（电气工程专业论文）永磁无刷电机控制方法的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 随着对冰箱压缩机高效率、低噪声的追求，永磁无刷电机包括无刷直流电机 ( b l d c m ) 和永磁同步电机( p m s m ) 已广泛应用于冰箱压缩机控制系统中。 本论文研究内容是重庆大学电气工程学院和斯比泰电子( 深圳) 有限公司合作 项日的一个子课题，课题主要对变频冰箱所用无刷直流电机和永磁同步电机的控制 方法进行研究。本论文从课题要求和实际应用的角度出发，研究的内容可分为两个 部分，第一部分( 第2 章和第3 章) 是无位置传感器无刷直流电机起动电路的研究， 第二部分( 第4 章和第5 章) 是用于无位置传感器永磁同步电机的滑模观测器的研 究。 论文的第一部分从分析无刷直流电机的基本运行原理出发。在一定的假设简化 基础上，建立了无刷直流电机的数学模型和等效电路。在m a t l a b s i m u l i n k 和 s i m p o w c r s y s t e m s 中建立了无刷直流电机的本体仿真模型，在仿真模型中，利用分 段线性法来实现反电动势检测电路。论文分析了各种反电动势法检测转子位置的无 刷直流电机起动方法，针对现有无传感器无刷直流电机三段式起动过程中电流过大 的问题，引入了电流闭环对三段式起动方法进行了改进，并在m a f l a b 中建立了电流 闭环起动电路及其系统的仿真模型。对电流闭环起动方法加速过程以及稳态运行时 的仿真研究表明该措施解决了三段式起动时电流较大的问题。 论文的第二部分从分析永磁同步电机在d q 轴系和口一声轴系下的数学模型出 发，在m a t l a b s i m u l i n k 中建立了d 一4 轴系下的永磁同步电机本体的仿真模型。利 用= 0 的矢量控制策略和空间矢量脉宽调制方法，在m a t l a b s i 踟1 i n k 中建立了 基于滑模观测器的永磁同步电机系统仿真模型。详细分析了传统滑模观测器的结构 和卡尔曼滤波器的设计原理，针对传统滑模观测器存在的抖振和反电动势相位延迟 的问题，提出了改进的滑模观测器结构，并在w a t l a b s i m u l i n k 中对其进行了建模。 通过对传统和改进的滑模观测器的对比研究，仿真结果证明了改进的滑模观测器解 决了传统滑模观测器存在的闯题。在负载和转速分别发生阶跃变化的条件下，对改 进的滑模观测器进行了仿真分析，仿真结果证明该改进方法具有较强的鲁棒性和更 好的抗扰动性能，且滑模观测器结构简单 关键词：无刷直流电机，永磁同步电机，三段式起动，矢量控制，滑模观测器 重庆大学硕士学位论文英文摘要 p e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sm o t o r si n c l u d i n gb r u s h l e s sd cm o t o r ( b l o o m ) a n d p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) a r cw i d e l yu s e di nt h ec o n t r o ls y s t e mo f t h er e f r i g e r a t o rc o m p r e s s o r , w i t ht h es e e k i n go fh i g he f f i c i e n c ya n dl o wn o i s ef o rt h e r e f r i g e r a t o rc o m p r e s s o r t h es t u d i e si nt h i sd i s s e r t a t i o na r em a i n l ya b o u tt h ec o n t r o lm e t h o d so f b u d c ma n d p m s mu s e df o rv a r i a b l ef r e q u e n c y r e f i g e r a t o r , c o r l x n a t e dw i t hs p e e d y - t e e h e l e c t r o n i c s ( s h e nz h e n ) c o m p a n yl i m i t e d t h er e s e a r c hc o n t e n tc a nb ed i v i d e di n t ot w op a r t s a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to ft h es u b j e c ta n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h es t a r t i n gc i r e u i fo f p o s i t i o n - s e n s o f l e s sb l d c m i nt h ef i r s tp 缸( 2 n dc h a p t e ra n d3 r dc h