（电力电子与电力传动专业论文）直流无刷电动机控制系统的设计与仿真.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er a r e - e a r t hs q u a r e - - w a v ep e r m a n e n tm a g n e tb m s h l e s sd cm o t o rc o n t r o l s y s t e mi sn e wt y p eo fs y s t e md e v e l o p e dr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s w i t hi t sh i g h p e r f o r m a n c e ，t h es y s t e m s h o w sa b r o a d ，p r o s p e c t f o rf u r t h e ra d v a n c e s c o n v e n t i o n a ld ce l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e ma l w a y st a k e su pd o m i n a n ts t a t i o ni n s u b m a r i n ep r o p u l s i o n d u et od cm o t o ri n h e r e n tl i m i t a t i o nt h a tm a c h i n e c o m m u t a t i o na n db r u s hr e s u l t si ns t a n d a l o n ec a p a b i l i t y sl i m i tl o wr e l i a b i l i t y , b i g n o i s e s ，p e o p l em a n a g et oe x p l o r em o r eq u i e t ，h i g he f f i c i e n ta n dr e l i a b i l i t y , b i g s t a n d a l o n ec a p a b i l i t yp r o p u l s i o nm o t o r t h e s ey e a r sa l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n t o fp o w e r - e l e c t r o n i c st e c h n i q u ea n dm i c r o - c o n t r o lt e c h n i q u e ，p e r m a n e n tm a g n e t i c b r u s h l e s sd cm o t o ri sc h a r a c t e r i z e db ys m a l lv o l u m e ，l i g h tw e i g h t ，h i g h e f f i c i e n c y , l o wn o i s e s ，b i gs t a n d - a l o n ec a p a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t ya p p e a r e da n d m a t u r e d s oi ti sh o p e f u lt ob e c o m en e w g e n e r a t i o ns u b m a r i n ep r o p u l s i o nm o t o r t h i sp a p e rd e s c r i b e st h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo f t h es q u a r e - w a v eb r u s h l e s s d cm o t o ra n dc o n s t r u c t st h em o d e lo fb l d c t h ep o s i t i o na n ds p e e d c u r r e n t c l o s e - l o o pc o n t r o ls y s t e mf o rt h es q u a r e - - w a v eb r u s hd cm o t o ri ss i m u l a t e da n d a n a l y z e d ，a n dr e a ls y s t e mc a nb ed e s i g n e du n d e rt h eg u i d a n c eo ft h es i m u l a t i o n r e s u l t s t h em a i n c i r c u i ta d o p t si g b tt h r e e p h a s e sc o n v e r t e r c o m m u t a t ec i r c u i t a d o p t sl m 6 2 1t ol i g h t e nt h eb u r d e no fs i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r t h ep w m c o n t