（电机与电器专业论文）无刷直流电机的调速控制研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t b r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) i san e wk 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 , w h i c hh a sm a d ear a p i dp r o g r e s si nr e c e n ty e a r sw i t ht 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 c t 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 lb l d c mh a sm a n y a d v a n t a g e s ，i n l c u d i n gs i m p l ec o n f i g u r a t i o n ，r e l i a b l ea n de a s yt om a i n t a i nf o ra cm o t o r , a n dt h e c h a r a c t e r i s t i co f h i g he f f i c i e n c ya n dg o o da d j u s t i n gs p e e dp e r f o r m a n c eo f d cm o t o r b l d c m i sw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s i ti sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt h a tb l d c mh a sh i g hs p e e d s t a b i l i z a t i o nu n d e rt h ec i r c u m s t a n c eo f g r i df l u c t u a t i o na n dl o a dd i s t u r b a n c e i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ep r i n c i p l eo fb l d c ma n di t sc o n t r o lm e t h o d sa r ep r e s e n t e d t h em a t h m o d e lj se s t a b l i s h e d t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h ec o n t r o ls y s t e mi sg i v e ni nt h em a t l a b e n v i r o n m e n t e a c hs i m u l a t i o nm o d u l ei sa n a l y z e d t h eh a r d w a r es y s t e mo f t l l eb l d c mc o n t r o is y s t e mb a s e do nt h er e s e a r c ho f c o n t r os t r a t e g y i sd e s i g n e d i nt h i ss y s t e m m o t o r o l am c 6 8 h c 9 0 8 j l 3i su s e da sm c u a n dt h ep o w e rs w i t c h c i r c u i tj sc o m p o s e do fm o d u l ep s 212 4 6 一eo fm i t s u b i s h ie l e c t r i cc o r p e a c hp a r to ft h i s h a r d w a r es y s t e mi si n t r o d u c e di nd e t a i l i na d d i t 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 c i n t e r f e r e n c ea r ea l s oa n a l y z e d t h ec o n t r o is t r a t e g yo ft h es y s t e mb a s e do nt h ep ii ss t u d i e di nd e t a i l d o u b l ec l o s e d 1 0 0 p a n dt h ep a r a m e t e ro p t i m a lm