a p t e r ) a n dt h es l i d i n g m o d eo b s e r v e r ( s m o ) i nt h es e c o n d p a r t ( 4 t hc h a p t e ra n d5 t hc h a p t e r ) u s e df o r p o s i t i o n - s e n s o r l e s sa 托s t u d i e d b a s e do nt h ec e r t a i na s s u m p t i o na u 9 ds i m p l i f i c a t i o n ，t h eb a s i co p e r a t i n gp r i n c i p l ei s a n a l y r e 0a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e ra n dt h ee q u i v a l e n tc i r c u i ta r ce s t a b l i s h e d 缅 b l d c mi nt h ef i r s tp a r tt h es i m u l a t i o nm o d e lo f t h eb o d yf o rb l d c mi sc o n s t r u c t e di n m a t l a b s i m u l i n ka n ds i m p o w e r s y s t e m s ，w h e r et h eb a c ke l e c t r o m o t i v ef o r c e0 3 e m di s g 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 田圮v a r i o u ss t a r t i n gm e t h o d sa a n a l y z e df o r t h eb l d c mu s i n gb e 诬t om o n i t o rt h ep o s i t i o no ft h er o t o r ai m p r o v e ds t a r t i n g m e t h o di sr e s e a r c h e d , w h e r et h ec u r r e n tc l o s e dl o o pi sa d o p t e dt os o l v et h ep r o b l e mo f t h e l a r g ec u r r e n t 幻t h ee x i s t i n gp o s i t i o n - s e n s o d e s sb l d c mu s i n gt h r e e - s t e ps t a r t i n g m e t h o d t h es i m u l a t i o nm o d e l so fs t a r t i n gc i r c u i tf o rt h ec u r r e n tc l o s e dl o o pa n dt h e w h o l es y s t e m 躺e s t a b l i s h e di nm a t t a b t h es i m u l a t i o nr e s u l t sf o r t h ec u r r 锄tc l o s e dl o o p s t a r t i n ga n dt h es t e a d yr u n n i n gi n d i c a t et h ep r o p o s e dm e a s l l r es o l v e st h ep r o b l e mo ft h e b i g g e re m t e n tw h e ns t a r t i n g b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h em a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rp m s mi nt h er o t o rr e f o r e n c e ( d - q ) a n ds t a t i o n a r yr e f e r e n c e ( 口一) f r a n l e s ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo f t h eb o d yf o r p m s mi ge s t a b l i s h e di nt h er o t o rr e f e r e n c e ( d - q 、f r a m e , i nm a t l a b s i m u l i n k t h e s i m u l a t i o nm o d e lo f t h es e u s o d e s sp m s m s y s t e mb a s e d o ns l i d i n gm o d eo b s e r v e r ( s m o ) i sm o d e l e du s i n gt h ev e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yo f = 0m a ds p a c ew 咖rp w m t h e s t r u c t u r eo f t h ec o n v e n t i o n a ls m oa n dd e s i g np r i n c i p l eo fk a l m a nf i l t e ra r ea n a l y z e di n d e t a i l t h ei m p r o v e ds m oi sp r o p o s e dt os o l v et h ep r o b l e m so fc h a t t e r i n ga n db e m f p h a s es h i f tb r o u g h tb yt h ec o n v e n t i o n a ls m o w h i c hi sm o d e l e di nm a t l a b s i m u l i n k t h e 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 s i m u l a t i o nr e s u l t s p r o v et h ei m p r o v e ds m os o l v e s t h ee x i s t i n gp r o b l e m so ft h e c o n v e n t i o n a ls m o ，t h r o u g ht h ec o n t r a s t i n gr e s e a r c l l - t h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h e i m p r o v e ds m op r o v et h ei m p r o v e m e n tm e a s u r e sh a st h es t r o n g e rr o b u s t n e s s ，b e t t e r d i s t u r b a n c er e j e c t i o na b i l i wa n dt h es l r u c t u 把i ss i m p l e , w h e nas t e ph a p p e n si nt h e r e f e r e n c el o a da n ds p e e dr e s p e c t i v d y k e y w o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o r 9p m - m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r , t h r e e - s t e p s t a t i n g , v e c t o rc o n t r o l ，s l i d i n gm o d eo b s e r v e r 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及取 得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得重废太堂 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己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：彰l 訇荡 签字日期：御7年 月留日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：玛1 訇秀 签字日期：训7 年岁月加日 导师签名：1 氮币唯 签字日期：矽7 年厂月锡日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 随着电力电子技术的不断发展，m o s h t 、i g b t 等全控型开关器件性能的提 高和价格的不断下降，永磁电动机控制技术逐步进入商业化阶段，为永磁无刷电机 用于可变频冰箱压缩机( 又称“变速压缩机”) 系统打下了良好的基础。加之市场竞 争对冰箱节能、低噪声提出的更高要求，使得永磁无刷电机应用于冰箱压缩机成为 一种趋势“1 ，国外先进压缩机制造商已将一些高性能电动机，如直流无刷电机、永 磁同步电机运用在冰箱压缩机上这些技术上的革新，带来了效率的大幅度提高， 使得永磁无刷电机驱动的冰箱压缩机系统不仅具备高效的特点，而且还具有转速可 调节的优势嘲控制器根据冰箱各室温度以及开门频率等因素来控制压缩机转速及 开停，使得压缩机更加合理、高效的工作。 九十年代开始，由于对冰箱压缩机高效率、低噪声的追求，外国先进压缩机制 造商纷纷开展把永磁无刷电机应用于冰箱压缩机上的研究工作，变频冰箱压缩机技 术已经逐步走向成熟。