a c t t i t l e ：t h er e s e a r c ho fs e n s o r l e s sb r u s h l e s sd cm o t o r d r i v es y s t e m m a j o r ：p a t t e r nr e c o g n i t i o na n di n t e l l i g e n ts y s t e m n a m e ： s h a o y ih u s u p e r v i s o r ：p r o f j u nl i u a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ：选担 b r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) i sak i n do fe l e c t r o m e c h a n i c a li n t e g r a t i o nm a c h i n e r v a n d i t st e c h n i q u eh a sb e e nr a p i d l yd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r sw i t ht h eh e l po ft h ed e v e l o p m e n to f p o w e re l e c t r o n i ct e c h n i q u ea n dt h ea p p e a r a n c eo fn e wt y p eo fp e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a l s a s b l d c mh a sb e i n gw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s ，t h es e n s o r l e s sb l d c ma t t r a c tm o r ea t t e n t i o n a n db e c o m em o r ea c t i v er e s e a r c hf i e l d i n t h i sp a p e r , s o m ep i v o t a lt e c h n i q u e sw h i c hs u r r o u n d s e n s o r l e s sb r u s h l e s sd cm o t o rd r i v es y s t e mw e r er e s e a r c h e d f i r s t l y ，t h em o d e lo fs e n s o r l e s sb l d c md r i v es y s t e mi se s t a b l i s h e db a s e dm a t l a b t h e d i f f e r e n tk i n d so fm e t h o d sf o rd e t e c t i n go fr o t o rp o s i t i o n ，t h em e t h o d so f m o t o rs t a r t i n ga n dt h e c o n t r o la l g o r i t h mw e r ea n a l y z e da n ds i m u l a t e d s e c o n d l y , a s e n s o r l e s sb l d c ms y s t e mi s d e s i g n e dw i t ht h et m s 3 2 0 f 2 812a s m i c r o p r o c e s s o r f o u rk i n d so fr o t o rp o s i t i o nd e t e c tc i r c u i t sb a s e do nb a c k e m f ；c u r r e n t s a m p l i n ga n do v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o nc i r c u i tw e r ed e s i g n e ds i m u l t a n e o u s l y f i n a l l y , s o f t w a r eo ft h es y s t e mw a sp r o g r a m m e db a s e dt h ec c s 2 0 0 0 t h es o f t w a r ei n v o l v e s f i v em a r ep a r t s ：r o t o rp r e 。