（电机与电器专业论文）“直接反电势法”无刷直流电机控制系统的设计和研究.pdf

东南大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h eb i n s h l c s sd cm o t o r f 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 y , a n di th a s b e e nr a p i d l yd e v e l o p i n gi 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 fp o w e re l e c t r o n i ct e c h n i q u e a 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 w i t hi t sw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s ，t h e s e n s o r 】e s sc o n t r o le s p e c i a l l yb a c k - e m fm e t h o do ft h em o t o r si sm o t eu s e f u lt h a ns e n s o rc o n t r o li nm a n y a p p h c a t i o n s i nt h i st h e s i s ，t h ec o l n l n o nm e t h o d so fs e n s o r l e s sc e n t r e io fb l d c ma r ep r e s e n t e d ，a n dt h ep r i n c i p l e o fb a c k e m e t h o di si n t r o d u c e di nd e t a i l t w ok i n d so fm e t h o d so ft h ez e r o c r o s s i n go fb a c k e m f s e n s i n ga r ea n a l y z e d ，a n dt h em e t h o do fd i r e c tb a c k - e m fi sa d o p t e dt od e s i g nt h ez e r o - c r o s s i n go f b a c k - e m fs e n s i n gc i m u i ti nw h i c ht h em e t o tn e u t r a lp o i n tv o l t a g ei n f o r m a t i o ni s n tn e e d e d t h ez e r o c r o s s i n gs i g n a lo ft h et r u ep h a s eb a c ke m f c a nb ed i r e c t l yo b t a i n e df r o mt h em o t o rt e r m i n a lv o l t a g eb y p r o p e r l yc h o o s i n gt h ep w m a n ds w i t c hc o n t r o ls t r a t e g y a st h er e s u l t ，t h em e t h o dp m p e s e di sn o ts e n s i t i v e t ot h es w i t c h i n gn o i s e ，n of i l t e r i n go ft h em o t o rt e r m i n a lv o l t a g ei sr e q u i r e d t h ec i r c u i tm o d e li s e s t a b l i s h e db yp s p i c es o f t w a r ea n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f vt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s i nt h i ss y s t e r n t h eb l d cm e t o ra p p l i e di nt h em a s s a g ec h a i ri su s e da sas a m p l ea n dt h eh a r d w a r eo ft h eb l d c mc o n t r o l s y s t e r no nd i r e c tb a c k - e m fm e t h o da r ed e s i g n e d e a c hp a r to ft h i ss y s t e r ni si n t r o d u c e di n d e t a i l i n a d d i l i o