e t h o di si n t r o d u c e d t h es i m u l a t i o nw a v e f o n n sj sa n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n e dh a r d w a r ea n dt h ec o n t r o ls t r a t e g y , t h es o f t w a r eo fc o n t r o ls y s t e m i sg i v e n t h es o f t w a r es y s t e mc o n s i s t so fh ep h y s i c a ll a y e ra n dt h ea p p l i c a t i o nl a y e r i nt h e p h y s i c a ll a y e rt h eb a s i cf u n c t i o n so f t h es y s t e ma r er e a l i z e db yt h es t a r t - u pk e y p r e s si n p u tm o d u l e ， a d cm o d u l e ，m a l f u n c t i o na p p e a r a n c em o d u l e ，t h ei n t e r r u p t i o nm o d u l e t h ea p p l i c a t i o nl a y e r i n c l u d es u b p r o g r a m s ，a n di tr e a l i z e st h ew h o l es o f t w a r ef u n c t i o nb ym a k i n gu s eo f t h et h ep h y s i c a l l a y e ra n ds o m ea r i t h m e t i c i nt h ee n do ft h ed i s s e r t a t i o n t h es y s t e md e b u g g i n gp r o c e d u r ei si n t r o d u c e d t h em e a s u r e d s i g n a l so fv o l t a g e ，s p e e da n dp h a s ec u r r e n ta r ep r e s e n t e da n da n a l y z e d e x p e r i m e n t ss h o wt h a ti t h a sg o o dp e r f o r m a n c ea n ds t a b i l i t y , a n dt h ea d j u s t i n gs p e e dp e r f o r m a n c eo f s y s t e mi sg o o d k e y w o r d s ：b l d c m s p e e ds t a b i l i z a t i o n c a s c a d ep ic o n t r 0 1m e t h o dm c 6 8 h c 9 0 8 j l 3 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t n 意。 研究生签名：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。 研究生签名导师签名： 日期： 第一章绪论 1 1 无刷直流电机概述 第一章绪论 长期以来，有刷直流电机以其优良的运行特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但 由于采用电刷以机械方式进行换向，因而存在机械摩擦，由此带来了噪声、火花、无线电 干扰以及寿命短等致命弱点。早在1 9 1 7 年，b o l i g e r 就提出了用整流管代替有刷直流电机 的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机( b r u s h l e s sd cm o t o r ，简称b l d c m ) 的思想。1 9 5 5 年，美国的d h a r r i s o m 等人首次申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电机机械电刷的专 利，这就是现代b l d c m 的雏形。但由丁该电动机尚无起动转矩而不能产品化。尔后又经 过人们多年的努力，在1 9 6 2 年，借助于霍尔元件来实现换相的无刷直流电机问世了，从而 开刨了无刷真流电机产品化的新纪元。