（电机与电器专业论文）多相永磁无刷直流电机控制系统研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t p e r m a n e n tm a n e tb r u s m e s sd cm o t o r ( p m b l d c m ) i sak i n do f m e c h a n i c a la n d e l e c t r o n i cs y s t e mw h i c hi sc o n s i s to fp o w e re l e c t r o n i cc o n v e r t e ra n dp e r m a n e n tm a g n e t m o t o r i ti sw i d e l yu s e da sah i g h - p e r f o r m a n c ed r i v i n gm a c h i n eb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e s s u c ha s s i m p l es t r u c t u r e ，r e l i a b l eo p e r a t i o na n dc o n v e n i e n tm a i n t e n a n c ew h i c ht h ea c m o t o r sh a v ea n dt h ei n h e r e n ta d v a n t a g e sa sad cm o t o ro fh i g he f f i c i e n c y , l o wm a g n e t e x c i t a t i o nl o s sa n de x c e l l e n ts p e e dc o n t r o l l a b i l i t y s os i n c et h ee n do ft h el a s tc e n t u r y 也e r e s e a r c hu p s u r g eo f t h em o t o ri sf o r m e d n l et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d t h ea p p l i c a t i o no f s u c h k i n do f t h em o t o ri st h ee m p h a s i so f t h i st h e s i s f i r s t , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n th i s t o r y , p r e s e n tr e s e a r c hs t a t u sa n dt r e n d o ft h ep m b l d c m a n ds o m ee x i s t i n gp m b l e m sa r er a i s e d t h e nt h es t r u c t u r ea n dt h e o p e r a t i o np r i n c i p l eo f t h em o t o ra r ed e s c r i b e d a n dt h em a t h e m a t i cm o d e lo f t l l em o t o ri s 毋v e n s e c o n d l y , t o s o l v et h ep r o b l e mo ft h et o r q u er i p p l eo ft h ep m b l d c m ，t h ea f f e c t i o n s t h a td i f f e r e n tp w mm o d e sa c tt ot h et o r q u er i p p l ea r es t u d i e d a n dt h eb e s tp w mm o d ei s a d o p t e dt or e d u c ec o m m u t a t i o nt o r q u er i p p l eo fp m b l d c m m o t o r s t h e na ne l e c t r i c a l r e g e n e r a t i v eb r a k i n gi sr a i s e