n a l ，t h em e t h o d st or e d u c ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e f e m l la r ea l s oa n a l y z e d t h ec o m m o ns t a r tm e t h o d so fs e n s o r l e s sb 1 2 3 c mc o n t r o ls y s t e ma r ei n t r o d u c e d a n dt h et h r e e - s t e p s t a r tt e c h n i q u e ，i n c l u d i n gt h er o t o rp r e s e t t i n g ，a c c e l e r a t i n ga n d s t a t e - c h a n g i n gs t e p ，i sd i s c u s s e dc a r e f u l l y 1 1 l ec o n t r 0 1s o f t w a r ef l o wo fd i r e c tb a c k - e m fi si n t r o d u c e da r o u n dt h r e e s t e ps t a r tt e c h n i q u ei nd e t a i l f i n a l lv n ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h em e t h o du s e f u la n dc o r r e c t k e yw o r d s ：b l d c m ，p o s i t i o ns e n s o r l e s s ，d i r e c tb a c k - e m f ，t h r e e - s t e ps t a r tt e c h n i q u e i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明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 取得的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或 其它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。 研究生签名：壶蔓盛日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生躲耸导师虢牡日期：驴六眇g 绪论 0 i 概述 绪论 随着微处理器技术的发展，高频率、低功耗新型电力电子器件的应用，以及控制方法的优化和 低成本、高磁能积永磁材料的出现，无刷直流电动机( b r u s h l e s sd cm o t o r ，以下简称b l d c m ) 已 发展成为一种新型机电一体化电机。它既保留了普通直流电动机良好的调速性能，又具有无滑动接 触和换向火花、可靠性高、使用寿命民及噪声低等优点，因而在航空航天、工业自动化、医疗器械、 信息产业、计算机外围设备和家用电器等方面都获得了广泛应用。 表0 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价比的提高，这种优越性将更加明显。 表0 1 三种电机的性能比较 性能机械 过载能力可控性 平稳性 噪声维护体积 效率成本 系统特性 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 0 。2 无刷直流电动机的发展概况 长期以来，在调速领域内传统的直流电动机以其优良的转矩控制特性占据主导地位。由于直流 电动机采用机械方式换向，在电刷和换向器之间存在机械摩擦，由此带来了噪声、火花等缺点。为 了取代有刷直流电动机电刷一换向器结构的机械接触装置，人们对此进行了长期的探索。早在1 9 1 5 年，美国人兰格米尔( 1 a n g m i i i ) 发明了带控制栅极的水银整流器，制成了直流变交流的逆变装置。 1 9 1 7 年，b o l i g e r 提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电动机的 基本思想。上世纪三十年代，有人开始研制以电子换向取代电刷机械换向的直流无刷电动机，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 年美国的d 哈利森( h a r r is o n ) 等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电动机机 械电刷的专利，标志着现代无刷直流电动机的诞生”1 。随着半导体技术的飞速发展，人们对1 8 7 6 年 美国人霍尔发现的霍尔效应再次发生兴趣，经过多年努力，终于在1 9 6 2 年试制成功了借助霍尔元件 换流的无刷直流电动机，从而开创了无刷直流电动机的新纪元。 