o r i e n t a t i o np a r t ，s t a r t i n gp a r t ，r o t o rp o s i t i o nc a l c u l a t i n gp a r t ，s p e e d c a l c u l a t i n gp a r ta n ds p e e da d j u s t i n gp a r t i nc o n c l u s i o n ，t h es e n s o r l e s sb l d c m d r i v es y s t e mi sd e s i g n e di nt h i sp a p e r , a l lp a r t so ft h e s y s t e mw e r ee m u l a t e da n da n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mi si m p l e m e n t e d t h er e s u l t so f e x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o ns h o wt h a tt h es c h e m eo ft h es y s t e ma n dc i r c u i tp r e s e n t e da n d d e s i g n e di nt h i sp a p e ri sf e a s i b l e k e yw o r d s ：b r u s h l e s sd c m o t o r ；s e n s o r l e s s ；b a c k - e m f ；t h r e e s t e ps t a r t i l 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外j 论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。： 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：罐：盈 2 ，办缪年月2 ，日 学位论文使用授权声明 本人! 亚：翌在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩。 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，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；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名： 鲁师签名：二查生辜：，勿p 万年3 月厶，日 综述 1 综述 1 1 无刷直流电机概述 无刷直流电机( b r u s h l e s sd cm o t o r ，以下简称b l d c m ) 是近年来随着微处理器技 术、新型电力电子器件、新型控制理论的发展，以及低成本、高磁能积的永磁材料的出现 而发展起来的一种新型直流电机n 1 。无刷直流电机是集交流电机和直流电机优点于一体 的机电一体化产品，它既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又 具备直流电机运行效率高、调速性能好的特点，同时无励磁损耗n 1 。无刷直流电机在电 磁结构上和有刷直流电机一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子上安装永久磁钢，电枢 绕组一般采用多相形式，经逆变器接到直流电源，定子采用电子换相装置代替有刷电机的 电刷和机械换相器，各相绕组逐次通电，在气隙中产生跳跃式的旋转磁场，与转子磁极主 磁场相互作用，产生电磁转矩，使电机连续运转。 早在上个世纪3 0 年代，已经有学者开始研究以电子换相取代机械换相的无刷直流电 机，但由于当时大功率电子器件仅处于初级发展阶段，使这种电机只能停留在实验室研究 阶段，无法推广应用。1 9 5 5 年美国d h a r r i s o n 等人首次申请了用晶体管换相电路代替机 械电刷的专利，标志着现代无刷电动机的诞生。1 9 7 8 年，原西德m a m 咂s m a n n 公司在 汉诺威贸易博览会推出了m a c 方波无刷直流电机及其驱动器，标志着利用电子换相的无 刷直流电动机真正进入实用阶段。1 9 8 6 年h r b o l t o n 对方波无刷直流电动机进行了全面 系统的总结，成为方波无刷直流电动机研究的经典文献，它标志着方波无刷直流电机在理 论上达到了成熟 1 1 0 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。