1 9 7 8 年，原两德m a n n e s m a n n 公司在汉诺威贸易博 览会推出了m a c 方波无刷赢流电机及其驱动器，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和正 弦波直流无刷电机。正弦波形永磁无刷直流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位景信号，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。l l ，z 3 1 近5 0 年来，无刷直流电机的概念已由最初的具有电子换相的直流电机发展到泛指一切 具有无刷直流电机外部特性的电子换相电机。无刷直流电机的发展亦使得电机理论与大功 率开关器件、模拟和数字专用集成电路、微处理技术、现代控制理论以及高性能材料的结 合更加紧密。如今，无刷直流电机集特种电机、变速结构、检测元件、控制软件与硬件于 一体，形成新一代伺服系统，体现了当今应用科学的许多最新成果，是机电一体化的高新 技术产品。无刷真流电机集交流电机和直流电机优点于一体，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。无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动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， 定子采用电子换向代替有刷电机的电刷和机械换向器，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，使电动机连续运转。 无刷直流电机和f 其它电机相比具有高可靠性、高效率和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。表1 1 为无刷直流电机与交流异步电机、有刷直流电机综合特性 的比较眈 目前在： 业先进的国家里，工业自动化领域中的有刷直流电动机已经逐步被无刷直流 电动机所替代。现在从国外进口的设各中，已经很少看到以有刷直流电动机作为执行电动 机的系统，一些国家( 如美国、英国、日本、德国等) 的相关公司已经不再大量生产伺服 东南人学颤士学位论文 驱动用的有刷直流电动机h 。 表1 13 种电机性能比较 l 、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 硬大易好小易小较高 由上面的分析可以看出，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 动机，它的驱动、控制更是和电子技术息息相关，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现实意义。 1 2 无刷直流电机的控制方式 目前，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开关管的开关状态，保证电机各相按顺序导通，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。无刷直流电机中常用的位置传感 器有电磁式位置传感器( 如磁阻旋转变压器) 、光电式位置传感器( 如遮光扳) 、磁敏式位置 传感器( 如霍尔位置传感器) 等。电磁式位置传感器输出信号较大，一般不需要经过放大 便可以直接驱动开关管，但是它的输出为交流信号，必须先整流后才能利用，并且笨重复 杂，因而在方波电机中基本上已经被淘汰；光电式位置传感器轻便可靠、安装精度高、调 整方便，应用较为广泛；磁敏式位置传感器可以分为两类，非锁量式和锁量式霍尔位置传 感器。非锁量式霍尔位置传感器应用范围较小，只能在一些简单应用场合( 如1 2 0 0 三相三 状态的无刷电机中) 应用”j ，锁量式霍尔位置传感器目前有比较成熟的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。 近年来，随着控制理论的不断发展，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，被用于无刷直流电动机的控制，一般将它们通称为智能控制法。 智能控制法包括模糊控制和p i d 相结合的f u z z y p i d 控制，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等多种控制方法。智能控制法是控制理论 发展的高级阶段，具有自学习、白适应、自组织等功能，能够解决不确定性问题、非线性 控制问题以及其它较复杂的问题。严格来说，无刷直流电机是一个多变量、非线性、强耦 合的控制对象，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，提 取位置信号。目前，广泛研究的无刷直流电机控制方法有以下几种： l ，p i d 控制 p i d 控制是控制系统中技术技术较为成熟，应1 _ | j 广泛的一种控制方法。