上世纪六十年代末至七十年代，有关无刷直流电动机的文献开始出现。1 9 7 8 年原西德 m a n n e s 姒n n 公司在汉诺威贸易博览会上推出m a c 方波无刷直流电动机及其驱动器，标志着方波无刷 直流电动机技术进入实用阶段。尤其是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动机在理论上达到了 成熟“。 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干u 正弦波无刷电 机。正弦波型永磁无刷电动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 东南大学硕士学位论文 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动机，或者称为方波电机，其反电势基本为梯形波，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动机，在本论文中不做特殊说明的地方均指这类电机。 我国无刷直流电动机的研制工作始于上世纪七十年代初，主要集中在一些科研单位和大专院校。 原电子部2 l 所是我国最早开发无刷直流电动机的单位之一，1 9 7 8 年在总结多年研究成果的基础上， 撰写出版了我国最早的“无刷直流电动机”专著，对促进我国无刷直流电机的发展起到了重要的推 动作用。尤其在近十几年来，随着电机技术及其相关学科的发展，无刷直流电动机得到了日益“泛 的应用。 0 3 无刷直流电动机的控制方法 按照有无转子位置传感器，无刷直流电机的控制方式可以分为：有位置传感器控制方式和无位 置传感器控制方式。 有位置传感器控制是在无刷直流电动机定子上安装位置传感器来检测转子位置而控制定子绕组 换相，所用的位置传感器有电磁式位置传感器( 如磁阻式旋转变压器) 、光电式位置传感器( 如遮光 板) 、磁敏式位置传感器( 如霍尔位置传感器) 等，其中霍尔传感器的使用最为广泛。 无位置传感器的无刷直流电动机控制法，不直接在无刷直流电动机的定子上安装位置传感器来 检测转子位置，它一般采用反电势法、电感法、状态观测器法、磁链计算法和入工神经网络法等几 大类方法来间接检测转子的位置。 0 3 1 有位置传感器控制方式 有位置传感器的无刷直流电机控制，通过位置传感器捕捉转子的位置及其变化，改变三相绕组 的通电方式，对定子绕组进行换相，整个控制过程与以下几个因素有关。 1 位置传感器 位置传感器是组成无刷直流电动机系统的三大部分之一，也是区别于有刷直流电动机的主要标 志，其作用是检测主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信号，为逻辑 开关电路提供正确的换相信息，以控制它们的导通与截止，使电动机电枢绕组中的电流随着转子位 置的变化按次序换向，形成气隙中步进式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转。位置传感器 的种类很多，有电磁式、光电式、磁敏式等，它们各具特点，而磁敏式霍尔位置传感器具有结构简 单、体积小、安装灵活方便、易于机电一体化等优点，是目前应用最广泛的传感器。 2 换相的实现 根据电动机的旋转情况，得出霍尔位置信号和绕组电流换向的对应表。电动机旋转时，根据霍 尔信号和换相顺序对应表实现换相。 3 速度闭环 采用p i d 控制算法，使电机在负载运行时保持期望的转速。 4 起动过程及初始方向 有位置传感器的无刷直流电机起动过程控制比较容易实现，只需增大电机起动时的电压或电流， 直到电机旋转。 根据电机静止时的位置信号，按照正向( 或反向) 换相顺序进行通电，即可确保电机的初始旋 转方向。 2 绪论 0 3 2 无位置传感器控制方式 无位置传感器控制方式是指b l d c m 不安装转子位置传感器，但在电机运转过程中，控制电机换 相的转子位置信号是必不可少的。因此，b l d c m 无位置传感器控制研究的关键是设计转子位置信号 检测电路，通过软硬件间接获得可靠的转子位置信号。为此，国内外学者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凡类5 、“”： 1 磁链计算法 电机磁链信号和转子位置直接相关，因此，可以由转子磁链来确定转子位置信号。但电机转子 磁链不能直接检测得到。为了获得磁链值，必须先测量电机的相电压和电流，建立不依赖于转子速度 而直接与转子磁链相关的函数方程，获得磁链值。这种方法计算最大，而相电压和电流中含有大量 的干扰信号，准确测量又需要很高的软硬件成本，因此很少采用。 2 反电势法 通过检测电机反电势( b a c k - e l e c t r o m o t i v e f o r c e ，以下简称b a c k - e m f ) 来获得转子位置信号的方 法，一般统称为“反电势法”1 。由于成本或工艺的原因，大多数无刷直流电动机不引出绕组中点， 反电势过零检测法主要通过检测电动机端电压获取反电势过零点。其方法有： ( 1 ) 传统反电势法( 也称为低通滤波法) 文献 1 0 、1 1 、1 2 1 介绍了采用低通滤波器对无刷直流电动机端电压进行滤波来获得反电势过零 信号。