正弦波型永磁无刷直流电机反电势波形和供电电流波形均 为正弦波，其控制需要较为精密的转子位置信号，位置传感器结构较为复杂，成本较高， 但其控制方法灵活，转矩波动较小，所以一般用于伺服控制系统。方波型永磁无刷直流电 机，或者称为方波电机，其反电势为梯形波，供电电流为方波，控制系统对转子位置信号 要求不高，只需获得若干个转子关键位置的离散信号就可以了，成本较低，加上其结构简 单、控制方便，因此应用范围很广。大多数情况下，无刷直流电机是指方波型永磁无刷直 流电机。 表1 - 1 三种常用电机的性能比较 警 机械过载可控平稳噪声维护体积效率 成本 系统 特性 能力性性 交流异步电机软小 难 较差较大易 大低低 有刷直流电机 硬大易 较好大 难较小高较高 无刷直流电机硬大易好小易小高较高 西安理工大学硕士学位论文 表1 - 1 从机械特性、过载能力、可控性等9 个方面对交流异步电机、有刷直流电机和 无刷直流电机作了定性的比较。结果表明，无刷直流电机和其它电机相比具有高可靠性， 高效率、优良的调速性能等诸多优越性，并且随着新型稀土永磁材料性能的提高与价格的 下降，带来永磁无刷直流电机成本的降低，这种优越性将更加明显。 由上面的叙述可以看出，从工业中的广泛使用开始，无刷直流电机正向家电、信息产 品等消费品领域迅速发展，并且有着十分巨大的发展潜力。然而，无刷直流电动机相对于 其它类型电动机来说还是一种新型电机，它的控制更是与电力电子技术、控制理论等息息 相关，因此，对无刷直流电机本体及其控制方法进行系统、深入的研究有着十分重要的理 论和现实意义t 3 1 。 1 2 无刷直流电机的控制方式 无刷直流电机的控制方式按照有无转子位置传感器来划分，可以分为：有位置传感器 控制方式和无位置传感器控制方式。 1 2 1 有位置传感器控制方式 有位置传感器控制方式，指在无刷直流电机定子上安装位置传感器来检测转子在运转 过程中的位置，将转子磁极的位置信号转换成电信号，为电子换相电路提供正确的换相信 息，来控制电子换相电路中的功率器件的开关状态，保证电机各相绕组按顺序导通，在空 间形成跳跃式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转。霍尔位置传感器是目前比较成 熟的i c 器件，具有体积小、简单可靠、安装灵活方便、易于实现机电一体化等优点，是 目前应用最为广泛的位置传感器。 1 2 2 无位置传感器控制方式 无位置传感器控制方式是指无刷直流电机不直接安装转子位置传感器，但在电机运转 过程中，控制电机换相的转子位置信号还是需要的1 6 o 因此，无刷直流电机无位置传感 器控制研究的关键是架构转子位置信号检测电路，通过软硬件间接获得可靠的转予位置信 号。为此，国内外的研究人员进行了大量的研究工作，提出了很多种位置信号检测方法， 大多是利用检测定子电压、电流等容易获取的物理量进行转子位置的估算，其中较为成熟 的有以下几类： a 反电势过零点检测法 在无刷直流电机中，绕组的反电势通常是正负交变的，当某相绕组的反电势过零时， 转子直轴恰好与该相绕组轴线重合，因此只要检测到各相反电势的过零点，就可获知转子 的若干个关键位置，从而省去转子位置传感器，实现无位置传感器无刷直流电机控制17 1 。 这是目前应用最广泛的无位置传感器b l d c m 控制方法。这种方法的缺点是静止或低速 时反电势信号为零或很小，难以准确检测绕组的反电势，因而无法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；另外，为消除p w m 调制引起的 2 综述 干扰信号，需要对反电势信号进行深度滤波，这样造成与电机转速有关的信号相移，为了 保证正确的换相需要对此相移进行补偿。 b 反电势3 次谐波积分法 由于无刷直流电机的反电动势为典型的梯形波，它包含了基波及其高次谐波分量，通 过对电枢三相相电压的简单叠加，就可以获得3 次谐波及其奇数次的谐波，可以从中提取 反电动势的3 次谐波分量，并进行积分，积分值为零时即得功率器件的开关信号 8 1 0 反 电动势3 次谐波信号的获取有两种方式：一种利用电机中性点和并联于电机三相绕组端的 星形电阻的中性点来得到反电动势的3 次谐波分量；在没有中性点引出的电机，可以利用 直流侧中点电压和星形电阻网络的中性点来获得反电动势的3 次谐波分量；然后对获得的 信号进行滤波，滤掉3 次谐波的高次分量，由于高次分量的最低为9 倍的基波频率，对滤 波器要求低。因而它比反电动势过零点检测有更宽的运行范围。这种方法避免了逆变器开 关造成的干扰，但是3 次谐波的幅值小于反电势的幅值，不易检测，特别是低速的情况下， 3 次谐波信号更弱，难以获得转子位置信号。 c 续流二极管法 这种方法是通过监视并联在逆变器功率管两端的续流二级管的导通情况来确定电机 功率管的换向时刻。无刷直流电机三相绕组中总有一相处于断开状态，于是通过监视6 个 续流二级管的导通关断情况就可以获得6 个功率管的开关顺序。该方法可以提高电机的调 速范围，特别是可以拓宽电机的调速下限“1 。