r o l l e rc o n t r o l st h es p e e d t h es o f b c e a r em a k e su po ft h em a i n p r o g r a ma n d i n t e r r u p tp r o g r a m w i t ht h eh a r d w a r e ，t h es y s t e mc a nr e a l i z et h ef u n c t i o n so fs t a r t ， s t o pa n dd i r e c t i o nm o v e m e n t t h i sp a p e rd e s i g n e da n dr e a l i z e dt h ec o n t r o ls y s t e m o ns i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e rf o rb r u s h l e s sd cm o t o r ，c o m p l e t e di t sh a r d w a r e a n ds o f t w a r ec i r c u i t s t h es y s t e m r a t i o n a l i t yi nd e s i g n ，r e l i a b i l i t yi no p e r a t i n ga n d 1 1 i g h p e r f o r m a n c ei np o s i t i o na d j u s t m e n t k e y w o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o r ；s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r ；s i m u l a t i o n ；s i m u l i n k 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 兹麟 日期：刃口房月多日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 本课题的背景 第1 章绪论 无刷电机被广泛的应用于船舶电力推进中，它是一种新型的驱动执行元 件，由于采用了电子换向，其可靠性高、寿命长、并且无电火花干扰，作为 一种先进的驱动电机，它既具备交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便 的一系列优点，又具备直流电动机运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好 的诸多特点，因此，采用无刷直流电动机来作为船舶电力推进系统中的驱动 执行元件当是一种较为理想的选择。“十五期间”，2 11 船舶综合全电力推进 技术中完成了无刷电机推进系统，该系统通过调整电枢电流来模拟电机负载 装置含螺旋桨负载装置的各种负载特性，对直流无刷电机带载情况的研究提 供试验设备，并能准确提供个负载情况下的转矩、转速数据。 本课题以上述应用为背景，设计了单片机控制的无刷直流电动机控制系 统并对这些问题进行了研究，它既要求无刷直流方波电动机控制系统具有较 高的控制性能，又要求它体积小、可靠性高。这些研究会对船舶电力推迸的 发展起到一定的促进作用。 1 2 无刷直流电动机的发展现状 直流电动机具有运行效率高、调速性能好等优点。但由于电刷的存在， 由此就带来了因为机械摩擦而产生的噪声、火花、电磁干扰等缺点。再加上 电机的制造成本高、维修困难、使用寿命短，其使用范围受到影响。 针对上述传统直流电动机的弊病，在2 0 世纪3 0 年代，就有人开始研制 以电子换相来代替机械换相的永磁无刷直流电机，但由于当时的大功率电子 器件处于发展的起步阶段，还没有找到理想的电子换相元件，使 ! 导这种电机 只能停留在实验室阶段，而无法进行推广应用。直到1 9 5 5 ，美国的d h a r r i s o n 哈尔滨工程大学硕士学位论文 首次实现了用晶体管电子开关代替电动机的电刷，标志着现代无刷直流电动 机的诞生。但是，由于这种电动机没有起动转矩而无法产品化。随后，经过 研究人员的多年努力，借助于霍尔元件来实现换相的直流无刷电动机在1 9 6 2 年问世，从而开创了直流无刷电动机产品化的新纪元。2 0 世纪7 0 年代以来， 随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件相继出现， 如g t r ，m o s f e t ，i g b t 等，以及高能永磁材料如钐钴、铁铷硼等的问世，均为 永磁无刷直流电机的广泛应用奠定了坚实的基础。随后，由于比霍尔元件的 灵敏度高千倍左右的磁敏二极管的出现，在2 0 世纪7 0 年代初期，试制成功 了借助磁敏二极管实现换相的永磁无刷直流电机。采用霍尔元件位置传感器 的永磁无刷直流电机结构简单、适应性好、信号容易控制，因此，霍尔元件 位置传感器始终是永磁无刷直流电机位置传感器的主流。 2 0 世纪8 0 年代，数字信号处理器( d s p ) 的出现，在信号处理领域引起 了巨大的革命，d s p 强大的计算能力使许多控制方法得以实现。到2 0 世纪9 0 年代，d s p 的成本不断的下降以及单片机的精度和速度不断的提高，使永磁 无刷直流电动机的全数字无传感器控制成为研究的热点，大大的提高了电机 的控制精度。