其中，文献【1 1 1 对端电压进行低通滤波后，通过与直流电源的中点电压相比较，获得反电势 过零信号。文献1 1 2 1 先将三相绕组的端电压进行低通滤波，通过构建三相对称星形电阻网络模拟电 动机中性点获取参考电平，再将滤波后的各相端电压与参考电平相比较，获取反电势过零信号。在 文献 1 1 、1 2 1 ，分别使用了一阶无源低通滤波器和二阶有源低通滤波器对端电压进行滤波。 ( 2 ) 直接反电势法( 也称为p 蹦关断检测法) s h a oj i a n w e n 在文献f 1 3 、1 4 、1 5 1 提出了在p w m 斩波脉冲信号关断阶段检测反电势过零点 的方法。这种方法要求逆变器以上桥臂p w m 调制、下桥臂恒通的调制方式工作，在p 形m 斩波脉 冲信号关断阶段，电动机中性点电压接近于直流电源负端电压，此时，悬空相端电压即为该相绕组 的反电势，将该反电势与直流电源负端电压或某偏置电压比较即可得到反电势过零信号。这种方法 不需要对端电压分压，只需利用稳压二极管将其钳制在某个区间即可，同时不使用滤波器，检测到 的反电势过零点没有相位的滞后，延时对应3 0 0 电角度时间电动机即可换相。文献1 1 4 1 针对前述该方 法在p w m 斩波脉冲信号关断阶段，电动机中性点电压不等于直流电源中点电压的情况下，提出了 补偿方法。文献 1 5 1 提出在p w m 斩波脉冲信号占空比接近1 0 0 时，改为在p w m 斩波脉冲信号开 通阶段检测反电势过零点，以弥补该方法的不足。 但在p w m 斩波脉冲信号开通阶段，不使用滤波器丽直接检测反电势过零点，由于功率管开关 或电动机电感等原因引起的噪音可能会影响检测效果。 ( 3 ) 数字计算法 根据无刷直流电动机的电压方程，可以通过对三相端电压的数学运算得到悬空相反电势过零点。 文献 1 6 、1 7 、1 8 提出了对三相端电压经过低通滤波后，进行模数转换，由控制器对获取的数据进 行计算，得到过零时刻。这种方法若不使用低通滤波器，则因为p 朋l f 斩波脉冲信号的干扰，可靠 性难以保证，对a d 转换器件要求较高；若采用低通滤波器，会产生与电动机转速有关的滞后相移。 k u a n g y a oc h e n g 在文献 1 9 中所设计的数模混合专用j c 采用了这种方法，为了解决上述干扰 问题，专用i c 采用低通滤波器对电动机端电压进行滤波，并补偿低通滤波器带来的相位延迟。 反电势过零检测法是目前应用晟广泛的无位置传感器无刷直流电动机控制方法。 3 反电势3 次谐波积分法” 由于b l d c m 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 3 东南大学硕士学位论文 电压的叠加，就可以获得反电动势的3 次谐波及3 的奇数倍次谐波，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换相时刻。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来得到反电动势的3 次谐波分量；当电机的中性点没有引出时，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，滤掉谐波的高次分量，由于高次分量的最低频率为9 倍基波频率，对滤波器要求低。因而它 比反电动势直接过零比较法有更宽的速度运行范围。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，特别是低速情况下，3 次谐波信号更弱，难以获得转 子位置信号。 4 续流二极管法1 这种方法是通过监视并联在逆变器功率管两端的自由换向二极管的导通情况来确定电机功率管 的换向时刻。b l d c m 三相绕组中总有一相处于断开状态，于是通过监视6 个续流二极管的导通、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 的速度下限。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。 5 电感法 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。第一种方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。在凸极电机中，绕组自感可表示成绕组轴线与转子直轴间夹角的偶次余弦函数，通过检测绕组 自感的变化，就可判断出转子轴线的大致位置，再根据铁心饱和程度的变化趋势确定其极性，从而 最终得到正确位置信号。这种方法难度较大，且只能应用于凸极电机，所以现在较少应用。与第一 种方法相比，第二种方法才是真正意义上的电感法。在内嵌式永磁无刷直流电机中，绕组电感会因 为转子位置的改变而发生相应变化，通过检测这些变化，再经过一定计算，即可得到转子位置信号。 该方法中，需要对绕组电感进行不问断的实时检测，增加了实现的难度，应用不是很广泛。 