dt oi m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c ea n d s a v e e n e r g y t h e n ，a sf o rt h eh i g h - p o w e rp e r m a n e n tm a g n e tm o t o r s ，t h ee x c i t i n gm a g n e t i cp o l e sa r c n o r m a l l yc o n s t r u c t e dw i mb l o c k so fm a g n e tb l o c k o nc o n s i d e r i n gt h e d e c e n t r a l i z a t i o n p r o p e r t ya n dt h e e r r o r s d u r i n gm a n u f a c t u r e ，a l lo p t i m i z e dc o n f i g u r a t i o nm e t h o do ft h e m a g n e t i cs t e e l i s p r o p o s e di nt h ev i e wo ft h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n n l i sm e t h o dc a n g u a r a n t e et h ee q u a l i t yo ft h ef l u xd e n s i t ya n dt h eb a l a n c eo ft h ef l u xo fe a c hp o l ea n d a m e l i o r a t et h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m 劬mt h ep o i n to f t h em o t o r d e s i g n f i n a l l y , o nt h eb a s eo ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，am u l t i p h a s ep m b l d c ms y s t e mi s d e v e l o p e do n t h ep l a t f o r mo ft h es i n g l ec h i pp r o c e s s o ra n di p m a n dd e t a i l e dc o m p a r eo f d i f f e r e n ts c h e m e sa r eg i v e n t h ee x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t i o nr e s u l tg i v eaf i l l e rs u p p o r t o ft h ec o r r e c t n e s sa n dt h ep r a c t i c a b i l i t yo ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i s a tt h es r m et i m e ，s o m e a n a l y s i sa n di m p r o v e m e n t o f t h e s y s t e ma r eg i v e nt os o l v i n gs o m ep r a c t i c ep r o b l e m s k e y w o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e t b r u s h l e s sd cm o t o r , t o r q u e r i p p l e ，p w mm e t h o d ， r e g e n e r a t i v eb r a k i n g ，p o s i t i o nd e t e c t i v e 独创性声明 本人声明所星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，除文中已经标明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，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。 