由d s p 控制的逆变器供电的永磁无刷直流电动机加上转子位置 闭环控制系统即具有电励磁直流电动机的优异调速性能，又实现了无刷化， 这在要求高控制精度和高可靠性的场合，如航空、航天、数控机床、加工中 心、机器人、电动机车、计算机外设和家用电气等方面都获得了广泛的应用。 随着微电子技术的发展，使用电子整流技术的永磁无刷电动机成本大幅 度下降。由于永磁无刷电动机在原理上具有高可靠、高效率的优点，因此， 永磁无刷直流电动机将逐步应用于更多的领域，特别是将会在家电中普遍应 用，逐步取代传统结构的不易控制的交流电机和机械整流的直流电机。无刷 直流电动机成为当今小电机发展的趋势，具有广泛的市场前景。综上所述， 永磁无刷电动机技术随着永磁材料的不断提高和完善，以及电力电子技术的 进一步发展，永磁无刷电动机研究和开发经验的积累逐步走向成熟，使永磁 无刷电动机的应用、开发进入一个新的阶段。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 本课题的工作内容 论文首先研究了直流无刷电动机的工作原理及控制系统的脉宽调速控制 原理，对三相绕组直流无刷电动机主回路的控制方案分析对比后，确定本课 题所采用的控制方案。 通过对直流无刷电动机的理论分析，建立了直流无刷电动机的数学模型， 在转速和电流双闭环调速的基础上对控制系统进行研究，结合直流无刷电动 机的特点对双闭环调速系统进行改进，在双闭环的基础上加入一个位置环的 三环控制，对无刷直流电动机及其控制系统进行了研究，并且基于s i m u l i n k 建立了仿真模型，通过仿真结果对三环控制系统的调速性能进行验证。 根据以上的理论研究及仿真结果，设计基于单片机控制的无刷直流电动 机控制系统的主电路及各控制硬件电路及系统的软件部分的设计思路及流程 图。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章直流无刷电动机的工作原理 2 1 直流无刷电动机的结构与原理 直流无刷电动机的结构原理如图2 1 所示。 图2 1 直流无刷电动机的结构原理图 从图2 1 可见，直流无刷电动机组件主要由电动机本体、位置传感器和 电子开关线路三部分构成。其定子绕组一般制成多相，转子由永磁材料制成。 电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其它起动装 置。其定子绕组一般制成多相( 三相、四相、五相不等) ，转子由永久磁钢按 一定极对数( 2 p = 2 ，4 ，) 组成。定子绕组分别与电子开关线路中相应的 功率开关器件联接。位置传感器的跟踪转予与电动机转轴相联接。 当电子绕组的某- - $ h 通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁 场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置信 号变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导 通，定子相电流随转予位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路 的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 因此平常所说的直流无刷电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台 由电子开关线路、电动机本体及位置传感器三部分组成的电动机系统。直流 无刷电动机的组成原理框图如图2 2 。 图2 2 直流无刷电动机的组成原理框图 直流无刷电动机转子的永久磁钢与永磁有刷电动机中所使用的永久磁钢 的作用相似，均是在电动机的气隙中建立足够的磁场。不同之处在于直流无 刷电动机中永久磁钢安装在转子上，而普通永磁直流电动机是将磁钢安装在 定子上。 直流无刷电动机电子开关线路用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺 序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成。 功率逻辑开关单元是控制电路的核心，它的功能是将电源的功率以一定逻辑 关系分配给直流无刷电动机定子上各相绕组，以便使直流无刷电动机产生持 续不断的转矩，而各相绕组导通顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信 号，但位置传感器产生的信号一般不能直接用来控制功率单元，常需要经过 一定的逻辑处理后才能去控制功率单元。与有刷直流电动机区别的是：有刷直 流电动机必须有一个滑动的接触机构一电刷和换向器，通过它们把电流反馈 给旋转着的电枢。综上所述，构成直流无刷电动机的主要部件框图如图2 3 所示。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 氐 潍 黾 删 i 毪 瑚 机 b 劫 j l 奉体 l 毡矛歼笑线路 位溉传感器 图2 3 直流无刷电动机的组成框图 普通的永磁直流电动机的定子由永久磁钢，其主要作用是在电动机气隙 中产生磁场，电枢绕组通电后产生感应磁场。由于电刷的换向作用，使得定 子磁场和电枢感应磁场在电动机运行过程中始终保持相互垂直，从而产生最 大转矩而驱动电动机不停地运转。直流无刷电动机为了实现无电刷换向，首 先要求把一般直流电动机的电枢绕组安放在定子上，把永久磁钢安放在转子 上，这与普通直流永磁电动机的结构相反。