但是这种方法要求逆变器必须工作在上下 功率管轮流处于p w m 斩波方式，增大了控制难度；另外，对于续流二极管导通的无效信 号和毛刺干扰造成的误导通信号的去除也不易实现。这种方法也存在着较大的检测误差， 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都会造成转子位置误 差。由于这种方法需要在二极管上并联检测电路，这对于集成的功率器件( 如i p m ) 很 难实现。正因为以上种种缺点，所以这种方法在国内应用并不是很广泛，相对来说技术也 不是很成熟。 1 2 3 两种控制方式的比较 a 有位置传感器 优点： ( 1 ) 因为有霍尔位置传感器，所以电机换相准确，转子位置检测的准确度不受电机转 速的影响； ( 2 ) 不需要外加的转子位置检测电路，硬件电路简单； ( 3 ) 电机换相控制编程简单，不需要处理滤波延迟等问题。 缺点： ( 1 ) 增大了电机的体积。安装了位置传感器后，一方面电机结构变复杂了，另一方面 电机的体积相对来说变大了，妨碍了电机的小型化； ( 2 ) 增加了电机成本。容量在数百瓦以下的小容量方波型无刷直流电机常用的霍尔 3 西安理工大学硕士学位论文 位置传感器的成本相对于电机本体来说所占比例比较大； ( 3 ) 传感器的输出信号易受到干扰。传感器的输出信号都是弱电信号，在高温、 冷冻、湿度大、有腐蚀物质、空气污浊等工作环境及振动、高速运行等工作 条件下，都会降低传感器的可靠性。若传感器损坏，还可能连锁反应引起逆 变器等器件的损坏； ( 4 ) 传感器的安装精度对电机的运行性能影响很大，相对增加了生产工艺的难度。 b 无位置传感器 优点： ( 1 ) 降低成本，减小电机的体积； ( 2 ) 抗干扰能力强，能在高温、湿度大、有腐蚀物质、空气污浊的环境中工作； ( 3 ) 无传感器安装的问题，减小电机的生产难度。 缺点： ( 1 ) 如反电势法等转子位置检测方法在低速时检测准确度都不高，需要其他方法辅 助电机起动； ( 2 ) 由于各种滤波、比较电路引起的相位延迟必须在算法中加以补偿，所以算法编 程难度较大； 。( 3 ) 由于架构了转子位置检测电路，所以增加了硬件的复杂性。 1 3 课题的背景和意义 针对位置传感器所带来的种种不利影响，近一二十年来，无刷直流电机的无位置传感 器控制一直是国内外较为热门的研究课题。无刷直流电机因其具有节能、低噪声、体积小 和调速性能好等优点，特别适合电冰箱、空调等家用电器。但无刷直流电机的控制算法复 杂、监控软件编写困难及其硬件成本偏高等实际问题限制了其发展。为了解决这一矛盾， 近几年国外一些大公司纷纷推出比m c u 性能更加优越的d s p ( 数字信号处理器) 单片电 机控制器，它们都是将d s p 内核配以电机控制所需的外围功能电路集成在单一芯片内， 使设计的硬件成本大大降低且体积缩小、使用便捷。 我国在无刷直流电机的无位置传感器控制方面的研究也十分活跃。近几年来，基于 d s p 控制器的无位置传感器无刷直流电机控制系统的研究取得了很多成果，但这方面的 技术还不是很成熟，没有形成系列产品，主要采用国外成熟的系统。所以基于d s p 的无 位置传感器无刷直流电机控制系统的研究具有很重要的现实意义和应用前景。 1 4 课题的主要研究内容 ( 1 ) 详细研究了“反电势法 无位置传感器无刷直流电机控制的原理，并对常用的反 电势过零点检测方法进行了比较； ( 2 ) 研究了常用的无位置传感器无刷直流电机起动方法，并对常用的“三段式”起动 技术进行了详细的分析； 4 综述 ( 3 ) 在m a t a l b 中建立了无刷直流电机无位置传感器控制系统的仿真模型，对无位置传 感器无刷直流电机控制的几个关键技术进行了仿真分析。包括：反电势过零点检测， 换相时刻计算，外同步加速，闭环控制； ( 4 ) 研究了由反电势过零点计算换相点时产生误差的原因，给出了误差的修正方法并进行 了仿真验证； ( 5 ) 设计了“反电势法 无位置传感器无刷直流电机控制系统的硬件电路，包括为无刷直 流电机供电的逆变电源，过流保护电路，各种信号调理和电平转换电路。利用 m u l t i s i m 电路仿真软件对硬件电路进行了仿真研究； ( 6 ) 在仿真的基础上制作并调试了无刷直流电机无位置传感器控制系统硬件平台，对反电 势过零点检测电路进行了改进，提高了检测的准确度。 5 西安理工大学硕士学位论文 2 无刷直流电机的工作原理 2 1 无刷直流电机的组成 无刷直流电机控制系统的组成原理框图如图2 - - 1 所示： 2 2 无刷直流电机的数学模型 量； 2 言 吾 主 差 + 专一 主三三三乏i 差 + 三； ， c 2 1 ， 式中，e 4 ，e 6 ，e f 为定子各相反电势；i 。，i 6 ，i 。为定子各相电流；u 4 ，u 6 ，u 。为定子各相电 压；r 。，r 6 ，r 。为定子各相绕组电阻；l 。，l 6 ，l 。为定子各相绕组自感；l 扪l 6 c l 。，l 妇，l 。