它将偏差的比 2 第一章绪论 例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 通过线性组合构成控制器，用这一控制量对控制系统( 本 文为无刷直流电机) 进行控制。p i d 控制器结构简单，参数容易整定，不一定需要系统的 确切数学模型。目前，p i d 控制被广泛应用丁| 无刷直流电机的控制。 2 模糊控制 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制。其原 理图如图1 1 所示，它的核心部分为模糊控制器h 。 模糊控制器 给定值 i计算 叫量化- 挎制 叫1 h 糊化卜ah a ，d ，控制 变量 处理j 规则 萎 i 处理 l j 一_ _ ；l 二一一 厂 一_ _ _ ：二i 1 图1 - 1 模糊控制原理图 3 参数自适应控制 参数自适应控制是通过辨识被控对象或系统的特征参数、系统的实时状态，提供信息 采校正系统，从而使系统实现白适应控制方式。在无刷直流电机控制系统中，基本设想是 应用数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 简称d s p ) 的优良性能，随着无刷直流电机 负载、转速等系统状态的变化，选择控制规则和控制参数，根据变化后的控制规则和控制 参数，产生较优控制信号。【，1 4 神经元网络控制 神经元网络是近年来发展起来的一门学科，它模拟人脑的工作方式，由大量的基本单 元经复杂的互连而成的一种高度复杂、非线性、并行处理的信息处理系统，具有大规模并 行性、冗余性、容错性、本质的非线性及自组织、自学习、自适应能力。神经元网络用于 控制的最大优越性是可以处理那些难以用模型或规则描叙的过程或系统，这个优越性适用 于高性能驱动系统j 。 1 2 2 无位置传感器控制方式 无位置传感器无刷直流电机的控制是指不依赖位置传感器，通过另外的方式得到转子 的位置信号、角速度等状态量，确定逆变器功率管的切换，进而对定子绕组进行换相，保 持定子电流和反电势在相位上的严格同步的一种控制方式。在无位置传感器的控制方式中， 研究的核心问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 丁可以直接测量到的一般只有相电压和相电流这两个量，因此，国内外研究成果所提出的 无位置传感器控制方法中，绝大部分都是基于以上两个观测量的，其中较为成熟的有以下 几类。帆叱川： 1 反屯势法 通过检测电机反电动势( b a c ke l e c t r o m o t i v ef o r c e ，以下简称b a c k e 6 i f ) 来获得位置 信号的方法，称为“反电势法” 1 3 10 根据对反电势的不同处理方法，反电势法又可以分为 反电势过零检测法、锁相环技术法、反电势逻辑电平积分比较法等。 东南大学碳士学位论文 1 ) 反电势过零检测法 在无刷直流电机中，绕组的反电势( 即发电机电势) 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，从而省去位置传感器。 2 ) 锁相环技术法 利用非导通相反电动势经逻辑处理后得到周期为6 0 。电角度的脉冲列，再采用p l l 锁相技术将脉冲列倍频，通过同步计数器计数值和锁存器预置数值的比较，可获得理想的 换相点。 3 ) 反电势逻辑电平积分比较法【i “ 反电势逻辑电平积分比较法是将两相的反电势进行过零比较处理，得到逻辑电平后再 对两路逻辑电平进行积分，由于这两路逻辑电平积分值关系反映了相位关系，因此可用于 确定电机转子磁场位置。这种方法的优点是只需检测非导通相反电势的极性，有利于提高 低速性能。但是，这种方法需要进行积分比较，增加了检测电路的复杂性，也增加了软件 的运算量，同时还增加了成本，不便实际应用。 2 三次谐波检测法 无刷直流电机的反电势梯形波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，反电势的基波分量和其它非3 的奇数倍高次谐波分量由于相位1 2 0 。而相互抵消， 只有3 次谐波及3 的奇数倍高次谐波由于同相而叠加，可以从中提取反电势的3 次谐波分量， 以检测转子位置“。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。它比反电动势直接过零比较有更宽 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 0 ：谐波信号更弱，难以获得转子位置信号。 3 电流通路监视法i j 6 1 该方法又称为“续流二极管法”或“第三相导通法”。这种方法是通过监视逆变器里的 电流通路来获得转子位置信息，通过设计一种二极管导通检测电路来监视逆变器反并联续 流二极管是否导通。b l o 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 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。