6 状态观测器法 “状态观测器法”的基本思想就是以电机的转速、转子位置角、电流等参数为状态变量，在定 义状态变量的基础上建立电机的数学模型，通过数字滤波得出状态变量的离散值，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f 难于控制的问题，其良好的抗干 扰能力使其更适用于恶劣的工作环境。“状态观测器法，庞大的运算量在一定程度上限制了它的应用。 这种方法一般采用数字信号处理器( d s p ) 来承担庞大的运算量，因而增加了系统成本，在实际应用 中并不多见。从使用的观测器种类来划分，可分为扩展卡尔曼滤波法( “e x t e n d e dk a l m a nf i l t e r ”， 简称e k f ) 和维纳滤波法。 7 人工神经网络( a n n ) 控制法 “人工神经网络法”是在观测器法的基础上，使用人工神经网络技术而诞生的一种控制方法。 它通过自适应技术，模糊控制策略或神经网络控制策略来建立被烈4 相的电压、电流和转子位置的相 互关系，基于被测相电压和电流来独立地获得转子位置信号，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、自学习等特性，可在线设计神经网络自适应学习规则，因此在解决速度和 位置推算、对电动机参数和负载扰动的自适应问题以及对测量噪声敏感等问题上有其独特的优点。 此外国内外许多学者还提出了其他一些无位置传感器b l d c m 控制理论和方法。如涡流法”“， 即在转子表面安装非磁性材料，通过检测园该材料中涡流而造成的断开相电压改变来获得转子位置 信号的方法；还有电流法，即根据电流波形决定换向时序的方法；以及矢量表法等控制方法。这些 4 绪论 方法实现难度较大，对控制要求的条件比较苛刻，只在一些特殊场合应用。 随着控制理论的不断发展，智能控制在无位置传感器控制中的应用已经成为一种新趋势。许多 现代控制理论如p i d 控制、模糊算法、神经元网络和专家系统等，均被用于无刷直流电动机的控制 中。其中，经典p i d 控制与模糊控制相结合的f u z z y - p i d 控制，人工神经网络和模糊控制相结合的 复合控制，以及遗传算法和模糊控制相结合的控制方法代表当前智能控制的研究方向”。智能控制 法是控制理论发展的高级阶段，其最大特点是具有自学习、自适应、自组织等功能，能够解决模型 不确定性问题、非线性控制问题以及其它较复杂的问题。严格来说，b l d c m 是一个多变量、非线性、 强耦合的控帝8 对象，利用智能控制方法可以建立被测相电压、电流和转子位置的相互关系，获取转 子位置信号。但是这些方法在理论上还需要进一步研究，技术上实现还有一定困难。然而，随着微 处理器和数字信号处理器技术的发展和控制理论的不断成熟，智能控制方法必将会进一步推动无刷 直流电动机控制技术的发展。 0 3 3 有位置传感器控制与无位置传感器控制的比较 无刷直流电机运行时需要检测转子磁场位置信号，以控制逆变器功率管的换流，从而实现电机 的同步运行。有位置传感器的无刷直流电动机控制是通过位置传感器检测转子位置，以保证各相绕 组的正确换流，因此电机内部必须安装位置传感器，而位置传感器的存在带来许多缺点： i 电机和控制线路间联接元件增多，抗扰性变差。 2 一些环境因素( 如温度、湿度、振动) 影响传感器的精度； 3 相对于无位置传感器系统，系统的成本增加( 包括传感器和电子线路) 。 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。 5 不能适应特殊应用场合的要求，因此它们多用于常用电器的驱动场合，如洗衣机电机控制， 电动自行车电机控制等。 由此可见，虽然有位置传感器的驱动方式简单，方便，相对于无位置传感器方式在控制上有比 较大的优势，但在一定程度上限制了b l d c y 的推广和应用。在很多特殊场合，比如高温、高压等环 境下，必须采用无位置传感器控制方式。因此无刷直流电机的无位置传感器控制近些年来已成为 研究的热点：另一方面，随着无位置传感器控制方式一些问题的解决和性能的提高，其应用范围也 越来越广。 o 4 课题研究的背景、目的及内容 随着世界范围内能源危机的到来，人类更加关注保护环境、节约能源以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、转矩等的精确控制，以使驱动机械运动达到预定的技术性能，从而促进了电动机与 电子产品紧密结合的机电一体化产品的发展，而永磁直流无刷电动机就是这类典型的产品之一。 同时，无刷直流电机楚近几年小电机行业发展最快的品种，随着视昕产品“小、轻、薄”化和 家电产品的静音化以及豪华轿车需求量增多，对无刷直流电动机的需要量迅速增加。无刷南流电机 用电子换向替代了电刷和机械换向器，具有高可靠、高效率、寿命长、调速方便的优点。各国都加 快了开发新产品的速度和占领市场的力度。日本不少公司已将无刷直流电机应用到数码照相机、微 型收录机、摄影机、打印机、存储驱动器、手机以及汽车空调、洗衣机、吸尘器、电动车和心脏泵 等设备。 5 东南大学硕士学位论文 在无位置传感器控制方式中比较成熟和应用比较广泛的是“反电势法”。但是，传统的“反电 势法”由于是通过滤波电路间接获得反电势过零点，且使用滤波电路得到的转子位置信号在不同转 速下补偿角度不一样。