b , l 。 l 口6 ，上6 c ，工刚l k ，上曲，l 。为常数，与转子位置无关“。假设三相对称，则有 6 无刷直流电机工作原理 于是式2 1 可以写成 蚕三 2 莒三量 兰 + 丢 妻薹薹 差 + 圣 c 2 2 ， 则m i b + m i c 一一肋。，m i 。+ 蝇= 一帆，m i 。+ 慨= m i 。，代入( 2 2 ) 式，整理后得 荔 2 喜昙兰 茎 + 暑 主兰兰 差 + 圣 ( 2 3 ， 其中l = ，一m 。由此可得无刷直流电机的等效电路及三相全控桥式主电路原理图如图 2 2 所示： 图2 - 2 无刷直流电机等效电路 f i g 2 2b l d c me q u i v a l e n tc i r c u i t 2 3 无刷直流电机的工作原理 2 3 1 无刷直流电机的换相 在有位置传感器无刷直流电机中，利用转子位置传感器检测转子磁极相对于电枢绕组 轴线的位置，将其输出信号进行逻辑变换后控制功率开关管的通断，使电机定子各绕组按 顺序导通，保证电机正常工作。转子位置传感器由两部分组成，固定部分和转动部分，其 转动部分和电机同轴，以跟踪电机永磁体的相对位置；其固定部分固定于电机本体电枢槽 内或端盖上，以输出永磁体相对位置信号。处理器通过检测出的位置信号指导开关器件的 导通，来控制电机的换相 1 2 1 。 假设电机只有一对磁极，利用霍尔位置传感器，相应的电机转子位置、反电势波形、 转子位置信号如图2 3 所示。 三相定子电流如图中所示， 表示电流流出， 表示电流流入，按右手定则，三相 定子绕组产生的正向磁势l ，b ，最如图中所示。假设电机顺时针旋转，在t o 时刻，电机 转子d 轴与b 相负磁势一r 垂直，如图中6 - 1 扇区所示。此时逆变器功率器件触发组合 状态应该为k ，圪导通，其余均关断，电流从k 管流入a 相绕组，经么_ x y b ，再 从b 相绕组流出，经k 管回到电源，在合成磁势f 。r 作用下转子继续旋转。 7 西安理工大学硕士学位论文 1 二二二二二二二 h 。仨二二二 8 反电势法无位置传感器无刷直流电机控制原理及关键技术研究 3 反电势法无位置传感器无刷直流电机控制原理及关键技术研究 3 1 反电势特性分析1 1 3 1 1 4 1 电机的反电势大小和电机的转速之间有一定的对应关系，为了给反电势法提供理论依 据，这里来推导无刷直流电机的反电势计算公式，分析无刷直流电机的反电势特性。 为了便于分析，公式推导过程忽略开关器件动作的过程和电枢绕组的电感。单根导体 在气隙磁场中感应的电势为 e ；b l v( v )( 3 1 ) 式中，b ：气隙磁场强度； l ：导体有效长度； v ：导体相对于磁场的线速度。 y ；翌甩；2 p z n ( m s ) 2 ( 3 2 )y = 甩z 0 3 2 ，) 6 06 0 式中，1 1 ：电机转速( r m i n ) ； d ：电枢内径； f ：极距； p ：极对数； 设电枢每相绕组匝数为，则每相绕组的感应电势为： e = 2 e ( v ) ( 3 3 ) 将式( 3 2 ) 带入式( 3 1 ) 得 etb l 2 p r 二( v ) ( 3 4 ) 6 0 方波气隙磁感应强度对应的每极磁通为 = b a r ,( w b ) ( 3 5 ) 式中口为计算极弧系数，则有 e = 2 p 妒二 ( v ) ( 3 6 ) 将瓦( 3 6 ) 代八瓦( 3 3 ) 得母利绕组感应电努 e 妒2 贵形妒矽咒 ( v )( 3 7 ) 则电枢感应电势为 e = 2 e 妒= 丽2 p 加一c 。加 ( v ) ( 3 8 ) 式中，c 。= 警： 电势常数。梯形波无刷直流电机的反电势波形如图3 - 1 所示。 上3 a 9 西安理工大学硕士学位论文 e a e b e c i 。1 一 7 。 r 图3 - 1 无刷直流电机的反电势波形 f i g 3 - 1b r u s h l e s sd cm o t o r e l e c t r i cp o t e n t i a lw a v e f o r m 3 2 反电势法无刷直流电机控制系统仿真模型 为了研究无位置传感器无刷直流电机的控制原理并验证控制方法的可行性，在 m a t l a b 中建立起无位置传感器无刷直流电机的控制系统模型，借助仿真模型可以分析 无刷直流电机无位置传感器控制系统工作的整个过程，并对控制的关键技术进行研究。系 统仿真模型总体结构如图3 2 所示： 图3 - 2 无位置传感器无刷直流电机控制系统结构图 f i g 3 - 2p o s i t i o ns e n s o rb r u s h l e s sd cm o t o rc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r e 模型分为起动模块，转子位置检测模块，控制算法模块以及其他一些辅助功能模块。 