尤其是九十年代后期，不少制造厂商逐渐形成商业化生产能 力，如国外的e m - b r a c o 、z a n u s s i 和m a t s u s h i t a 等公司已经有相关的产品 在中国市场上销售。尤其是日本的一些制造厂商，以m a t s u s h i t a 为代表，利用 自身在电子产品方面的优势，最早进行变频冰箱的研究开发工作，它将压缩机驱动 与冰箱控制作为一个整体来进行设计，其技术在各方面都比较成熟“1 。由于国内永 磁无刷电机的研究起步较晚，国内压缩机厂在新技术的研究开发一直滞后于国际先 进水平，加上各厂在电力电子技术方面的欠缺，因此，近几年国内压缩机制造商才 开始对变速压缩机进行研究开发。它们依靠国内大学的研发能力以及一些电子产品 生产商的支持开始研究相关产品以及开展市场化的工作。 变频冰箱使用了变速压缩机，该种变速压缩机采用了可调速电机，通过改变电 机的转速来改变压缩机的制冷量m 。传统压缩机采用单相异步电动机m ，变速压缩机 则采用永磁无刷电机”，速度可在大范围内变化，使得压缩机的制冷能力有很大的 可调范围。变频冰箱的能耗大幅下降的原因主要有以下三点”； ( 1 ) 永磁无刷电机的效率高于传统单相异步电动机 ( 2 ) 冰箱低负荷时，输人功率很低。 ( 3 ) 由于减少了开停机次数，减少了起动过程的功耗。 我国具有丰富的稀永磁材料资源，目前永磁无刷电机控制和制造的技术渐趋 成熟，再加上人们对能效的重视，这些都为永磁无刷电机驱动的冰箱压缩机的应用 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 提供了有利条件。 1 2 变频冰箱用电机驱动器发展及研究现状 1 2 1 变频冰箱用电机的分类 交频冰箱所用电机是永磁无刷电机，永磁无刷电机是由绕组定子和永磁转子构 成。转子的几何形状不同，使得转子磁场在空问的分布也不同：有正弦波和梯形波 之分。因此，当转子旋转时，在定予绕组中产生的反电动势也有两种波形；一种为 梯形波；一种为正弦波。这两种不同类型的永磁无刷电机，其一相气隙磁场感应的 反电动势和相电流之间的关系如图1 1 所示川 0 le , t 佩。，。- 世乡二 l & l p 1 _ 7 n 1 r n 3 6 0 卜二 c a ) 无刷直流电机 ( b ) 永磁同步电机 图1 1 理想情况下永磁无刷电机反电动势和相电流波形 f i g 1 1t h ei d e a lb e m fa n dp h a s ec u r r e a tw a v e f o n mo f t h ep mb r u s h l e s sm o t o r 这样就有了两种在原理、模型和控制方法上有所不同的永磁无刷电机，为了区 分由它们组成的永磁无刷电机控制系统，习惯上，通常将反电动势为梯形波、电枢 电流为方波的永磁无刷电机系统称为无刷直流电机( b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r ， 简称为b l d c m ) ，而将反电动势和电枢电流均为正弦波的永磁无刷电机系统称为永 磁同步电机( p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ，简称为p m s m1 。也有人把它们 称为方波无刷直流电机和正弦波无刷直流电机硼本文中统一使用无刷直流电机和 永磁同步电机的概念。 1 2 2 无刷直流电机控制方法的发展及研究现状 近年来，无刷直流电机( b l d c m ) 由于其高功率密度、性能好、结构简单、 输出转矩大等特点，受到普遍关注嘲，广泛应用于伺服系统、医疗器械、仪器仪表、 化工、轻纺以及家电行业( 冰箱、空调、洗衣机等) 等国民经济的各个方面“”由 于电机是无刷的，无法自动换向，因此需要设法获取转子的位置信息，根据这个信 息来控制功率逆变器，从而完成b l d c m 的换向控制。传统b l d c m 控制系统的位 置传感器带来诸多不便叭1 ，因此，去掉位置检测元件，对b l d c m 进行无位置传感 器控制，是b l d c = m 研究的热点n 1 儿脚，与之对应出现了许多实用方案，目前比较成 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 熟的运行控制方法主要有“”： 1 ) 反电动势法“”：通过测量三相绕组端点电位及中性点问的电压，当某端点电 位与中性点电位相等时，则此刻该反电动势为零，再延时3 0 。度电角度功率管换向 该方法在方波无刷直流电机( b l d c m ) 中最为常用。 2 ) 转子磁链三次谐波法o ”：是通过检测转子三次谐波永磁链的过零点，间接地 获得转子位置，从而控制换向的。由于低速下检测到的三次谐波存在严重畸变，因 此三次谐波法无法在低速下工作。 3 ) 续流二极管电流通路法“”：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瞬时。 4 ) 状态观测器法“”：因受电压、电流测量精度的影响，运行范围有限，且一般 只适用于感应电动势为正弦波的b l d c m ( 永磁同步电机) 。 5 ) 人工智能法“”：人工智能技术具备一定的智能行为，能够产生合适的求解问 题的响应。文献 1 8 对神经网络在无刷直流电机无位置传感器控制中的应用做了初 步研究。