但是这种方法要求逆变器必须工作在上下功率管轮流处 3 - - 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。 4 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，另一种用于内嵌式磁钢结 构的永磁无刷直流电机。第一种电感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，所以现在较少使用。与第种方法相比，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 4 第一章绪论 感进行不间断的实时检测，增加了实现的难度，应用不是很广泛。 5 状态观测器法 状态观测器法也称为转子位置计算法。它是指在获取绕组电压和电流的基础上，通过 坐标变换等方法直接计算转子位置。这类方法一般适用于正弦波电机，对方波电机不大适 用。此外，该方法的实现对数据处理要求较高，一般需要使用d s p 之类的高速处理器，而 这类处理器价格相对较高，开发成本大，所以一般也不常用。 此外，在无位置传感技术方面，国内外许多学者还提出了其他一些理论和方法。如涡 流法【”1 ( 在转子表面安装非磁性材料，通过检测因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) 和电流法( 根据电流波形决定换向时序的方法) 以及矢量表 法等。这些方法实现难度较大，应用条件比较苛刻，只在一些特殊场合应用。 1 3 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，人类更加关注环境保护、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 的启动控制、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。 微处理器的应用和发展，使得控制系统由模拟进入数模混合方式，进一步发展到全数 字式。技术的进步使得许多用模拟器件难以实现的功能都可以方便地用软件实现，使系统 的可靠性和智能化水平大大提高。全数字系统简化了硬件，缩小了装置体积，提高了控制 精度f 1 8 】。 近年来电力电子器件研发的一个共同趋势就是模块化。现在国内外许多厂商已经能提 供各种电力电子开关模块。模块化可以缩小驱动电路的体积，降低成本，提高可靠性，便 于逆变电路的设计和研制，更重要的是由于各开关器件之间连线的紧凑，减少了线路电感， 在高频工作时可以简化对缓冲电路和保护电路的要求。【i ” 本课题的主要研究内容是研制无刷直流电机控制器，以m o t o r o l a 公司的单片微处理器 m c 6 8 h c 9 0 8 j l 3 为核心，驱动电路采用三菱公司i p mp s 2 1 2 4 6 - e 模块，采用电流内环数字 p i 调节转速外环数字p i 调节调节的串级控制方式对无刷直流电机进行控制。该控制系统 要达到如下要求：实现无刷直流电机平滑调速，精度5r p m 以内，调速范围为：1 0 0 r p m 4 0 0 0 r p m ，具有欠压、过压、过流等保护功能。论文的具体工作如下： 1 无刷直流电机基本运行理论研究，建立无刷直流电机及其控制系统的数学模型，利 用m a t a l a b s i m u l i n k 建立系统的仿真模型。 2 设计无刷直流电机控制系统的硬件电路，包括电机用直流电源的设计、控制驱动电 路电源的设计、微处理器的选择、驱动电路和保护电路的设计等，并在设计中考虑了软硬 件抗干扰措施。 3 对无刷直流电机控制策略进行研究，采用电流内环数字p i 调节转速外环数字p i 调 节的串级控制方式，以实现对电机转速和电流的控制，无刷直流电机能稳速运行，无级调 速。 4 在完成硬件电路设计的基础上，根据系统所要实现的控制功能，设计控制系统的软 件程序。 5 ，进行系统软硬件联调，完善系统软硬件，并给出实验结果。 东南大学硕士学位论文 第二章无刷直流电机的数学模型 随着无刷直流电机应用领域的不断拓宽，对电机控制系统设计的要求越来越高，既需要 考虑成本低廉、控制算法合理，又需要兼顾控制性能好、开发周期短 2 0 。因此，建立准确 的无刷直流电机控制系统的仿真模型，并进行仿真研究，可以有效的节省控制系统设计时间， 验证系统的控制算法，观察系统的控制输出。建立电机控制系统的仿真模型对于电机控制系 统的研究具有十分重要的意义。 传统的电机仿真程序大都采用f o r t r a n 、c 等高级语言编写，这些计算机语言虽然计算 功能比较强大，但处理矩阵运算不便，绘制曲线更为困难。近年来，各种仿真软件和仿真算 法发展很快，如m a t l a b 、p s p i c e 、e w b 等。