虽然该方法应用比较广泛，但仍存在很多问题，这些问题的解决将有助无位 置传感器无刷直流电机更广泛的应用。因此，在这方面做进一步的研究具有十分重要的理论意义和 实用价值。 本课题的主要研究内容以i n t e l 的高性能1 6 位单片机8 0 c 1 9 6 m c 为核心，设计研制一套新型的 “直接反电势法”采样处理位置信号的b l d 跏控制系统硬件电路，并用汇编语言编写并调试该控制 系统的软件。论文的具体工作如下： i 详细介绍“直接反电势法”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 检测方法进行理论分析。 2 研究与设计直接反电势过零点检测电路，不用对端电压进行低通滤波，解决一般反电势法滤 波电路引起的移相补偿随转速变化的问题，并用p s p i c e 对直接反电势过零点检测电路进行建模与仿 真验证。 3 研究与设计“直接反电势法”无位置传感器无刷直流电机控制系统的硬件电路，包括控制电 源的设计、微处理器的选择、驱动逆变电路和保护电路的设计等，并在设计中考虑软硬件抗干扰措 施。 4 先编制有位置传感器控制程序，用有位置传感器控制方式带动电机旋转，得到端电压波形， 输入直接反电势检测电路，测试验证位置检测电路能正确检测到几个关键位置信号，即反电势过零 点，并给出实验结果。 5 、研究常用的无位置传感器控制起动方法，并对b l d c m 控制中常用的“三段式”起动技术进行 了详细的分析。围绕“三段式”起动方法编写“直接反电势法”程序，并使电机顺利起动且能在较 低速度切换。 6 完成“直接反电势法”无位置传感器无刷直流电机控制系统的调试，包括硬件电路的调试， 系统软硬件联调，并给出实验结果。 7 ，分析所研制控制系统目前存在的一些问题和不是，提出解决方法。 6 第一章“反电势法”b l d c m 的控制原理 1 1 引言 第一章“反电势法”b l d c m 的控制原理 无刷直流电机控制采用了无位置传感器技术后，避免了传感器所带来的多种弊端，降低了电机 的成本，增强了系统的环境适应性和可靠性，为无刷直流电机向小型化发展提供了前提条件，也为 无刷直流电机在特殊场合下的应用提供了技术保障。国内外针对无位置传感器技术提出了多种控制 方法，取得了不少的理论成果和实践经验。在各种方法中，“反电势法”因为具有简单而又有效的特 点，所以较多也较早的为大家所熟悉和研究。它可分为传统“反电势法”、“直接反电势法”和数字 计算法，目前应用最多的还是传统“反电势法”，而“直接反电势法”是对传统“反电势法”的改进 和提高。本章主要研究无刷直流电机的运行原理及“反电势法”b l d c m 控制的一般原理。 1 2 无刷直流电机的工作原理 一般的有刷永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，由其在电动机气隙中产生磁场。电枢绕 组放在转子上，通电以后产生反应磁场。由于电刷的换相作用，使得这两个磁场的方向在电机运行 过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩驱动电动机不停的旋转。 无刷直流电动机为了实现直流电动机的无电刷换向，首先要求把一般有刷直流电动机的电枢绕 组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，与传统永磁直流电动机的结构刚好相反。但仅这样做还是 不行的，没有了电刷的换流作用，用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不 能与运动中的转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用而产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以， 无刷直流电机除了由定子和转子组成电机本体外，还要有位置检测电路、电子换向电路来共同构成 电子换向装置，由位置检测器提供转子位置信号，经控制器逻辑处理后，控制电子换相电路换相， 使定子绕组所产生的电枢磁场与转子磁钢产生的永磁磁场相互作用，产生持续不断的转矩，保证电 机连续运转3 。 由此可见，无刷直流电机的电机本体结构和永磁同步电动机基本相似，但是投有笼型绕组和其 他起动装置。其定子绕组一般为多相( 三相、四相、五相等) 结构，转子按一定极对数( p = 1 ，- ，2 。) 组成。无刷直流电机的运行方式因电动机本体的绕组型式不同而各异，多数无刷直流电机的定子绕 组是三相绕组，本文主要针对这种结构的无刷直流电动机来进行分析研究。 三相绕组无刷直流电机绕组的连接方式有三相星形连接和三相三角形连接。三相星形连接有两 种运行方式：三相半控电路方式和三相全控电路方式，图卜1 所示为三相全控电路方式。三相半控 电路方式结构简单，但是每个绕组只通电1 3 周期的时间，因此绕组利用率低，转矩波动大。三相 全控电路运行方式转矩脉动小，绕组利用率高，在大部分场合都采用三相全控电路方式。三相全控 方式因同时导通的绕组数的区别而分为两两导通方式( 也称为1 2 0 。导通方式) 和三三导通方式( 也 称为1 8 0 。