但仅仅用直流电直接供给定子上 的电枢是不行的。因为这样的话，电枢绕组产生的磁场是固定的，不能与转 子的永磁磁场相互作用产生顺着某一方向的转矩。为了产生单一方向的电磁 转矩，就要保持电枢产生的磁场与永磁转子的磁场在电动机运行时相互垂直， 为此，直流无刷电动机除了由定子和转子组成的电动机本体外，还要有电子 换向装置，使得直流无刷电动机在运行过程中定子绕组产生的磁场和转子中 的转子磁钢产生的永磁磁场在空间始终保持在n 2 左右的电角度。目前，这 种换向装黄一般由位置传感器、控制电路和逻辑开关共同构成。 为了便于阐述，下面以三相星形绕组半控电路为例来说明直流无刷电动 机的工作原理。如图2 4 所示，为了便于说明此处用光电转换器件来做转予 的位置传感器，在图2 4 中，以三只功率管v 1 ，v 2 ，v 3 构成功率逻辑单元。 6 晰一；鎏一一一一一一一一一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i 高宣i i i i i i i i 宣宣i 皇i l i i _ v 图2 4 三相绕组直流无刷电动机 在图2 4 中，三只光电器件v p i 、v p 2 、v p 3 的安装位置各相差1 2 0 0 ，均 匀分布在电动机一端。借助安装在电动机轴上的旋转挡光板( 亦称截光器) 的 作用，使得从光源射来的光线依次照射在各个光电器件上，并根据某一光电 器件里是否被照射到光线来判断转子磁极的位置。图2 5 ( a ) 中所示的转子位 置和图2 4 中所示的位置相对应，由于此时v p i 被光照射，功率晶体管v 1 呈导通状态，绕组a a 上有电流通过，该绕组电流产生磁场与转子磁钢产 生的磁场相互作用，形成电磁转矩使转子按图示箭头方向转动( 顺时针方向) 。 当转子磁钢磁极转到图2 5 ( b ) 所示位置时，直接装在转子轴上的旋转遮光板 亦跟着转子同步转动，并遮住v p i 的光线，使得功率管v 1 截至，同时v p 2 被光照到，有信号输出，使得v 2 导通，电枢绕组b b 上有电流流过，该绕 组电流产生磁场与转予磁钢磁场相互作用，形成电磁转矩使得转子继续保持 电机顺时针方向转动。当转子转到图2 5 ( c ) 位置时，此时旋转遮光板遮住 了v p 2 ，使v p 3 被光照射，v p 3 有信号输出，导致功率管v 2 截止，v 3 导通， 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 绕组c - c 有电流通过，于是驱动转子继续向顺时针方向旋转，并重新回到 图2 5 ( a ) 的位置。 謇a 曲a | a ) f a b ) d i f d 图2 5 开关位置及定子磁场旋转示意图 随着位置传感器扇形片的转动，定予绕组在位置传感器v p l 、v p 2 、v p 3 的控制下，便一相一相依次馈电，实现了各相绕组电流的依次换相。由以上 分析可知，在换相过程中，定子各绕组在工作时间内所形成的旋转磁场是跳 跃式的。这种旋转磁场在3 6 0 度电角度范围内有三种输出状态，每种磁状态 持续1 2 0 0 电角度。各相绕组电流与电动机的相互关系转子磁场如图2 5 所示。 图2 5 ( a ) 第一状态，只为绕组a a 通电后所产生的磁动势显然，绕组电 流与转子磁场的相互作用，使转子沿顺时针方向旋转：转过1 2 0 0 电角度后，便 进入第二状态，这时绕组a - a 断电，而绕组b b 随之通电，即定子绕组所产 生的磁场转过了1 2 0 0 ，如图2 5 ( b ) 所示，电动机转子继续沿顺时针方向旋转， 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 再转过 2 0 0 电角度，便进入第三状态，这时绕组b b 断电，c = c 通电，定子 绕组所产生的磁场又转过了1 2 0 0 电角度，如图2 5 ( c ) 所示：它继续驱动转子 沿顺时针方向转过1 2 0 0 电角度后就恢复到初始状态了。这样周而复始，电动 机转子便连续不断地旋转。图2 6 示出了各相绕组的导通顺序示意图。 a - a c e 。 b 一。口 0 1 2 0 。 2 4 0 。3 6 0 4 4 8 0 。 w t j 口。 0 1 2 0 ” 2 4 0 ”3 6 0 ”4 8 0 4 w t 0 。 1 2 0 。2 4 0 9 3 8 0 4 8 0 w t 图2 6 各相绕组的导通示意图 2 2 三相绕组直流无刷电动机控制主回路的基本类型 2 2 1 主回路控制方案简介 直流无刷电动机的应用，已遍及各个技术领域其控制方法和运行方式也 层出不穷，但从一定意义上讲直流无刷电动机是直流电动机的一个分枝除了 不能采用变励磁调速方法外( 因转子为用磁钢) ，其他一切直流电动机的转速 控制方法均可以用来控制直流无刷电动机。前已指出，直流无刷电动机实际 上是一个由电动机本体，功率管、主回路及转子磁钢位簧传感器等部分组成 的闭环控制系统。为了讨论方便起见把功率管主回路和转予磁钢位置传感器 合并在一起称之为电子换相器，其主要功能是保证电动机定子绕组准确换相， 确保直流无刷电动机在运行过程中定转子两磁场始终保持基本垂直，以提高 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 运行效率。因此根据功率管主回路的不同和换相控制器件的不同也就派生出 了诸多典型控制电路。