m a t l a b 是目前国际控制界最为流行的软 件，它是m a t h w o r k s 开发的用于系统仿真的交互式软件系统，提供了强大的科学计算和图形 处理功能。s i m u l i n k 是m a t h w o r k s 于1 9 9 0 年推出的，是在m a t l a b 环境下建立系统框图 和仿真的模块，它提供了电气系统模块库s i m p o w e r s y s t e mb l o c k s e t ( p s b ) 。p s b 提供了七 大类上百种电气元件的模型，包括半导体开关元件和多种电机的模型，但没给出无刷直流电 机的的电机模型。因此，本章在分析无刷直流电机数学模型的基础上，在m a t l a b s i m u l i n k 中建立无刷直流电机控制系统的仿真模型。 2 1 无刷直流电机调速系统数学模型 无刷直流电机系统结构图如图2 - 1 所示。多数无刷直流电机的定子绕组是三相绕组，所 以本章主要以三相定子绕组的无刷直流电动机为对象进行分析。 图2 1无刷直流电机系统结构图 电动极 逆变器 实际的无刷直流电机控制系统，一般可分为四个主要部分：“ 1 无刷直流屯机本体：在结构上和永磁同步电动机相似，但是没有笼型绕组和其他起 动装置。定子采用整距集中绕组或分布绕组，由逆变器提供方波电流，转子由永磁磁钢组成， 电机内含有转子位置检测装置。 2 驱动逆变电路：包括驱动电路和功率开关器件，由驱动电路接受控制器发出的p w m 和换相控制信号，驱动功率开关器件的通断。 6 第二章无刷直流电机的数学模型 3 控制器：一般的控制策略为双环控制结构，外环为速度环，内环为电流环，根据给 定信号( 速度和电流) 及反馈信号( 转子转速平 i 相电流) 进行p i 调节，其输出为p w m 控 制信号。通过政变p w m 信号的占空比，凋节逆变器功率开关器件的导通时间，相应改变输 出到无刷壹流电机的电压平电流。 4 换相控制模块：检测无刷直流电机的转子位置，根据位置信号向驱动电路提供相应 的换相信号。 对于径向激磁的磁路结构，稀土永磁体直接面向均匀气隙，由于稀土永磁体的取向性好， 可以方便地获得方波磁场。无刷直流电机的反电势和相电流之间的关系，如图2 j 2 所示。由 于无刷直流电机的感应电动势为梯形波，包含有较多的高次谐波，并且无刷直流电机的电感 为非线性，因此采用直、交轴坐标变换己不是有效的分析方法。在分析和仿真无刷直流电机 系统时，直接利用无刷直流电机本身的相变量，根据转子位置，采用分段线性表示感应电动 势，该方法既简单又具有较好的准确度。q 仁j i ；警八虹2 i 孟 、。一 图2 - 2 梯形波反电势与方波电路 以二相导通星形三相六状态为对象，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、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： 甜口 虬 ，o0 0 ，0 0o， 睦 上 lmm mlm mml 尸 +刭沼t ， 式中，、为三相定子绕组电压；e a 、e 6 、e 。为三相定子绕组反电势；乇、 为三相定子绕组电流；l 为每相绕组的自感；m 为每两相绕组间的互感；p 为微分算子。由 于转子磁阻不随转子位置变化而变化，因而定子绕组的自感和互感为常数。 由于三相星形连接绕组中，+ + i c = 0 ，以及 织+ 虢= 一 包r 则式( 2 - 2 ) 可改 写为： ro 0 ， oo撕 由式( 2 - 2 ) 可得电机的等效电路，如图2 3 所示。 7 m0o l m0 o 三一mp 睦 + 气 t ( 2 2 ) 1ll，j一心m 东南大学硕上学位论文 专刁e芏， 兰毡寿热垒钠，二；亡) n 丫n 二k y ( x 。蓦锗n i 口，= 2 之= 卜j y 、广r l j 无刷直流电机的电磁转矩是由定子绕组中的电流与转子磁钢所产生的磁场相互作用产 生的。电磁转矩为： 1 瓦= 二( p 。屯+ + e r i c ) ( 2 - 3 ) 甜 式中，甜为机械角速度。 由式( 2 - 3 ) 可以知，无刷直流电机电磁转矩大小与反电势和电流幅值成正比，所以控 制逆变器输出方波电流的幅值即可控制电机的转矩。 由于任何时刻，只有两相定子绕组导通，则： r e = e a i a + i h + 巳= 2 e l ( 2 4 ) 式中，e 电枢绕组电势，l 为电枢绕组电流。 运动方程： t 一瓦一肋= t ，警 ( 2 - s ) 式中， 瓦为负载转矩，b 为阻尼系数，珊为机械角速度，j 为电机的转动惯量。 2 2 无刷直流电机控制系统仿真模型 在分析无刷直流电机系统数学模型的基础上，利用m a t l a b s i m u l i n k ，尤其是其中的 p s b 模块建立无刷直流电机仿真模型。仿真模型包括电机本体模块、驱动逆变电路模块、转 矩速度计算模块、逻辑换相模块四个部分。