人工智能法尚处于起步阶段。 其中，在b l d c m 的各种无位置传感器控制方法中，最为完善、应用最多的是 反电动势法町。但是由于无刷直流电机在静止或者低速时反电动势为零或者很小， 无法用来判断转子位置，因此反电动势检测法需要采用特殊的起动方式。进而，寻 找一种有效的起动方法，使电机在静止状态下可以顺利而平稳地起动成了控制 b l d c m 的重要问题。文献 2 0 比较了目前流行的多种起动方法的优缺点，最终确 定三段式起动方法是最优的方法。而对于三段式起动方法乜1 1 的研究，目前均是采用 开环起动嘲嘲跚嘲采用开环起动方式时，起动电流会比较大，起动电流大约为额 定电流的5 倍，这将会使电动机的过流保护装置动作，关闭功率管，以至于不能 起动，而且较大的起动电流会导致较大的起动压降，将影响电源上的其他用电设备， 因此必须采取措施限制起动电流的大小 1 2 3 永磁同步电机控制方法的发展及研究现状 在永磁同步电机矢量控制系统中，为实现速度的闭环控制，速度传感器必不可 少，且为使定子电流方向与永磁体产生的磁通在空间正交，还需要位置传感器以确 定转子磁极位置。电机速度和转子磁极位置的检测，多采用光电编码器等机械传感 器，增加了系统成本，存在安装与维护上的困难，并使系统易受干扰，降低了系统 的可靠性嘲为克服使用机械位置传感器给调速系统带来的缺陷，近十几年来，各 国学者致力于无位置传感器控制系统的研究p m s m 的无传感器控制已成为电气传 动领域一个重要的研究方向。 无传感器矢量控制的核心是转速和转子位置的估计，系统性能的好坏取决于估 计的精度和动态响应速度。目前，在无传感器p m s m 矢量控制中，已经提出许多方 3 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 法来估计电机转速和转子位置 2 7 - 3 2 ，文献 2 7 - 2 8 利用p m s m 基本电磁关系估算 电机速度和转子位置，这种方法计算简单，动态响应快，然而它对电机参数特别敏 感，且电机转速较低时估计不准确。文献 3 0 _ 3 1 提出了高频注入的方法，通过给电 机注入高频电压，并检测其相应的电流来获取转子的位置和转速。该方法虽然可以 应用于较宽的速度范围且低速时也可得到较好的估算结果，但是高频信号的注入会 带来高频噪声问题，且需要特殊的硬件电路，只适于内埋式电机。文献【3 2 】给出利 用永磁电机凸极效应来估算电机速度和转子位置的方法。利用检测到的电压和电流 值，计算出在这个位置时的电感，并与预先制好的表格中的电感值相比较，进而确 定转子位置，由于暂态和低速时不容易准确地测量定子电压，计算得到的电感值也 会有偏差。 近年来，滑模变结构控制受到越来越多的重视。它具有很多优良特性，比如： 算法简单、良好的鲁棒性、对外来干扰的抑制作用、快速的动态响应、较高的可靠 性等，被广泛应用于机器人控制、飞机自适应控制、卫星姿态控制、电机控制、电 力系统控制等，尤其被用于可建立精确数学模型的确定性控制系统中这种控制 方法通过控制量的切换使系统状态沿着滑模面滑动，使系统在受到参数摄动和外部 干扰时具有不变性，正是这种特性使得变结构控制方法受到各国学者的重视。 然而，滑模变结构控制在本质上的不连续开关特性将会引起系统的抖振，抖振 问题成为变结构控制在实际系统中应用的突出障碍。抖振不仅影响控制的精确性， 增加能量消耗，而且会使系统产生振荡或失稳嘲，损坏控制器部件。因此，关于变 结构控制信号抖振消除的研究成为变结构控制研究的首要问题 通过采用滤波器，对控制信号进行平滑滤波，是消除抖振的有效方法。目前， 滑模观测器中滤波器的设计主要有以下三种：一阶低通滤波器跚。由于低通滤波 器会造成信号的相位延迟，文献 3 6 就提出采用补偿的方式来消除上述相位差。这 种方法不仅很难能得到准确的反电动势，而且需要大量的数据寄存器来存储补偿曲 线。自适应滤波器跚1 文献 3 7 提出的自适应滤波器对输出反电动势的幅值进行 了补偿，由于滤波器的截至频率过大，反电动势中仍包含一定的谐波；而且运用这 种滤波器需要对相电流、相电压进行滤波，增加了滑模观测器的复杂程度，对系统 硬件要求交高卡尔曼滤波器渊。基于李雅普诺夫稳定理论的卡尔曼滤波器不仅 可以滤除反电动势纹波分量，而且对于由于电机参数误差而造成的估计误差有很好 的消除作用，具有较强的鲁棒性。文献 3 9 的滑模观测器采用一阶低通滤波器加卡 尔曼滤波器获得基波反电动势这种方法中开关切换函数存在高频抖振，因此估算 出的反电动势中存在大量的纹波。利用低通滤波器滤波会加大反电动势的相位延迟、 增加其硬件实现难度 本论文针对上述问题，并在文献 3 9 的基础上，对传统的滑模观测器结构进行 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 了改进，将在本文的第4 章和第5 章进行详细的论述。 1 3 课题研究的目的和内容 本论文是重庆大学电气工程学院和斯比泰电子( 深圳) 有限公司合作项目的一 个子课题，课题主要是针对变频冰箱所用无刷直流电机和永磁同步电机的控制方法 的研究。本论文从课题要求和实际应用的角度出发，研究的内容主要分为两个部分， 第一部分( i ) 是无传感器无刷直流电机起动电路的研究，包括第2 章和第3 章， 第二部分( i i ) 是用于无传感器永磁同步电机的滑模观测器的研究，包括第4 章和 第5 章。