主要有以下几种： 第一， 分立元件全模拟电路；第 二，专用集成控制电路；第三，数模混合控制电路；第四，全数字控制电 路；其中全模拟电路在以往的无刷直流电动机中大量的应用，目前在许多经 济实用型的无刷直流电动机中仍占着主导的地位。但是，由于模拟电路不可 避免的存在参数的漂移和不一致问题，以及线路复杂，调试不方便等因素， 因而使电动机的可靠性和其它性能受到影响。 至于什么情况下选用什么样的控制电路则应根据对电路的精度要求与 实际条件确定。 2 2 2 各控制方案的比较 ( 1 ) 三相半控电路 常见的三相半控电路如图2 7 所示，图中，l a ，l b 和l c 为电动机定子 a ，b ，c 三相绕组，v f 。，v f ：，v f 3 为三只b l o s f e t 功率管，主要起开关作用。 m j 兑、 】(1 i 晦矗：。 l 臣矗。1 臣 图2 7 三相半控电路 h 。，h 。和h ，为来自转子位置传感器的信号。在三相半控电路中，要求位置 传感器的输出信号1 3 周期为高电平，2 3 周期为低电平，并要求各传感器 信号之间的相位差也是1 3 周期，如图2 8 所示。 通电后三m o s f e t 功率管根据霍尔信号的形式按照一定的顺序换相，每只 l o 由上面讨论可知，虽然三相半雄电路比较简单但是霍尔信号必须是1 2 0 度( 2 4 0 度) 触发方式。并且直流据刷电动机的电源线引出端必须4 根。但 是本课题所用直流无刷电动机的电陬线只有3 根，并且霍尔信号触发方式为 6 0 度。仅由这两点就可知本课题刮能采用三相半控电路。此外由转矩图可知 三相半控电路的转矩脉动较大从o f 5 t m 到t m ，并且每相绕组只通电i 3 周期， 另2 3 周期处于断开状态，没有得到充分利用，也即电动机本体的利用率很 低。因此本课题不采用此种控制方麋。 ( 2 ) 分立元件实现的三相全控桥控制电路 l l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 半控桥电路转矩脉动大，绕组利用率低，所以在要求比较高的场合一般 采用三相全控电路。众所周知，三相绕组的连接方式有和y 之分。本节以 y 连接方式为例对分立元件三相全控桥电路加以分析。一典型电路图如2 1 0 所示。 当采用两两通电方式时，其合成转矩增加了1 7 3 2 倍，每隔6 0 度电角度 换相一次，每次换相一个功率管，每个功率管通电1 2 0 度，每个绕组通电2 4 0 度( 正向通电1 2 0 度，反向通电1 2 0 度) 。 图2 1 0 分立元件典型控制电路 图2 1 1 全控桥转矩波形图 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其输出转矩波形如2 1 1 所示。采用三三换相方式时合成转矩增加1 5 倍，每 一瞬间均有三个功率管导通。每隔6 0 度换相一次，每次一个功率管换相，每 个功率管通电1 8 0 度。 合成转矩同时使转矩脉动大大减小仅从0 8 7 t 到t 。但是由于采用分立 元件作为换相作为换相控制电路，无法实现电路的正反转，速度调节和限流 功能。若想实现上述功能必须附加外围电路，这将使控制电路变的过分复杂。 总之分立元件控制电路实现的功能十分有限，从而使电路应用受到了极大限 制因此本课题也不采用此种控制方案。 ( 3 ) 单片机实现的多功能控制电路 前面已经说明分立元件搭建的换相控制电路实现的功能十分有限。随着 计算机技术的飞速发展，计算机运算速度越来越快，各种功能日益完善，而 其体积却不断减小。从而大大推动了计算机实时控制的不断高速发展，应用 范围也遍及各个学科领域。 单片机中p 。口置成输出口同一片7 4 0 6 反相器相连去控制直流无刷电动 机的换相。p 。口也置成输出口外接一数摸转换器d a c 5 5 8 。p 。口作为输入口用 于接收来自转子磁钢位置传感器的霍尔信号h 。，h ：，h 。 采用8 7 5 1 单片机控制直流无刷电动机的换相主要有以下优点： 可实现对直流无刷电动机的实时控制。通过软件编程可以监视直流无 刷电动机的工作状态，方便控制电动机的转速，正反转。同时当电动机运行 出现故障时也可以及时采取相应措施以避免事故，减小损失。 方便实现对电动机的起动电流限制。主回路中通过电动机的电流最终 通过r 。接地。因此，u f = r 。$ i 。，其大小正比于电动机的电流i 。而v ，同数模转 换器的输出电压u 。分别送到l m 3 2 4 运算放大器的两个输入端，一旦反馈电压 u ，大于来自数模转换器的给定信号砜，则l m 3 2 4 运放输出为低电平，使的 主回路中3 只功率管阡；，阡j ，阡：无法导通，从而截断了直流无刷电动机定 子绕组的电流。迫使电动机电流下降，一旦电流下降到u ，小于“，则l m 3 2 4 运算放大器的输出回到高电平。主回路的哦，喝，峨又具备导通能力，其 具体导通次序仍由p l 口控制，于是起到了限制电流的作用。 方便实现转速控制。上面所述的限流大大小为l = g o 置。，因此， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在直流无刷电动机正常运转的过程中，只要通过控制数模转换器的输出电压 玑，就可以控制直流无刷电动机的电流，进而控制电动机的转速，也就是说， 8 7 5 1 单片机可以通过来自转子位置传感器信号的周期，计算出电动机的转 速，并把它同给定转速比较，如高于给定转速，则减少只口的输出数值，降 低电动机的电流，以达到降低转速的的目的。反之。如果测得的转速低于给 定转速，则增加只h 的输出数值，进而加大电动机的电流，从而提高其转速。 