整个仿真系统如图2 - 4 所示，其中 i n v e r t e r m o t o r 模块分为电机本体模块、逆变电路模块、转矩速度计算模块这三部分， 如图2 - 5 所示。 8 第二章无刷直流电机的数学模型 图2 4 仿真系统结构图 2 2 i 电机本体模块 图2 - 5i n v e r t e r & m o t o r 模块结构图 无刷直流电机本体模型，是整个仿真系统中最核心的部分。根据图2 3 所示的无刷直流 电机等效电路，利用s i m u l i n k 中的p s b 模块，可以方便的建立电机等效电路模型。如图2 - 6 所示为无刷直流电机本体模块结构图。 由图2 2 和前面的分析可知，理想的无刷直流电机的反电势是梯形波，实际的波形为近 似的梯形波。目前，求取反电势的常用方法有三种：( 1 l 有限元法，该法以变分原理为基础， 将电磁场理论与磁路等效模型相结合，根据微分方程及边界条件，求解有限元方程组，建立 反电势波形。应用这种方法求得的反电势脉动小、精度高，但过于复杂。( 2 ) 傅立叶变换法， 无刷直流电机反电势梯形波含有大量的高次谐波，采用傅立叶变换，通过各次谐波叠加可得 9 东南大学硕上学位论文 到近似的反电势波形。该法虽简单，但需要进行大量三角函数运算，对仿真速度影响较大。 ( 3 ) 分段线性法，将一个运行餍期( 3 6 0 0 电角度) 分为六个换相阶段，每一相的运行阶段 都可用一段直线表示。分段线性法简单易行，且精度高，能很好满足仿真设计需求，冈此， 这里利用s i m u l i n k 中的l o o k u pt a b l e 模块设计了相位、频率和幅值都可以调节的反电势 模块。 2 2 2 驱动逆变电路模块 图2 - 6 无刷直流电机本体模块结构图 p s b 集中提供了功率电子学系统仿真功能模块，在p o w e re l e c t r o n i c s 模块组中提供了二 极管( d i o d e ) 、晶闸管( t h y r i s t e r ) 、可关断可控硅( g t o ) 、场效应管( m o s f e t ) 和绝缘 栅二极管( i g b t ) 等模块。这里直接用其中的i g b t 和d i o d e 构成逆变电路，在s i m u l i n k 中i b g t 模块可以直接用幅值为1 的信号驱动，这里可省略驱动电路模块。驱动逆变电路模 块结构图如图2 7 所示。 图2 7 驱动逆变电路模块结构图 o 第二章无刷直流电机的数学模型 2 2 3 转矩速度计算模块 根据无刷直流电机数学模型中的电磁转矩方程式( 2 3 ) 和运动方程式( 2 5 ) ，建立如图2 - 8 所示转矩速度计算模块。模块中计算转矩部分为三相电流和三相反相乘求和后得到，通过 m u x 、p r o d u c t 和s u m 模块完成。由式( 2 - 5 ) 可求得电机的机械角加速度，积分后即得机械角 速度国，转化可得转速n 。将机械角速度曲积分，除以极对数p ，然后除以2 z r 即得转子位 置。 2 2 4 逻辑换相模块 图2 - 8 转矩速度计算模块结构图 无刷直流电机控制系统中逆变器的可靠换相，是通过无刷直流电机内部的转子位置信号 进行控制的。通过转矩速度计算模块可获得电子转子位置，导通相和转子位置的关系如表 2 1 所示。根据该表，利用s i m u l i n k 中的逻辑模块可构成如图2 - 9 所示的逻辑换相模块结构 图。 表2 1 导通相和转子位置的关系 转子位置0 万3趸| 3 2 e r 32 石3 石万一4 z r 34 x 3 5 z r 35 厅3 2 7 r 导通相 一 一 爿b4 cb cb 爿c 4c b 东南大学硕士学位论文 2 3 仿真结果 图2 - 9 逻辑换相模块结构图 利用所建立的仿真模型，对系统进行仿真，并分析其输出结果。仿真算法选用变步长的 四阶r u n g e k u t t a 算法。控制系统所用无刷直流电机参数如下： 1 极对数：d = 3 ； 2 额定转速：4 0 0 0 r p m ； 3 额定输出功率：7 5 0 w 4 每相绕组电阻：r = 0 8 q ( 2 0 0 c ) ； 5 电势系数k 。= 8 0 ( m v r p m ) 6 转矩系数k ，= 1 0 ( n m a ) 4 0 0 3 0 0 2 1 0 1 0 0 带负载时端电压波形、电流波形和转矩波形分别如图2 1 0 、图2 - 11 、图2 1 2 所示。 髓嘛! 釜陈! !躺i 嬲 。霉逑 13 b1 3 713 b1 珀 1414 114 214 314 414 5 图2 1 0 带负载时a 相端电压波形 随：隔、鹃：主溅弹觚隅：隅： 。峨i 一口 ui 叫j 13 613 713 b13 9141 4 114 214 3 1 4 414 5 图2 1 1 带负载时a 相电流波形 2 第二章无刷直流电机的数学模型 一f 0 | -| 0一 。 f _ 0t f f1 -t，o 仝。 