为了更好的分析无位置传感器无刷直流电机控制系统的工作过程，仿真模块的功能将结合 关键技术的研究和实现，在以下各小节中分别介绍。 3 3 反电势法无刷直流电机的转子位置检测 3 3 1 反电势法原理 位置传感器在无刷直流电机控制中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提 供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换 相。取消位置传感器后，就必须在电机中找到能够反映电机转子磁极的信号。无刷直流电 机的反电势波形是一个很好的检测电机转子磁极位置的信号，反电势波形严格地反映无刷 1 0 反电势法无位置传感器无刷直流电机控制原理及关键技术研究 直流电机转子磁极的位置5 1 。因此，检测电机反电势波形以确定电机转子磁极的位置是 比较常用的方法。 电机的反电势波形与霍尔位置传感器输出信号的关系如图3 3 所示 ii i ：1 l 6 - - 1 ； 1 - 2 ； 2 3 ； 3 4 ；4 5；5 6i ；!：； ：； ! ；，一一、 ；in ： ：0 7 i 一 ：m ；，_ ： ；、； ： 一 ：一： ：、：一 、!ii! ，： 一 、 ，-t 伊 ： ： i ： 图3 - 3 反电势信号与霍尔信号对应关系， f i g 3 - 3p o t e n t i a la n t i - s i g n a la n ds i g n a lc o r r e s p o n d e n c eb e t w e e nh a l l 图中h 。，h 。，h 。为电机的霍尔位置传感器的输出信号，e 。，e b , e 。为电机三相绕组的反 电势信号，以b 相反电势e 。为例，当反电势检测电路检测到e 。的过零点后，延迟3 0 。电角 度到达r l 点，即为霍尔信号日。的跳变点，此时可指导电机换相，其他的反电势过零点和 换相点关系以此类推。由图2 - 4 可以看出反电势的过零点和电机的换相点有一一对应的关 系，因此，反电势信号可以作为代替霍尔位置传感器的检测信号钉。由以上分析可以看 出，反电势法无位置传感器无刷直流电机控制的关键在于反电势过零点检测，控制系统的 性能主要取决于反电势过零点检测的准确性。 3 3 2 反电势过零点检测原理分析 由于电机反电势不能被直接检测，因此必须利用反电势与电机其他信号的关系检测或 计算出电机反电势过零点，电机的端电压和相电压都可以作为间接检测反电势过零点的信 号。 无刷直流电机系统原理图如图3 - 4 所示，r ，尺：，r 3 和三。，l ：，l ，分别为定子三相绕组的 电阻和电感。系统采用两两导通方式，各桥臂上管采用p w m 调制、下管恒通方式。 图3 - 4 无刷直流电机系统原理图 f i g 3 - 4b r u s h l e s sd cm o t o rs y s t e ms c h e m a t i c s 由于电机为三相平衡绕组所以有： 如如 m 踟 邸 缸 西安理工大学硕士学位论文 r 1 = r 2 = r 3 一r l 1 一l 2 一l 3 = l 因此，电机的三相端电压平衡方程为： u 工；彤工+ 上鱼皇+ e 了+ u 甩 ( 3 9 ) a ， x = a ，b ，c 在这种导通方式下，每6 0 。电角度只有两相导通。以c 相为例，即x = c ，在图3 4 中，a 相和b 相导通，且a + ，b 。这时a ，b 两相电流大小相等，方向相反，c 相电流为零， 则式( 3 9 ) 可简化为 u c = ec + u 玎( 3 1 0 ) 由于l = 屯，e = 也，将x - - a ，x = b 分别代入式( 3 9 ) ，相加得中性点电压为 1 u 。= 缈。+ u 6 ) ( 3 1 1 ) 将式( 3 1 1 ) 代入式( 3 1 0 ) 得c 相反电势过零点检测方程为 1 e 。= u 。一去( u 。+ ) ( 3 1 2 ) 同理，a 相和b 相反电势和式( 3 4 ) 有相同的形式 3 3 3 基于端电压的反电势过零点检测方法 由于端电压和反电势有固定的对应关系，所以端电压可以作为判断反电势过零点的检 测信号。基于端电压的反电势过零点检测电路如图3 - 5 所示。由于采用p w m 调制方式，端 电压中带有因调制产生的干扰信号，所以实际应用中将端电压进行分压、滤波后得到检测 信号u 。，u 幻，u 。 图3 - 5 基于端电压的反电势检测电路 f 唔3 - 5b a s e do nt h ea n t i t e r m i n a lv o l t a g ed e t e c t i o nc i r c u i tp o t e n t i a l 如图3 - 5 所示，检测电路与u s 的负极相连，根据分压原理，式( 3 1 2 ) 转化为 e ；u 一( u 。+ u6 d ) ( 3 1 3 ) e a 。，e 幻求取公式与式( 3 1 3 ) 形式相同，其中瓦= 蛾， 拈薏一- - a , b , c 图3 - 6 为u 。