论文研究的主要内容有： i ：详细分析无刷直流电机的基本运行原理，在一定的假设简化基础上， 分析并建立无刷直流电机的数学模型和等效电路； 根据无刷直流电机的数学模型，在m a t l a b 中建立无刷直流电机的本体 仿真模型； 总结反电动势法检测转子位置的无刷直流电机起动方法及其优缺点和 适用场合； 分析常规无位置传感器无刷直流电机起动过程中电流过大的问题，研 究电流闭环解决了此问题，并在m a t l a b 中建立了电流闭环起动电路及 其系统的仿真模型； 电流闭环起动电路的仿真结果证明了所建立的电机本体模型的正确性 和所提出的电流闭环起动电路解决了常规三段式起动时电流较大的 问题； 电流闭环起动电路的整个系统仿真结果表明该措施具有较好的稳态和 动态响应速度。 ：分析永磁同步电机在d q 轴系和岱一轴系下的数学模型，并根据 d q 轴系中的数学模型，在m a t l a b 中建立了永磁同步电机本体的仿真 原理图； 利用屯= 0 的矢量控制策略实现对永磁同步电机的控制。这种控制方法 中，电磁转矩与定子g 轴电流成正比，控制简单，通过调整p i 调节器 参数，输出合适的由轴控制电压，达到控制电机定予电流的目的。 使用空间电压矢量脉宽调制技术，控制逆变器的输出电压，与正弦波 调制法相比，能更有效地利用直流母线电源电压 在m a t l a b 中建立了永磁同步电机的系统仿真模型； 详细分析了常规滑模观测器的结构和卡尔曼滤波器的设计原理，针对 常规滑模观测器存在的问题，提出了改进的滑模观测器结构：去掉了 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 其中的一阶低通滤波器； 在m a f l a b 中建立常规滑模观测器和改进的滑模观测器的仿真模型，并 进行了对比仿真研究，仿真结果证明了改进的滑模观测器的优越性： 1 ) 消除了传统滑模观测器中的抖振现象； 2 ) 消除了传统的滑模观测器中估算的反电动势和实际的反电动势之 间的相位差； 在负载和转速分别发生阶跃突变的条件下，对改进的滑模观测器进行 了仿真分析，结果证明该改进措施结构简单，且具有较强的抗扰动能 力。 6 重庆大学硕士学位论文2 无刷直流电机运行原理 2 无刷直流电机运行原理 2 1b l d c m 的数学模型及其m a t l a b 建模 鎏 = 匿昙习睦 + 妻兰薹 丢医 + 匿 c 2 - t ， 式中、一定子绕组相电电压，单位矿。 铪e b 、乞一定子绕组相反电动势，单位v ； 盂每相绕组的电阻，单位q ； 每相绕组的自感，单位日# 每两相绕组间的互感，单位日 由于三相绕组为星形连接，由节点k c l 定律得， + + = 0 因此： 蚝+ 抱+ 礁- - 0 所以式( 2 - 1 ) 可以变为： ( 2 2 ) ( 2 3 ) 圣 = 季三量 i + 工三肘三二0 _ 工乙oj 1 吾【r , ：j 1 + 圣 c z 一4 ， 7 重庆大学硕士学位论文 2 无刷直流电机运行原理 项为激磁电势，即反电动势。电磁功率为 = 吼+ 巳毛+ 巳之 ( 2 5 ) 永磁b l d c m 的电磁转矩是由定子绕组中的电流与转子磁钢产生的磁场相互作 用而产生的。定子绕组产生的电磁转矩表达式为 ：e i + e b i b + e j t ( 2 - 6 ) 。 纬 从式( 2 - 6 ) 可看出，b l d c m 的电磁转矩方程与普通直流电动机相似，其电磁 转矩与磁通和电流幅值成正比，所以控制逆变器输出方波电流的幅值即可控制 b l d c m 的转矩。电机的运动平衡方程为； t 一毛一b = ，! 笺l ( 2 7 ) 口l 式中：珞疋一电机电磁转矩、负载转矩，单位n 辨； 占摩擦系数，单位n m ，； ，一电机的转动惯量，单位堙m 2 ； 吃一电机的机械角速度，单位r o d $ ； 而反电动势幅值可计算为：暑=瓯(2-8) 式中：e 梯形波反电动势幅值，单位矿； 置一电机感应电动势系数，单位矿s r a d 由式( 2 - 4 ) 可得b l d c m 的等效电路如图2 1 所示。图中，u 为直流侧电压， 隅一门；为功率开关器件。v d i 网k 为续流二极管，工h = l m ，图中标出的相电 流和相反电动势的方向均为其正方向。 图2 1 无刷直流电机的等效电路 f i g 2 it h e 唧i v a l tc i r c u i to f b l d c m s 重庆大学硕士学位论文2 无刷直流电机运行原理 2 1 2b u ) c m 本体在m a t l a b 中的建模 由2 1 1 节中b l d c m 的数学模型，在m a t l a b s i m u l i n k 和s i m p o w e r s y s t e m s 中建立了b l d c m 模型“，如图2 2 所示。图2 2 中，c v s - c v s 2 是受控电 压源( c o n 缸o l l e dv o l t a g es o u r c a ) b e m f ( b a c ke l e c t r o m o t i v ef o r c e ) 子模块是 实现反电动势检测电路的，该子模块是利用分段线性法，如图2 5 所示，将 一个运行周期0 3 6 0 分为6 个阶段，每一相的每一个运行阶段都可用一段直线 进行表示，根据某一时刻的转子位置( p o s ) 和转速信号( 蛾) 确定该时刻各 相所处的运行状态，通过直线方程即可求得反电动势波形。