导通方式) 。本文以星形连接、两两导通三相六状态无刷直流电动机为研究对象，下面说 明其工作原理。 假设转子转到图1 - 2 ( a ) 所示的位置时，通过位置检测，控制器输出控制信号使功率开关管v 1 、 v 2 导通。即绕组a 、c 通电，电流流通路径为：电源正极一v 1 管一a 相绕组一c 相绕组一v 2 管一 电源负极，两相绕组中的电流在空间产生的合成磁场方向为如图1 - 2 ( b ) 中所示的f a c 的方向。定 子磁场与转子磁场相互作用，使转子沿图1 2 ( a ) 箭头方向( 顺时针) 转动。当转子转到如图1 2 7 东南大学硕士学位论文 逆变器 图1 - 1 无刷直流电机三相全控电路 ( c ) 所示位置后，转子位置传感器输出变化，经控制器逻辑变换后使v 1 管关断，v 3 管导通，即 绕组b 、c 通电，电流流通路径为：电源正极一v 3 管一b 相绕组一c 相绕组一v 2 管一电源负极，这 时，两相绕组中的电流在空间产生的合成磁场方向为如图1 2 ( d ) 中所示的f o c 的方向。定子磁场 与转子磁场相互所用，使转子继续朝顺时针方向转动，如图1 2 ( c ) 箭头所示。当转子转到如图1 - 2 ( e ) 所示位置后，转子位置传感器输出变化，经控制器逻辑变换后使v 2 管关断，v 4 管导通，即 绕组b 、a 通电，电流流通路径为：电源正极一、r 3 管一b 相绕组一a 相绕组一v 4 管一电源负极，这 时，两相绕组中的电流在空间产生的合成磁场方向为如图1 - 2 ( f ) 中所示的f o a 的方向。该磁场与 转子磁场相互作用，使转子保持朝顺时针方向转动，如图1 - 2 ( e ) 箭头所示。依此类推，转子沿顺 时针每转过6 0 。电角度，功率开关管切换一次，功率开关管导通逻辑为v l v 2 一v 2 v 3 一v 3 w v 4 v 5 一v 5 v 6 一v 6 v 1 ，转子磁场始终受到定子合成磁场的作用，沿顺时针方向连续转动。不难 看出，在换相过程中，定子绕组电流在空间内所形成的合成磁场不是连续的旋转磁场，而是一种跳 跃式的旋转磁场，每个步进角度为6 0 。电角度。 o f c ( a ) f b c ( d ) ( b ) 一 ( e ) 图卜2 开关顺序及定子磁场旋转示意图 8 ( c ) ( f ) h 第一章“反电势法”b l d c m 的控制原理 从上述的分析中可咀看出，转子每转过6 0 。电角度，逆变器开关管之间就进行一次换流，定子 磁状态就改变一次。如果标记v i v 2 功率管导通时的状态为状态l 的话，后面依次可以标记为状态2 、 3 、4 、5 、6 。电机总共有六个磁状态，每一个磁状态都是两相导通，每相绕组中流过电流的时间相 当于转子旋转1 2 06 电角度的时间，每个开关管的导通角为1 2 0 。电角度，所以这种逆变器称为1 2 0 。导通型，这种导通方式习惯上也称之为1 2 0 。导通方式。两两导通三相六状态b l d c m 的三相绕组 与各开关管导通顺序如表i i 所示。 表卜l 六个状态区间功率管导通顺序和绕组电流方向 状态1状态2状态3状态4状态5状态6 导通 v i v 2v 2 v 3v 3 v 4 v 4 v 5v 5 v 6v 6 v i 开关管 电流 a +c b +a c +b c b +a c +b a + 方向 1 3b l d c m 数学模型 由于b l d c m 的气隙磁场、反电势、以及电流波形是非正弦的，因此采用直、交轴坐标系统分 析并不是很有效。通常直接利用电机本身的相变量来建立数学模型。以二相导通星形三相六状态为 例，分析无刷直流电机的数学模型和电磁转矩等特性。假设三相绕组完全对称，磁路不饱和，不计 涡流和磁滞损耗，忽略齿槽效应、换相过程和电枢反应等的影响，则三相绕组的电压平衡方程式可 表示为： u 4 u t , u c ，0 o， o 0 z 1 6 l c 上 lmm mlm mml 式中，“。、“6 、“。三相绕组的端电压( v ) 屯、i 6 、t 三相绕组的相电流( a ) 、e 6 、e 。三相绕组的反电势( v ) + 巳 e 6 吃+ 巨 ( i - 1 ) u 中性点电压( v ) ； 相绕组自感( h ) ： 肘每两相绕组间的互感( h ) ； p 馓分算子，p = d d t 。 因为转子磁阻不随转子位置变换而变化，所以定子绕组的自感和互感为常数。由于三相绕组为星形 连接，则有 并且 i 口+ i 6 + i 。= 0 m i + m i b = 一m t ： 9 ( i - 2 ) ( 1 - 3 ) 东南大学硕士学位论文 将式( 1 - 2 ) 、( 1 - 3 ) 代入式( 1 - 1 ) ，得电压方程为 u u b “c ， 00 oro 00r 令三一肘= 上f ，则得 u 4 u b u c r0 0r 00 + + 工一m00 0一m 0 0 0工一m l d 0 0 l 5 00m ! + 巳 e 铫 上 + u 4 “ “ e o e 。 + u “ u “ u “ ( 1 - 4 ) ( 1 - 5 ) 式( 1 - 5 ) 中等号右边第二项是绕组电流变化引起的感应电势，即变压器电势，第三项为激磁电势 即反电势。