学位论文作者签名袁莒雄 2 0 0 q - 年歹月护日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的 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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 。一 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密瓯 ( i l l 在以上方框内打“”) 学位论文作者签名孝倍雒 细晔年岁月i o 日 指导教师签名：夕 砌岛 州尹年r 其f d 日 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 【概要】奉章主要介绍了永磁无刷直流电机的特点及其应用，综合分析无刷直流电机的发展以及研究现状，预测 今后的发展趋势，提出目前研究中存在的主要问题然后对误题的意义以及本文的主要工作进行了说明。 1 1 永磁无刷直流电机的特点和应用 1 1 1 无刷直流电机的特点 电机作为一种进行机电能量转换的装置，已经广泛的应用到了国民经济的各个领 域以及人民的日常生活之中。根据采用的电流制式的不同，电动机分为宣流电动机和 交流电动机两大类。 作为把电能转换为机械能的主要设备，在实际的应用中，一是要求电动机具有较 高的机电能量转换效率；二是根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。 众所周知，直流电机具有调速性能好、运行效率高、起动转矩大、过载能力强、动态 性能好等诸多优点。但是传统的有刷直流电机由于其本身结构上存在机械式的电刷和 换向器这一致命弱点，给实际应用带来了一系列的问题。而交流电机虽然具有结构简 单，运行可靠，寿命长，保养维修方便的优点，但是与直流电机相比，其机械性能差， 效率低，起动转矩小，过载能力低，调速控制困难，电动机轻载运行时功率因数低， 增加了线路和电网的损耗。根据有关报道我国消耗在电动机上的电力占整个电力的 6 5 以上【”，而美国也有5 5 以上的电力消耗在电动机运行上嘲，因此提高电动机的效 率，节约能源具有重要意义。 永磁无刷直流电机则保留了有刷直流电机的优良调速性能，又省去了机械的电刷 和换向器。它采用一种位置传感器和电子开关变换器替代电刷和换向嚣，既有传统直 流电机的优良特性，又有交流电机的结构简单、运行可靠、寿命长的优点。在电磁结 构上，永磁无刷直流电机和有刷直流电机一样，但是它的电枢绕组放在定子上，转子 上放置永磁磁钢。无刷直流电机的绕组像交流电机的绕组一样，采用多相形式，经由 逆变器接到直流电源上，定子各相逐次接通电流，和转子磁场相互作用，产生转矩。 下表列出了有刷直流电动机与无刷直流电机的特性比较。 华中科技大学硕士学位论文 表1 1 有刷直流电机与无刷直流电机的特性比较 有刷直流电机无刷直流电机 结构永碰体为定子，电枢为转子，散热差永磁体为转子，电枢为定子， 散热好 绕组及线圈连接星形环状连接，最简单为三角形连接三角形或星形连接，多数为中点星 形连接或四相并联连接，简单形式 为二相并联连接 换流方法电刷和整流子机械接触由电子线路组成电子开关 换向器 转子位置传感器由电枢自行渐进进行采用霍尔元件、光学编码器、磁性 传感器，反电势触发电路等 反转方法改变端电压极性改变电子换向器开关顺序 优缺点比较机械特性和控制特性好，成本低，可 具备有刷电机的特性，无磨损，长 靠性差，寿命短噪声大有电磁干扰寿命，无干扰，噪音低，成本高 从表中可以看出，无刷电机综合性能优于有刷电机，影响无刷直流电机普遍应用 的主要是价格比较高和电路比较复杂。但是在电子技术飞速发展，电子元件大幅度降 价以及专用集成电路被采用之后，电路相应简化很多，价格也下降很多。尤其是在需 要控制调速的场合，价格已经完全可以和有刷直流电机相比 2 1 - 1 6 1 。 与传统的电励磁同步电动机相比，永磁无刷直流电动机具有结构简单、体积小、 重量轻、效率高、功率因素高、转矩重量比高，转动惯量低、易于散热，易于维护保 养等优点，因而应用范围极为广泛，尤其是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、电动汽车、计算机外围设备和家用电器 等方面获得广泛应用。 