至于采用何种控制方法，可以通过软件来实现，再此不做讨论。 可以轻松实现正反转。只需在设计电路是在输入口设置一位正反转标 志位，以标志位的不同状态( o 或1 ) 标志正转还是反转，再配合软件既可方 便实现电动机的正反转控制而，无需对硬件电路作出改动。 ( 4 ) 通电方式简介 直流无刷电动机的主电路结构形式有多种，有三相半控电路，三相y 联 结全控电路，三相联结全控电路等多种形式。与三相半控电路相比，直流 无刷电动机三相全控电路比较复杂，但电动机利用率高，转矩波动小，波形 较平稳，在要求较高的装置中，常利用三相全控电路。本文所讨论的直流无 刷电动机为三相y 联结全桥控制。它们的导通方式又可分为两两导通方式和 三三导通方式。 两两通电方式为每一瞬间有两个功率管导通，其电路原理图如图 2 1 3 所示。每隔1 6 周期( 6 0 。电角度) 换相一次，每次换相一个功率管，每 一功率管导通1 2 0 。电角度。各功率管导通顺序是v f i v f 2 、v f 2 v f 3 、v f 3 v f 4 、 v f 4 v f 5 、v f 5 v f 6 、v f 6 v f l 、。功率管v f l 和v f 2 导通时，电流从v f l 管流 入a 相绕组，再从c 相绕组流出经v f 2 加到电源。如设流入绕组的电流所产 生的转矩为正，则从绕组流出的电流所产生的转矩为负，它们的合成转矩， 其大小为4 3 l ，方向在瓦和一：r e 的角平分线上。当电动机转过6 0 。电角度后， 由v f l v f 2 通电换成v f 2 v f 3 通电，这时电流从v f 3 流入b 相绕组再从c 相绕 组流出，经v f 2 回到电源，此时合成的转矩，其大小同样为4 3 n ，但合成转矩 瓦。的方向转过了6 0 。电角度。而后每次换相一个功率管，合成转矩矢量方向 就随着转过6 0 。电角度，但大小始终保持3 不变。 所以，同样一台直流无刷电动机，每相绕组通过与三相半控电路同样的 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电流时，采用三相y 连接全控电路，在两两换向的情况下，其合成转矩增加 了3 倍。每隔6 0 。电角度换向一次，每个功率管通电1 2 0 。，每个绕组通电 2 4 0 。，其中正相通电和反向通电各1 2 0 。三相全控时的转矩波动比三相半控 时小得多，仅从0 8 7 t m 到t m 。 图2 1 2 两两通电电路原理图 三三通电方式是指每一瞬间均有三只功率管同时导通，每隔6 0 。换向 一次，每个功率管通电1 8 0 。它们的导通次序是 v f i v f 2 v f 3 ，v f 2 v f 3 v f 4 ，v f 3 v f 4 v f 5 ，v f 4 v f 5 v f 6 ，v f 6 v f l v f 2 ，v f l v f 2 v f 3 。当 v f 6 v f l v f 2 导通时，电流从v f l 管流入a 相绕组，经b 相和c 相绕组( 这时b 和c 两相绕组为并联) 分别从v f 6 和v f 2 流出。这时流过b 相和c 相绕组的 电流分别为流过a 相绕组的一半，其合成转矩大小为1 5 。经过6 0 。电角度 后，换向到v f l v f 2 v f 3 通电，即先关断v f 6 而后导通v f 3 ( 注意，一定要先 关v f 6 而后通v f 3 ，否则就会出现v f 6 和v f 3 同时通电，则电源被v f 3v f 6 短路，这是绝对不允许的) 。这时电流分别从v f l 和v f 3 流入，经a 相和b 相绕组( 相当于a 相和b 相并联) 再流入c 相绕组，经v f 2 流出。其方向与 一c 相同，转过了6 0 。，大小仍然是1 5 t 。再经过6 0 。电角度后，换向到 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 v f i v f 2 v f 3 通电，而后依此类推。在这种通电方式里，每瞬间均有三个功率 管通电。每隔6 0 。换向一次，每次有一个功率管换向，每个功率管通电1 8 0 。 2 3 直流无刷电动机控制系统中的p w m 控制器 晶闸管变流器构成的直流调速由于其线路简单控制灵活，体积小，效率高 以及无旋转噪声和无磨损等优点，在一般工业应用中，特别是大功率系统中 一直占据着主要的地位。但是当系统运行在较低速时，晶闸管的导电角很小， 系统的功率因数相应也很小，并产生较大的谐波电流，使转矩脉动大，限制了 调速范围要克服上述问题必须加大平波电抗器的电感量，但电感大又限制了 系统的快速性，此外，功率因数低，谐波电流大，还将引起电网电压波形畸变， 变流器设备容量大，还将造成所谓的“电力公害”，在这种情况下必须增设无 功补偿和谐波滤波装置。 随着电力电子技术的发展，出现了可控关断的即自关断电力电子器件， 即全控式器件。如大功率晶体管( g t r ) 、电力场效应晶体管( p o w e rm o s f e t ) 、 可关断晶闸管( g t o ) 、m o s 控制晶闸管( m c t ) 、绝缘栅门极控制晶体管( i g b t ) 等自关断器件，采用全控型开关器件很容易实现脉冲宽度调制，与半控型开 关器件晶闸管变流器相比，体积可缩小百分之三十以上，装置效率高，功率 因数高。