电磁功率为 电磁转矩为 己= e 。f 。+ e b i b + 巳t l = e i 。+ e b i b + e c i c 根据电压方程得电机的等效电路图，如图1 - 3 所示。 图1 - 3b l d c m 等效电路图 1 4 “反电势法”b l d c m 控制原理 ( 1 - 6 ) ( 1 - 7 ) 无刷直流电机中，受定子绕组电流合成磁场的作用，转子沿着一定的方向连续转动。电机定子 上放有电枢绕组，因此，转子一旦旋转，就会在空间形成导体切割磁力线的情况，根据电磁感应定 律可知，导体切割磁力线会在导体中产生感应电势。所以，在转子旋转的时候就会在定子绕组中产 生感应电势，由于该电势方向与绕组中电流的方向相反，因此将其称之为反电动势( b a c k e l e c t r o m o t i v ef o r c e ) ，简称反电势( b a c ke m f 或b e m f ) 。 对于稀土永磁无刷直流电机，其气隙磁场波形可以为方波，也可以是梯形波或正弦波，与永磁 体形状、电机磁路结构和磁钢充磁等因素有关。对于径向充磁结构，稀土永磁体直接面对均匀气隙， 由于稀r 十永磁体的取向性好，所以可以方便的获得具有较好方波形状的气隙磁场，其理想波形如图 1 - 4 所示。 1 0 第一章“反电势法”b l d c m 的控制贩理 o i 廿m 厂 。 兀l 一2 兀 图1 - 4 方波气隙磁场分布 对于方波气隙磁场的电机，当定子绕组采用集中整距绕组，即每极每相槽数q - - - - 1 时，方波磁场 在定子绕组中感应的电势为梯形波( 如图1 - 5 所示) 。对于两相导通星形连接、三相六状态控制的永 磁无刷直流电机，方波气隙磁密在空间的宽度应大于1 2 0 。电角度，在定子绕组中感应的梯形波反 电势的平顶宽也应大于1 2 0 。电角度”“。方波无刷直流电机一般采用方波电流驱动，即与1 2 0 。导 通型逆变器相匹配由逆变器向方波电机提供三相对称的、宽度为1 2 0 。电角度的方波电流。方波 电流应与反电势相位一致或位于梯形波反电势的平顶宽度范围内，这样才满足“最佳换相逻辑“”1 ， 如图1 - 5 所示。本文研究的“直接反电势法”无位置传感器控制方法主要面向的就是这种具有方波 气隙磁密分布、梯形波反电势的无刷直流电机。下面介绍“反电势法”控制的一般原理。 em 佩，詈，i 5 n 詈詈v 二圹冗 图1 5 梯形波反电势与方波电流 如图1 - 6 ( a ) 所示，在t 0 时刻转子d 轴滞后b 相绕组轴线6 电弧度。为使电机继续按顺时 针方向转动，触发逆变器功率管v l 和v 2 ，电流经v 1 管，从a 相绕组流入，c 相绕组流出，再由 v 2 管回到电源。b 相绕组不通电，没有电流通过，称为悬空相。这时，定子在空间合成磁场方向为 图卜6 ( a ) 中所示的f a c 的方向，f a c 和转子磁场相互作用，推动转子继续朝顺时针方向转动。当 转子转过n 6 电弧度后，在t 1 时刻，转子d 轴正好与b 相绕组轴线相重合。而此时b 相绕组的反 电势e 。正好为零，如图1 - 6 ( b ) 所示。在理想情况下反电势过零点出现在每次换相后n 6 电弧度 的时刻，反过来说也就是从反电势过零时刻开始，延迟n 6 电弧度时间后就是下一次换相时刻。图 1 7 给出了反电势波形和逆变器功率管触发顺序的组合关系，图中不考虑由于功率管开关动作的过 渡过程所造成的反电势信号上升下降中的延迟。图1 8 给出了同一坐标轴上的三相反电势波形。 o a ( a ) z b e e b 万_ 一 i 尸反电势过零点 图1 - 6 “反电势法”原理图 ( b ) 东南大学硕士学位论文 c 。 e 啪 !i ； ； i；j_ t k i 入 ! j t ： e 皿 ； n |入 l i 7 t ： i 砷 l ； v 1 lv 4 t ：v 3 v 6 j啦| i ： ： 墙 忱t 。李了2 k 完了4 k 詈2 兀 图1 - 7 反电势波形和逆变器功率管触发顺序的组合关系 1 j ， e ae be ce a 砑) j 一肝 o i 7 i i 7 图1 - 8 三相反电势波形 从图1 7 和图1 - 8 可以看出，如果能够准确的检测到反电势的过零点信号，就可以判断出转子 的位嚣，经过n 6 电弧度延时处理后，就可确定出换相时刻，再根据功率管的导通顺序触发相应的 功率管以实现方波无刷直流电机的换相，保证电机按固定的方向连续旋转。图1 7 给出了反电势波 形与逆变器功率管导通顺序逻辑关系这样可以保证电机换相满足“最佳换相逻辑”，减小转矩脉动。 1 5 反电势特性分析 为了确定电机转速和反电势大小的关系，同时给后面“三段式”起动技术提供理论依据，这里 以两相导通星形三相六状态无刷直流电机为例，来推导b l d c m 反电势的计算公式，分析无刷直流 1 2 第一章“反电势法”b l d c m 的控制原理 电机的反电势特性。 由前面的分析知道，绕组中的感应电势近似等同于反电势，所以推导出绕组中感应电势的大小 就可以认为是反电势的大小。为了便于分析，公式推导过程中忽略开关管动作的过渡过程和电枢绕 组的电感影响1 。 单根导体在气隙磁场中感应的电势为 e = b d 三v ( v