1 1 2 永磁无刷直流电动机的应用 由于n s r j 直流电机的优异性能，使得世界上许多科研机构和公司都投入到这一技 术领域，使无刷直流电机的技术得到了充分展示，和更加广泛的应用。据美国m t t 预 测公司的报告，就1 9 8 6 年美国市场而言，无刷直流电机的销售量为5 6 百万台，在全 部电机中占1 6 ；1 9 9 1 年无刷直流电机的消费量可望达到2 6 5 百万台，约6 3 亿美 兀。在全部控制电机中，无刷直流电机1 9 8 6 年占7 ，1 9 9 1 年将占1 6 ，增长速度 最快。表1 2 列出了美国市场得无刷直流电机在各应用领域所占得份额l 。 华中科技大学硕士学位论文 表1 2 无刷直流电机市场份额 应用领域1 9 8 6 年( )1 9 9 1 年( ) 办公自动化 2 1 62 6 6 家用产品 0 61 2 9 工厂自动化6 o1 4 5 国防和航天8 ，9 2 0 1 仪表仪器 8 41 2 3 总计( 全部市场)7 51 6 7 从表中可以看到，无刷直流电机在各种应用的市场中占有较大得份额。在办公自 动化( 计算机，商务设备) 方面，工厂自动化方面，汽车和家电方面以及国防和航天 方面的应用获得了快速增长。 ( 1 ) 在办公自动化、计算机外部设备及音像处理设备方面的应用 这类设备要求驱动电动机具有稳速、调速、定位等功能，对电磁干扰和低噪声要 求特别高。如计算机软、硬盘驱动器，光盘驱动器，应急驱动器，激光打印机，复印 机，传真机鼓驱动，v c d 、d v d 装置及微型风扇等。面永磁无刷直流电机刚好能够满足 这些要求，因而被广泛采用。但是这类无刷直流电机属于精密型，尺寸小，加工精度 高，产量大，是技术密集型和高投资类产品，目前仍主要由发达国家提供。这类产品 的年产量均以亿台计，国内来源主要依赖进口或组装件，尚难在此领域取得立足之地。 因此，在这一领域的永磁无劂直流电机将有非常广泛的发展空问。 ( 2 ) 在工业自动化方面的应用 在2 0 世纪8 0 年代以前，由于相关技术发展的限制，直流伺服驱动系统一直在伺 服驱动领域占据主导地位。但是传统的直流电机存在着制造成本高、体积庞大、维护 困难等缺点，使其应用范围受到一定限制，特别是在高性能得q 。d , 功率伺服驱动场合。 8 0 年代以来，现代控制理论、电力电子技术、微机控制技术以及大规模集成电路的发 展和应用，尤其是矢量控制技术的不断成熟，交流伺服驱动系统的性能可以和直流伺 服驱动系统相嫂美。加上永磁无刷直流电机技术发展的目趋成熟，在一些高性能伺服 驱动场合，交流伺服驱动系统甚至有取代直流伺服的趋势。在数控机床、组合机床、 自动纺织、印刷、包装、冶金、邮政机械、自动化生产流水线和各种专用设备等都采 用无刷直流电动机来满足机械设备的高效率、高精度、高性能的要求。在一般的轻工 机械中一些要求精密控制速度和位置的设备如数控缝纫机、彩扩放大机、高速食品搅 拌机也大多采用永磁无刷电动机。特别是在机器人和机械手的驱动中，无刷直流电机 的应用极多。目前全世界机器人的搠有量超过1 0 0 万台，且每年按2 0 的数度增长， 3 华中科技大学硕士学位论文 是永磁无刷直流电机的重要应用领域。总之，在工业应用中，无刷直流电动机在快速 性，可靠性，可控性，体积，重量，节能，效率，耐受环境和经济性等方面具有明显 优势。特别是近几年来，随着稀土永磁材料和电力电子器件性能价格比的不断提高， 永磁无刷直流电动机作为中小功率高性能调速电机和伺服电机在工业中的应用越来越 广泛。 ( 3 ) 在电动汽车方面的应用 为了减少燃油车辆造成的环境污染问题，电动车辆的研究被成为具有深远意义的 革命性措臆。最早采用的是有刷直流电动机作为驱动电动机。因为只有直流电动机的 特性才能适合车辆运行的特点。在电子技术和电子元器件取得突破性进展之后，交流 异步电动机的调速问题得到解决，交流异步电动机作为驱动元件的方案也被电动车辆 采用，但是最有发展前途的还是永磁无刷直流电动机。因为它的起动力矩大、过载能 力强、体积小、省电、高效率、长寿命、免维修、控制方便的特点正适合电动车辆的 运行特性。目前，日本丰田的r a v 一4 ，本田的p i u s ，日产的a l t r a e v 均采用了永磁同 步电机作为了驱动电动机，并且开始小批量生产吼 ( 4 ) 在家用电器方面的应用 在家电电机领域，集有刷直流电动机和交流电动机的优点于一体的永磁无刷直流 电动机，正有逐步取代单相异步电机的趋势。在家用电器方面，过去大多采用异步电 动机作为驱动元件，随着家用电器的竞争激烈和性能、质量的提高，对大量应用的电 动机业提出了低噪声、高性能、长寿命、高可靠、小型化、多功能、高效节能的要求。 