同时由于开关频率的提高，直流脉冲宽度调制( p w m m ) 调速控制系统 与v m 调速控制系统相比，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小， 低速性能好，稳精度高，系统通频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强。 直流无刷电动机是以电子换向线路和转子位置检测器代替传统直流电动 机的机械换向装置而组成的新型电机。下面结合直流无刷电动机和p w m 控制 技术的特点来分析直流无刷电动机中的p w m 控制系统。 脉冲宽度调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 简称p w m ，它是通过功率管开 关作用将恒定直流电压转换成频率一定，宽度可调的方波脉冲电压，通过调 节脉冲电压的宽度，改变输出电压的平均值的一种功率变换技术。由脉冲宽 度调制变换器向电动机供电的系统称为脉冲宽度调制调速控制系统，简称 p w l 调速系统。图2 1 3 即为直流无刷电动机单相绕组p 硼驱动电路的原理框 图，由于p w m 控制器的主电路元件工作在开关状态，因此控制器的损耗小， 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 效率高。 图2 1 3 直流无刷电动机单相绕组p w m 驱动电路原理框图 从以上原理框图可见，直流无刷电动机p w m 控制器可分成两大部分：控制 电路和逆变主电路。p 删控制系统的控制电路由脉宽调制器、逻辑延时环节、 脉冲分配和功率管驱动电路、保护电路等基本电路组成。 p w m 控制系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称p 删变换器。p w m 变换器分为不可逆和可逆两类。不可逆p w m 变换器仅在一、二两个象限中运 行；可逆p v , i 变换器则可在四个象限中运行，工作于正转电动、正转制动、 反转电动和反转制动四种状态，因而，伺服系统中多采用可逆p w m 变换器。 可逆p w m 变换器常用h 型桥式变换器结构型式，它在控制上分为双极式、单 极式和受限单极式三种。在一般的直流电动机运行过程中，只要改变磁场方 向或改变电枢电压的极性，均可改变其转向。但这些方法在直流无刷电动机 中行不通。因为直流无刷电动机的磁通量由永久磁钢产生，无法改变方向。 由于半导体的单向导电性，电源电压反接很不方便，一般都通过控制定子绕 组的换向次序来改变直流无刷电动机的转动方向。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章主要介绍直流无刷电动机的结构与工作原理，介绍了直流无刷电动 机的各种控制方案，并对各种控制方案作一比较，最后介绍了无刷直流电动 机控制系统的p w m 控制电路的原理。 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章直流无刷电动机控制系统数学模型的建立 本文以本课题所采用的三相y 形联结的直流无刷电动机为例，来分析直 流无刷电动机的数学模型。首先我们来看看直流无刷电动机的等效直流电机 模型。 直流无刷电动机是由一组变流器，一台同步电机和一个转子位置检测器 所组成，而这个变流器和一般变流器不同，它受控于转子位置检测器，是一 个所谓“自控式逆变器”。它有三个固定的转子位置检测元件a 、b 、c 。这些 位置检测元件受装在转子轴上的一个位置检测装置控制，当某一检测元件被 激励时，该元件就会产生信号去触发相应的开关管，使电流在相应的时刻输 入到对应的电机电枢绕组中去。由于位置检测装置是和磁极一起旋转的，它 们之间的相对位置是固定的。所以当开始激励某一位置检测元件( 例如元件 a ) 时，磁极的轴线和相对应的绕组( a 相绕组) 的轴线之间必然相差一个特定 的角度。这时由位置检测元件a 所产生的信号触发相应的开关管，使电流输 入到a 相绕组，这个电流相对于电机空载内电势的相位也是固定的。同样当 开始激励检测元b 、c 时，磁极的轴线与b 、c 相绕组的轴线也相差同样的一 个特定的角度，输入到b 、c 相绕组的电流与内电势之间也保持着同样的相位 差。就是这样，转子位置检测器决定着电枢电流的相位，以及电枢磁势在空 间的分布。改变位置检测元件的相对位置，可以改变位置检测元件产生信号 的先后，也就是改变开关管触发的相位，从而改变电枢绕组中电流对电势的 相位差和电枢反应磁势对磁极的相对位置。 直流无刷电动机的电枢电流是受转子位置检测器控制的。每当转子转过 一对磁极，电机中的电流，也就是逆变器的输出将相应的变化一个周期。这 种输出频率受电机本身转速控制的逆变器就叫做自控式逆变器，所以直流无 刷电动机又被称为自控式同步电机。直流电机电枢绕组中感应的电势和实际 通过的电流其实是交变的。从电枢绕组和定子磁场之间的相互作用来看，它 实际上就是一台同步电机，这个同步电机和直流电源之间是通过换向器和电 刷把它们联系起来的。在电动机的情况下，换向器就起着逆变器的作用，它 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 把电源的直流电逆变成交流电送入电枢绕组。直流电机中的电刷不仅起着引 导电流的作用，而且由于电枢导体在经过电刷所在位置时，其中的电流要改 变方向，所以电刷的位置决定着电机中电流换向的位置。这就是说，直流电 图3 1 电刷的位置检测作用 机的电刷起着电枢电流换向位置的检测作用，它和位置检测器一样，决定着 电枢磁势的分布，见图3 1 。 在分析了直流电机中电枢，换向器和电刷的作用以后，把它和直流无刷 电动机相比，其实直流无刷电动机和直流电机一样。