分段线性法简单易 行，且精度高较高，能够较好的满足建模仿真的设计要求。第3 章的仿真结果 证明了此电机本体模型的正确性。 图2 2b l d c m 本体仿真模型 f i g 2 2 t h es i m u l a t i o n m o d e l o f t h e b o d y f o r b 删 2 2 无位置传感器b l d c m 控制系统分析 2 2 1b l d c m 控制系统构成 对于无刷直流电机控制系统来说，它一般由无刷直流电机本体、主控单元( 模拟 式或数字式) 、功率主电路及其驱动电路、转子位置检测、直流电源五大主要部分再 加上其他各种外围辅助电路组成，其系统结构框图如图2 3 所示 9 重庆大学硕士学位论文2 无刷直流电机运行原理 图2 3b l d c m 控制系统结构框图 f i g 2 3t h es t r u c l a r eb l o c kd i a g r a mo f t h eb l d c m c o m r o ls y a t g m 2 2 2 无位置传感器b l d c m 控制系统工作原理 根据2 1 节所描述的b l d c m 的数学模型，建立了b l d c m 控制系统原理框图， 如图2 4 所示埘姗 图2 4 无位置传感器b l d c m 控制系统原理框图 f i g 2 4t h ep r i n c i p l eb l o c kd i a g r a mo f t h ep o s i t i o ns e n s o r l e s sb l d c m c o n a , o ls y s t e m 由图2 4 可以看出，b l d c m 在稳态运行时，是采用转速、电流双闭环控制。 转速调节器采用p i 算法实现，速度为外环，电流为内环，电流环调节的实际上是电 磁转矩。速度给定信号矿与速度反馈信号玎送给转速p i 调节器，转速调节器的输出 作为相电流信号的参考幅值f 。，通过位置检测器输出的转子位置确定相电流的逻辑 关系，从而由定子相绕组电流发生器产生三相参考电流i o ，t ，与电流信号的 反馈值，如。采用滞环控制，形成p 阡m 调制波，控制逆变器实际输出电压。 逻辑控制单元的任务是根据位置检测器的输出信号及正反转指令信号决定逆变桥导 遥逻辑，被确定要导通的相并不总是在导通，它还要受p w m 输出信号的控制，逻 辑“与”单元的任务是把换相信号和p w m 信号结合起来，再送到逆变器的驱动电 路。反电动势过零检测单元通过检测b l d c m 的端电压，确定过零点，通过位置检 测器得到转子的位置信号，从而控制相电流逻辑和逆变桥导通逻辑。因此当电机在 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 无刷直流电机运行原理 起动或者低速的情况下，无法检测反电动势的过零点，因此也就无法确定转子的相 应位置。因此在无位置传感器b l d c m 控制系统中，还应设计起动电路，确保控制 系统的可靠性。 2 3 反电动势过零检测原理 目前比较成熟的无位置传感器运行控制方法主要有反电动势检测法、定子三次 谐波检测法、续流二极管电流通路检测法和瞬时电压方程法等，而其中，反电动势 检测法是最简单而实用的方法嘲，所以本论文选择采用反电动势过零检测法。首先， 这种技术适应于多种电机；其次，理论上，y 连接和连接的三相电机都可以使用 这种技术实现控制；再者，采用反电动势过零检测法，不需要详细了解电机特性， 对电机制造容许公差要求也不太严格，并且对电机的电压控制和电流控制都有效。 两相导通星形三相六状态b l d c m 的梯形波反电动势及绕组通电波形如图2 5 所示1 】【艟】。 乞， 0 图2 5b l d c m 反电动势和绕组电流波形 f i g 2 5t h eb e m fa n dw j n g i n gc u n tw a v e f o r m so f b l d c m 由2 1 节中b l d c m 的数学模型和式( 2 - 4 ) 可得，b l d c m 运行时，相电压平衡方 程为( 以a 相为例) ： 旃 = 矗乞+ ( 三一 d = + 巳( 2 - 9 ) 若a 相悬空，绕组中无电流，式( 2 - 9 ) 中，第一项定子绕组上的电压为零，第 二项绕组中电流变化引起的自感电动势和互感电动势之和为零，第三项就是绕组中 的反电动势乞，即当a 相绕组悬空时，电压平衡方程可以简化为 l o2 乞 即绕组的相电压等于反电动势，所以， ( 2 - 1 0 ) 在绕组悬空的时候，可以用相电压近似代替 重庆大学硕士学位论文2 无刷直流电机运行原理 反电动势。对于三相星形连接的绕组来说，相电压是指相绕组两端的电压，也就是 绕组端部和中心点之间的电压，而大部分无刷直流电机都没有中心点引出线，所以 采用测量端电压的方法，即“端电压法”所谓端电压是指绕组端都至电源地之间的 电压，从端电压的定义不难看出，端电压就是在相电压的基础上加上中心点对地的 电压。