这样就势必促使了采用无刷直流电动机来代替性能差、效率低的异步电动机。目前国 外在高档的风扇中采用了无刷直流电动机：在新一代的空调机、洗衣机、电冰箱、吸 尘器及热水器等家电中，已出现了逐步采用各种类型的无刷直流电动机的趋势。这些 电机结合了新的控制技术、传感技术和新的电子装备，大大提升了家电的自动化程度， 节省了能量，改善了人们的物质生活水平。 ( 5 ) 在其他领域的应用 医用永磁无刷直流电动机也是一个新兴的领域，美国已经在“心脏泵”这个高科 技技术领域中应用。牙科和耳科用的电动医疗器械，要求小尺寸、高可靠、长寿命、 低噪声、免维护的微型高速电动机，用永磁无刷电动机替代永磁高速有刷电动机应是 一个发展方向。 由于永磁无刷直流电动机具有直流电动机的优越性能，而且可靠性高，也已经广 泛的应用于航天飞行器中，卫星上太阳能帆板驱动已经逐步采用了永磁无刷直流电动 机。另外，国外的机电一体化的交一直一交永磁推进系统、交一交直接变频同步电机 推进系统已经达到实用化阶段，大容量的永磁同步电动机电力推进系统已经成功的应 华中科技大学硕士学位论文 用于潜艇的电力推进。 总之，永磁无刷直流电动机经过2 0 多年的发展，在技术上已经逐步成熟，在大量 应用中已经显示其优良特性，应用领域几乎可覆盖所有电动机驱动领域，并可以起到 其他类型电动机不能达到的功能。国际上有些专家预言2 l 世纪是无刷直流电机广泛应 用时期，永磁无刷直流电动机的应用领域将不断扩展，这已是必然的结果。 1 2 永磁无刷直流电动机的发展概况 一直以来，有刷直流电机以其优是的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用。 但是，机械电刷却是有刷直流电机的一个致命的弱点。为此人们进行了无穷的探索。 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机的机械电枢，从而产生了无刷直 流电机的基本思想。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向线路代 替有刷直流电机机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电机的诞生，但是由于该电动 机没有起动转矩而不能产品化。经过多年的努力，借助于霍尔元件的位置检测装置实 现换向的无刷直流电机终于在1 9 6 2 年研制成功。7 0 年代以来，现代电力电子器件工 艺日臻成熟，许多新型的高性能半导体功率器件，如g t r 、m o s f e t 、i g b t 等相继出现， 使永磁无刷直流电机的功率驱动电路的可靠性和稳定性得到保障。另一方面，稀土永 磁材料迅速发展，其本征矫顽力高、抗去磁能力强，且常规去磁曲线在大范围线性可逆 等特点，为永磁无刷直流电动机的设计开辟了广阔的前景。1 9 8 3 年，日本住友特殊金 属公司和美国通用汽车公司成功研制出了价格相对较低的钕铁硼永磁体。所有的这些 都为永磁无刷直流电机的发展奠定了坚实的基础。由于电机本体及其相关科学的迅猛 发展，“无剧直流电机”的概念已由最初的具有电子换向的直流电动机发展到泛指一 切具有有刷直流电机外部特性的电子换向电机【9 】。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、变速机构、检测元件、 控制软件与硬件于一体，形成为新一代电动伺服系统，且体现了当今应用科学的许多 最新成果。 无刷直流电机真正进入使用阶段应从1 9 7 8 年开始，当时原西德m a n n e s m a n n 公司 的i n d r a m a t 分部在汉诺威贸易博览会上，正式推出m a c 经典无刷直流电机及其驱动器 ”叫。8 0 年代在国际上开展了深入的研究，先后研究成方波无刷直流电机和正弦波无刷 直流电机，在l o 多年的时间里，无刷直流电机在国际上已经得到充分的发展，在一些 较为发达的国家里，无刷直流电机逐渐成为主导电机，逐步取代其他类型的电机。 自上世纪末起，逐渐形成永磁无刷直流电机的研究热潮，针对其存在的问题，各 华中科技大学硕士学位论文 国研究人员纷纷推出自己最新科研成果。其中美国的a h m e dr u b a a j 博士及其同事共同 研制出一种新型的永磁无刷直流电机，其转子跟普通的永磁无刷直流电机一样，而其 定子却和普通的有刷直流机的转子极为相似，并能以转子位置传感器及逻辑开关电路， 使定子绕组依次换向。其优点为：大大减少了转矩波动，可在较大范围内自然换向， 充分提高了电机有效材料的利用率。