，u 6 d 的仿真波形，c h l 为u 幻波形，c h 2 为u 。波形。 1 2 反电势法无位置持感器无刷直流电机控 4 原理是关键技术研究 画j 胍 一 j 墉队_ 爪胍泖一 。；。；，。一；一i ；i i 。；l h 口 。f l 3 - 6 3 - 6 m o t o r t c 电r m 机i n 。a i 电v o 压l t a 仿g e 真w 波a v 形e f o r ms i m u l a t i o n h 口l 图3 7 为u u b 实测波形，图中1 通道为u 。波形，2 通道为u 。波形。 图3 - 8 电机端电压及滤波后波形 h g3 - 8 m o t o r t e r m i n a l v o l l a g e w a v e f o r ma n da f t e r f i l t e r i n g 由式( 3 】3 ) 可知，丘。：o 刚，。t 三( u 。+ u 。) 。要得到e 。的过零点，电压比较器的 参考电压u 呵= ；( u 。+ u ) 。图3 9 为u 呵滤波后的仿真波形。 固 | 服一 囊臣：毫 西安理工大学硕士学位论文 图3 - 9 u 呵滤波后仿真波形 f i g 3 - 9 【，矿a f t e rf i l t e r i n gs i m u l a t i o nw a v e f o r m 图3 9 为u 一滤波后的仿真波形，可以看出波形并不稳定，所以作为比较器的参考电 压是很难保证比较结果准确性的，会带来电机换相的误动作。 图3 1 0 为滤波后的端电压，比较器电压参考值u ，盯以及过零点检测信号的仿真波形。 j 1 。厂h 。， 厂1 ，八_ 厂1 ， 。、， 。 ， uu一厂u刀 图3 。1 0 滤波后端电压、u 。，及过零点检测信号仿真波形 f i g 3 1 0e m u l a t ew a v e f o r m so ft e r m i n a lv o l t a g ea f t e rf i l t e r i n g ，u ，盯a n dz e r o c r o s s i n gp o i n t 图3 - 1 0 中c h 2 为滤波后的端电压波形，c h 3 为比较器电压参考值u 耐，c h l 为过零点 检测信号的波形，c h 4 为放大后的过零点检测信号波形，由图中可以看出由于参考电压【，耐 本身就不能保持稳定，所以造成了比较结果不准确，在过零点附近有反复跳变的情况发生， 这将导致电机换相机构的误动作，易造成电机失步，降低系统的可靠性。 3 3 4 基于相电压的反电势过零点检测方法 如果将检测电路与u 。的负极断开，则根据对称性的原理，= 配，因此检测电路输 入电压为相电压。电路图如图3 一1 1 所示 电机的三相相电压方程为 a ； u 朋= r z 工+ 三号 + e x x = a ，岛c ( 3 1 4 ) 口f 以a ，b 相导通时为例，a ，b 两相电流大小相等，方向相反，c 相电流i 。= 0 ，式( 3 1 4 ) 转化为 1 4 反电势法无位置传感器无刷直流电机控制原理厦关键技术研究 u 。= e 。 根据分压原理 u 。= k u ：。 t = 矗，z = a , b , c rr 删+， 因此 e 。= k e 。= u 。 斟3 一l l 基于相电压的反电势检测电路 f i g3 - 1 1 b a s e d 0 1 1 t h ca n t i - p h a s ev o l t a g ed e t e c t i o nc i r c u i t p o t e n t i a l 图31 2 为u 州u 蛔仿真波形，c h l 为u 硼波形，c h 2 为u 抽波形。 | i l f i 悱帆加肌i 旨瓦富百暑i 盏广1 古1 吉f 砬r 矗茸吨 图3 1 2 相电压仿真渡形 囝3 1 3 相电压实测波形 f i g3 - 1 3p h a s e v o l t a g e w a v e f o r m m e a s u r e d ( 31 5 ) ( 31 6 ) ( 3 1 7 ) 嗲 西安理工大学硕士学位论五 u 。及滤波后波形如图3 - 1 4 所示，其叶1c h 2 为u 岍波形，c h i 为滤波后波形 r 1 r 。1 。一。1 。r 。h ，。1 。一 ：协m 一 。【，一一一d 0 0 o 图3 王4 相电压及滤波后仿真波形 f 追3 - 1 4 a f t e r f i l l e r h l ga n dp h a s ev o l t a g e w a v e 自r ms i m u l a t i o n 由式( 37 ) 可知 u ，进行过零点比较 以保证恒定。 当 、b 两相导通时tu 。的过零点即为e 。的过零点，所以只要将 即可得到e 。的过零点。