i _ 焉1 1 b1 1 皓1 1 91 1 衢 1212 图2 1 2 带负载时转矩波形 从上面的波形图可以看出，端电压为梯形波，相电流为1 2 0 0 的近似方波。由图2 1 0 的端电压波形可以看出，由于绕组电感的存在，电机在换相时绕组电流均会通过续流二极管 产生续流。由图2 一l l 可知，相电流波形并不是标准的方波，而是在中间换相时刻会产生一 个小的下凹，且导通时电流有个上升坡度，这是由于绕组电感的存在，换相不可能瞬间完成， 绕组内电流会有一个缓慢上升和下降的过程。理想的转矩波形应该是一条直线，但从图2 1 2 的仿真波形可以看出有纹波脉动，主要原因还是由于电机绕组电感的存在使得电流波形发生 了畸变。 通过分析仿真结果，可以说明本无刷直流电机控制系统仿真模型达到理论要求。 2 4 本章小结 本章详细分析了无刷直流电机的运行原理，将整个控制系统分为电机本体、逆变电路、 控制器和换相控制模块这四个部分。在对电机性能分析的基础上，建立了二相导通星形三相 六状态方波无刷直流电机的数学模型，同时给出了等效电路图。 根据所建立的数学模型，以m a t l a b s i m u l i n k 为工具，建立控制系统的仿真模型。叙 述了仿真的定义和仿真的方法，提出了利用m a t l a b 软件的s i m u l i n k 和p s b 丁具箱来 建立电机仿真模型的思路。整个控制系统仿真模型包括屯机本题模块、逆变电路模块、转矩 速度计算模块和逻辑换相模块，文中对各部分模块进行了简单说明，这四部分有机的结合构 成整个仿真系统。最后给出了仿真结果及其分析，论证了控制系统仿真模型的正确性。 东南大学硕 一学位论文 第三章无刷直流电机控制系统硬件设计 根据控制系统要求实现的电机调速、电压保护和电流保护功能，设计了一套实现其功 能的硬4 1 二电路。该系统框图如图3 1 所示。本控制系统主要由直流电源、控制和驱动逆变 电路电源、驱动电路、逆变电路、无刷真流电机本体、转子位置检测电路、控制电路、电 压检测电路、电流检测电路和过流保护电路等十部分组成。 图3 - 1 控制系统原理框图 由于三相全控方式比三相半控方式具有更高的效率和更平稳的转矩【”，所以本控制系 统中采用三相全控的方式。下面主要介绍各部分的组成和功能。 3 1m c u 控制电路 m c u 选用的是m o t o r o l a 公司的单片微处理器m c 6 8 h c 9 0 8 j l 3 。m c 6 8 h c 9 0 8 j l 3 是 m o t o r o l a 公司开发的高性能8 位单片机。它的指令集与m c 6 8 h c 0 5 系列单片机向上兼容， 有2 0 0 多条指令和1 0 余种寻址方式，并具有1 6 位变址寄存器和堆栈寄存器。m c 6 8 h c ( 9 ) 0 8 系列在功能和特性上做了许多优化，采用锁相环技术在提高内部时钟频率的同时大大降 低了系统噪声；m c 6 8 h c ( 9 ) 0 8 系列采用了f l a s h 技术，实现在线编程。 该单片机具有以下主要特征：( 1 ) 4 k 字节的内部程序f l a s h i ( 2 ) 1 2 8 字节r a m ； ( 3 ) 2 通道1 6 位的定时器模块，可以分别定义成输入捕捉、输出比较和p w m 三种功能， 在作为输入捕捉功能时，可以捕捉上升沿脉冲、下降沿脉冲或两者同时捕捉；( 4 ) 1 2 通道 s 位a d 转换器。这些特点使得m c 6 8 h c 9 0 8 j l 3 非常适用于b l d c m 的控制。功能框图如 圈3 2 所示。 4 第三章无刷直流电机控制系统硬件醴汁 图3 - 2m c 6 8 h c 9 0 8 j l 3 功能结构框图 m c u 及其外围电路在系统中主要完成信号采样、a d 转换、l e d 驱动显示和提供驱动 电路信号等功能。利用m c u 的6 路i o 口的输出控制逆变电路开关管的开关状态，同时 通过定时器模块输出比较功能产生一通道p w m ，分别与上桥臂三路信号进行与操作，以 达到调整p w m 的占空比来调节电机绕组的外施电压，实现调速的功能。 3 2 电源电路 3 2 1 电机用直流电源 给无刷直流电机供电的直流电源由5 0 h z 工频交流电经全波整流桥整流得到，整流电 路如图3 - 3 所示： 图3 - 3 电源原理图 工频交流电经n 型滤波器滤除电网中的谐波以及干扰噪声后经过全波整流桥整流后 得到直流电作为无刷直流电机的供电电源，送入三相逆变电路。 由于电源采用的是公共电网上的交流电，公共电网中存在诸多的干扰，如雷击所产生 的过电压，负荷的变动，电焊机的电火花放电，继电器动作所产生的干扰等，去除这些干 扰行之有效的办法是于整流电路前端加入滤波器，减少电网电压波动对直流电源的影响， 也可以防止电磁干扰信号窜入控制系统。 通常，电网中的瞬时过电压可以在相线与零线之间并接一压敏电阻，当电压在极短的 东南大学硕七学位论文 时间内上升到一个很高的电压阀值时，压敏电阻的阻值会变得很小，以旁路可能影响系统 的瞬时过电压。此外，一般的电源滤波主要考虑两种干