只是普通直流电机中加 的是一个机械的逆变器换向器，而直流无刷电动机是用开关管组成的半 导体逆变器。在直流电机中用以控制换向发生地点的电刷，在直流无刷电动 机中是用位置检测器来代替的，尽管二者构造不同，但它们所起的作用却是 完全相同的。 目前常用的直流无刷电动机一般均是由三相永磁同步电机加一套逆变器 所组成的。这相当于一台有三个线圈，三个换向片的直流电机，所以直流无刷 电动机的等效直流电机模型可如下图所示。 2 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 2 直流无刷电动机的直流电机模型 由于稀土永磁直流无刷方波电动机的气隙磁场、反电动势以及电流是非 正弦的，因此采用d - q 变换已不是有效的分析方法，通常直接利用电动机本 身的相变量来建立数学模型。 3 1 直流无刷电动机的基本方程 假设磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗，三相绕组完全对称，则三相绕 刚“o = i i ； , o 批9 l m ：雠m 1 + | 刭 ， 式中：“。“。一定子绕组相电压( v ) t 一定子绕组相电流( a ) e 。e 。一定子绕组相电动势( v ) p 一微分算子p = 旦d t l 一每相绕组的自感( h ) m 一每两相绕组间的互感( h ) 2 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由于转子磁阻不随转子的位置变化而变化，因此，定子绕组的自感和互 感为常数。当三相绕组为y 连接，并且没有中线时，则有： + 乇+ f c = 0( 3 - 2 ) m i b + m i 。= 一m i a ( 3 - 3 ) 将式( 3 - 2 ) 和式( 3 - 3 ) 代入式( 3 - 1 ) ，得到电压方程式为： “ 口 “ b “ c r00 d 0r0 6 00r c r 三一m00 + l o 工一mo | p l oo 三一m j 上 p d p p c ( 3 - 4 ) 电磁转矩为： 乃2 五1 ( 嘱十e b i b + ) ( 3 - 5 ) 式中：q 一电动机的角速度( r a d s ) 在通电期间，直流无刷电动机的带电导体处于相同的磁场下，各相绕组 的感应电动势为： 瓦= 等叩( 3 - 6 ) 式中：p 。一极对数 n 一总导体数 m 。一主磁通 n 一电动机转速 从变频器的直流端看，y 型联结的直流无刷电动机感应电动势e 。由两相 绕组经逆变器串联组成，所以有 日= 2 瓦= 等咖( 3 - 7 ) 因此，电磁转矩表达式可化为： 乃= 警= 等m 。厶( 3 - 8 ) 式中：厶一方波电流的幅值 哈尔滨工程大学硕- t ：学位论文 q 一电机的角速度q = 等0 u 由式( 3 8 ) 可以看出，直流无刷方波电机的电磁转矩表达式与普通直流电 机相同，其电磁转矩大小与磁通和电流的幅值成正比，所阻控制逆变器输出 方波电流的幅值即可控制直流无刷方波电机的转矩。 另外电动机转子的运动方程为： 乃= j 等+ b 9 2 + 巧( 3 - 9 ) 进一步化简可得： 等= 专( 乃棚一等( 3 - 1 0 ) 式中：z 一负载转矩 ，一转子与负载的转动惯量 b 一粘滞阻尼系数 由于本系统采用1 2 0 0 导通电压型三相逆变器，任一时刻只有两相通电， 直流无刷方波电机的输出相电压幅值为u = 妄u ，因此，对于每相绕组有如 下动态电压平衡方程式： u = 圭u = 兄+ 厶鲁+ e ( 3 - 1 1 ) 式中：u 一电源电压s 忽略粘性摩擦，电动机的转矩平衡方程式为： 一蝇= 等鲁 ( 3 - 1 2 ) 定义下列时间常数：正= 了1 - , a 一电磁时间常数 7 1 ：一g d 2 l 1 3 7 5c e 由式( 3 1 2 ) 可得： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 = 乏警 争 对式( 3 - 1 1 ) 和式( 3 - 1 3 ) 两边分别进行拉式变换后得： l ( j ) ；虬( s ) 一e ( s ) 皇盟：生 厶( s ) 一t ( s )瓦s ( 3 1 5 ) 联合式( 3 1 4 ) 和式( 3 1 5 ) ，并考虑到e = c e n ，得到直流无刷方波电机的 动态结构图，如图3 3 所示。 图3 3 直流无刷方波电机的动态结构图 3 2 直流无刷电动机控制系统的动态数学模型与仿真 本文所用的电动机为稀土永磁直流无刷电动机，其主要技术参数为 磁极数：1 2工作电压( v ) ：4 6 相数：3 连堵力矩( n m ) ：2 4 0 电机两端电阻( q ) ：1 8 l电机两端电感( r f i h ) ：5 1 连堵力矩时的电流( a ) ：5 4 2 峰值力矩时的电流( a ) ：2 5 3 电势常数( v r p m ) ：0 0 4 8 4转矩常数( n m a ) ：0 4 6 2 空载转速( r p m ) ：9 0 0机电时间常数( 8 ) ：0 1 3 2 4 去丽 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 1 直流无刷电动机的动态结构图 直流无刷电动机的动态数学模型如图3 4 所示。代入r a 、t l 、t m 、c e 的值后，则直流无刷电动机的动态结构图如图3 5 所示。 图3 4 直流无刷电动机动态结构图 i l 图3 5 直流无刷电动机动态结构图 3 2