参考电压u ，为比较器供电电源的地，可 图3 1 5 滤波后的相电压过零点检测电路输出信仿真波形 f i g3 - 1 5 f i l t e r i n go f t h ez e r o v o l t a g e d e t e c t i o nc i r c u i ts f r n u f a t i o n w a v e f o r m o u t p u ts i g n a l 图3 一l j 为滤波后的相电压及过零点检测电路输出信号波形，c h i 为比较器的参考点， 即供电电源的地，c 1 1 2 为滤波后的相电压信号，c h 3 为反电势过零点检测电路输出信号， c 1 1 4 为放大的过零点检测信号。由c h 4 的波形可以看到反电贽过零点检测信号没有产生靛 跳变现象，提高了控制系统的可靠性和稳定性。因此基于相电压的转子位置检钡4 方法是优 于基于端电压的转于位置检测方法的。 3 3 5 滤波器设计 由于无刷直流电机调蘧系统采用p 删调制方式，所以在检测电路中会引入高频的干扰 信号，如图3 8 所示。因此必须对采集到的相电压波形进行滤波，滤除干扰信号，这样才 能准确的得到相电压的过零点。滤波方法可以采用模拟滤波法或数字滤波法实现。 a 模拟滤波法 滤波器按不同的频域或时域特性要求，可分为巴特沃兹( b u t t e r w o r t h ) 型、契比雪 夫( c h e b y s h e v ) 型、贝塞尔( b e s s e l ) 型、椭圆形等标准型。其中，巴特沃兹型滤波器具 有最平坦的通带幅频特性：契比雪夫型特点是通带内增益有波动，但这种滤波器通带边界 回 反电势法无位置传感器无刷直流电机控制原理及关键技术研究 下降快；贝塞尔型通带边界下降较为缓慢，其相频特性接近线性；椭圆型的滤波特性很好， 但模拟电路复杂，原件选择较为困难，故不常采用“蚰。由于本文采用的电机为5 对极， 额定转速为3 0 0 0 r m ，相电压最高频率为2 5 0 h z ，而p l j i l , l 调制频率为8 k h z ，所以对过渡带 的衰减速度要求不高，巴特沃兹滤波器主要特点是因为阻尼较大，通带内有最大平坦段， 过渡带衰减较慢，虽然因此选择性较差，但换来了通带内的相频特性接近线性。因此，综 合考虑后选用巴特沃兹滤波器。 在设计滤波器时，通常给定的性能指标有截止频率f 或截止角频率啦，带内增益彳一 以及滤波器的品质因数q 。由于滤波后的信号要用来指导电机换相，所以滤波器器的相频 特性也是关注的重点，要求相位延迟) ，不大于3 0 。电压控制电压源型巴特沃兹滤波器电 路如图3 - 1 6 所示： 图3 1 6 巴特沃兹滤波器电路图 f i g 3 - 1 6b u t t e r w o r t hf i l t e rc i r c u i t 分析表明，图3 1 5 所示电路的传输函数的表达式为： 丁工，( s ) 一 ( 去+ 击柙一，去卜+ 志 ( 3 1 8 ) 滤波器的性能参数表达式为： ，。j ! 一 ( 3 1 9 ) n _ 1 = = = = = = = = = = = = = = = 、7 。弋rlr2clc2 口。l 竺! 墨22 呈：兰垒三查丝2 墨! 竺!( 3 2 0 ) “t ；= = = = = = = = = = = 一 j l v rl r2c lc2 k 。ct + + 鲁 2 d 式( 3 2 0 ) 中口的取值会使滤波器具有某些特点，当取口；2 时，会得到平坦区最 大的幅频特性。幅频特性的一3 d b 点将是。滤波器的相位特性曲线是非线性的，因此不 同频率的信号经过滤波器后会产生不同的相移，其阶跃响应会产生约1 0 的过冲。具有这 种幅频特性形状的滤波器，称为巴特沃兹型滤波器。 相频特性为： m 卜a r c 胁孝争 ( 3 2 2 ) 式( 3 2 2 ) 表明了滤波器的相位特性的非线性往往是很严重的。对于模拟滤波器来说 相位特性也不能与幅频特性同时满足设计要求，对于从幅频特性出发设计完成的滤波器只 能使考察一下相位特性如何而已。而考察的最重要目的是关心滤波器的群延迟特性。群延 1 7 西安理工大学硕士荦位论支 迟是相频特性o ( , o ) x tc o 的导函数，若用r ( ) 表示，即 。( 。) 。上日( 。) ( 32 3 ) 对于低通滤波器有 ，( 。) 型坐盟一旦；譬生 ( 3 2 4 ) w 综合考后可以通过计算结合仿真分析设计出需要的滤波嚣。 图3 1 7 为在m u l t i s i m 中仿真得到的相电压和滤波器滤波后的仿真波形。其中c h 2 为 未滤波波形，c h l 为滤波后波形。 f i g3 - 1 7 m l e t f i l t e r i n ga n dp h a s ev o l t a g e w a v e f o r ms i m u l a t i o n 图3 1 8 为电机相电压和滤波器滤波后信号实测波形，其中2 通道为电机相电压波形 1 通道为相电压滤波后波形。 幽3 1 8 相屯压