由上式的分析可得出下式： 够坩= 畋+ l ，时= 巳+ 珥酊 ( 2 - 1 1 ) 式中：善悬空相 够。一中心点对地电压 由式( 2 - 1 1 ) 可知： e l = o 时，= t ( 2 - 1 2 ) 即悬空相绕组电压等于中心点电压，此时刻即是悬空相绕组反电动势过零点的时刻。 由式( 2 - 1 2 ) 可知( 以a 相为例) ：= + ( 2 1 3 ) = 乞+ ( 2 - 1 4 ) 式( 2 1 3 ) 和( 2 1 4 ) 相加，得 + = + 巳+ 2 ( 2 1 5 ) 而e b + e c = o ，所以= 丝磐( 2 - 1 6 ) 由式( 2 - 1 1 ) 和( 2 1 6 ) 得，巳= 一丝尝( 2 - 1 7 ) 二 同理可得b 相和c 相反电动势过零点方程： 气= 一毕( 2 - 1 8 ) 二 e f - - - - i e 6 一u d a4 1 - u b g ( 2 - - 1 9 ) 通过以上原理，可以将悬空相绕组端电压与中心点电压进行比较以获取绕组的 反电动势过零点。又由图2 5 知，当测得反电动势波形过零点后，再延迟3 0 。电角 度才是它的换相点。 2 4 反电动势法检测转子位置的b l d c m 起动方法 目前，反电动势法检测转予位置的无位置传感器b l i c m 起动方法包括短时检测脉 冲转予定位起动法、预定位起动法，升频升压同步起动法以及三段式起动法等。 2 4 1 短时检测脉冲转子定位起动法 文献 4 7 j 描述了短时检测脉冲转子定位起动法。尽管此起动方法也分为转子定 位、加速及切换3 个过程，但定位与加速的方法与下面提及的三段式起动方法不同。 在此，转予定位时给电机的定子绕组按一定的规则施加f r 个- 短时检测脉冲，然后成对 比较相应的脉冲电流峰值，通过检查事先定义的转子位置代码表，得出转子位置及 1 2 重庆大学硕士学位论文2 无刷直流电机运行原理 随后加速时将需要的通电相序。加速过程中，每次当加速脉冲结束后，再一次发出6 个检测脉冲确定转子的位簧，然后再确定将要通电的相序，不断重复检测加速一 检测加速直到电机转速高到可以用反电动势法确定转予的位置时为止。由于 检测脉冲的脉宽很窄，不会对低速旋转的电机造成大的影响 短时检测脉冲转子定位法在转子定位时能保证电机转子起动时不产生振荡，加 速时控制简单，易于实现。由于这种起动方法是建立在铁心电感磁饱和基础之上的， 如果无刷直流电机的定子绕组不是铁心线圈，比如是空心线圈或电机转子本身是一 个标准的圆柱状永磁体，则此方法的可靠性将降低。因为这样很难准确区分出6 个电 流脉冲峰值的大小。从而无法实现转子的定位，也无从实现电机的可靠起动 2 4 2 预定位起动法 文献 4 8 、 4 9 、 5 0 和 5 1 描述了预定位起动法。预定位方式起动分为两个 步骤。第一步为强迫预定位，给电机一确定的通电状态，电机定孑合成磁势在空间 上有一确定方向，把转子磁极拖到与定子合成磁势轴线重合的位置，实现预定位。 第二步为起动，改变电机通电状态，使定子合成磁势转向下一个位，在电磁转矩的 作用下拖动转子磁极向定子磁势轴线方向移动，在转予转动过程中产生反电动势， 利用电子开关切换到利用反电动势换向的无刷电机方式，驱动电路正确换向，完成 电机的起动。 预定位起动法起动可靠、实现简单、方便，对于任意转子初始位置角，电机都 能可靠实现预定位，保证电机从零速度起动并快速切换到无传感器闭环方式运行， 但对切换时间要求较严，当电机惯量不同或带一定负载起动时，切换时间需要调整， 否则可能造成起动失败甚至电机反转现象，因此一般适用于电机空载起动。 2 4 3 升频升压同步起动法 文献 5 2 描述了升频升压同步起动法。其起动框图如图2 4 所示电路通电后。 电容c 上的电压以缓慢提升，此电压加到压控振荡器的输入端，压控振荡器的输出 经分频后作为时钟信号加到环形分配器上，环形分配器输出的信号转换成换相逻辑 信号加在功率放大电路上，控制绕组的导通。同时，玑加到p 喇电路的输入端作为 调制信号，使p w m 信号占空比随以变化，控制绕组导通的脉冲宽度。这样，随着以 的上升，加到绕组上的电压与频率逐渐上升，以升频升压方式驱动电机运行。另外， 将玑与设定的阈值进行比较，当阢达到一定的数值后，即电机转速达到一定数值 后，经逻辑电路将电机切换到无刷直流电机运行状态。 升频升压同步起动法对切换时间没有严格要求，在一定升频速度范围内可在空 载、半载以及带一定负载情况下可靠起动，无反转现象。在起动过程中电流较大， 切换至反电势检测控制方式运行后电流减小，但附加的起动电路加大了电机的尺 寸。对于较多应用于微型电机中的无刷直流电机是个不小的障碍，而且使电机的可 1 3 重庆大学硕士学位论文 2 无刷直流电机运行原理 靠性降低。 图2 6 升频升压司步起动电路框图 f i g 2 6t h ec i _ m u i tb l o c kd i a g r a mo f t b er i s i n gf l , = c , = z ya n dr i s i n gv o l t a g es y n c h r o n o u ss t a r 岫g 2 4 4 三段式起动法 文献 2 2 、 5 3