再如，美国的j y h u n g 博士等人，利用定子电流 谐波的最优权重的设计方法，通过电流调节器等装置有效减少了电磁转矩及齿槽引起 的转矩波动。还有英国的y s c e n ，z 0 z h u 及d a v i dh o w e r 博士，研制成功了无齿槽 的永磁无刷直流电机，其主要作用也是减少转矩波动，提高电机效率1 1 1 。针对位置传 感器的改善，美国的k c i t h a c o r z i n e 博士等人最近研制出一种混合观测装置，通过固 定于定子上的霍尔元件获得信号监测转予位置，以此代替价格不菲的光学编码器，大 大降低了电机成本，且提高了监测精度，可谓物美价廉。另外，台湾的h g c h e n 及 c m l i a n 博士，通过智能换向调节装置实现了无位置传感器的控制，其主要原理是， 监测电机端电压，通过开关信号发生器对换向位置作粗略估计。然后给出晟佳转矩产 生特性通过智能自调系统对换向瞬间进行微调。实验结果表明样机不论稳态还是瞬态 均运行良好i l ”。相信随着国际、国内对永磁无刷直流电机的研制和开发工作的日臻成 熟和完善，永磁无刷直流电机会更加显示出其独特的经济价值和实用价值。在国内， 我国的永磁无刷直流电机在小功率( 几十瓦到几百瓦) 范围内，已从科研转向生产，如西 安微电机研究所研制的4 5 z w 1 ，5 5 z w 1 ，7 0 z w 1 系列产品，上海交大研制的卫星上专 用的永磁无刷直流电机，上海微电机研究所的无刷直流力矩电动机等，但大功率低转速 的无刷直流电动机的研究方面发展不快，还未形成系列产品。限于我国元器件水平及相 关理论与实践相结合的程度还比较低，尤其是制造工艺和加工设备较国际水平差距较 大，所以目前我国无刷电机综合水平仍低于国际水平，大约相当于国外7 0 年代末8 0 年代初的水平，有待进一步的研究开发。 1 3 永磁无刷直流电机发展趋势 永磁无刷直流电动机是一种典型的机电一体化产品，主要由电动机本体、位置传 感器和电子开关线路组成，它的发展与永磁材料、电力电子技术、计算机控制技术和 检测技术的发展密切相关。而这些技术作为极具发展潜力的新兴技术，必将在新技术 蓬勃发展的2 1 世纪，获得更快、更大的发展，为永磁无刷直流电机技术的高速发展提 供不竭的动力。 ( 1 ) 高性能永磁材料的发展 与传统交、直流电动机相比，永磁无刷直流电动机的结构特点之一就是转子磁极 华中科技大学硕士学位论文 是由永磁材料组成，因此，永磁材料性能的优劣将直接影响到永磁电动机的磁路尺寸、 电动机本体体积、成本及其功能指标和运行特性等，可以说：永磁材料技术是永磁无 刷直流电动机最为重要的物质基础和支撑技术之一。自9 0 年代以后，钕铁硼永磁材料 得到了大范围的应用，在已制成的永磁无刷直流电机转子永磁材料中几乎占据了一半 以上，从而为高性能永磁无刷直流电动机的大量诞生奠定了坚实的物质基础；同时， 随着微电机制造工艺技术尤其是微细加工技术的快速发展，在减少电动机本体制造成 本及抻制齿槽转矩脉动上取得了令人可喜的成果【l 孔。今后，随着作为2 1 世纪新兴技 术之一的“新材料技术”的蓬勃发展，必将进一步加快永磁材料工业发展的速度，一 些更高性价比的永磁材料也将相继问世，从而进一步推动永磁无刷直流电动机朝着高 性能，多品种化方向发展，同时也将使得中、大容量永磁无刷直流电动机进入大范围 实用化阶段，从而大大扩展永磁无刷直流电动机的应用领域。 ( 2 ) 电力电子技术的发展 电力电子器件是现代永磁无刷直流电机发展的支柱，直接决定和影响永磁无刷直 流电机的发展。永磁无刷直流电机本身就是采用大功率电子开关元件组成的逆变器供 电的永磁同步电动机，可以说，除了永磁材料技术外，电力电子技术是永磁无刷直流 电动机发展最为重要的支撑技术之一，其中大功率半导体器件的发展严重制约着永磁 无刷直流电动机的发展水平。 电力电子技术自2 0 世纪5 0 年代后期诞生以来，发展速度很快，其主功率器件经 历了从最初的晶闸管一g t r m 0 s f e t i g b t ，从而使永磁无刷直流电动机具有更大 的容量和更高的过载能力。特别是7 0 年代后期，各种高速全控型器件先后问世，使电 力电子技术朝着全控化、集成化、高频化和多功能化方向发展，为逆变器实现智能化、 高频化和小型化等创造了条件。在p w m 技术中采用功率场效应晶体管( m o s f e t ) 和绝 缘栅双极性晶体管( i g b t ) ，开关频率可达1 0 k h z 以上，电磁噪声和电流波形都得到了 改善。这些为永磁无刷直流电动机的驱动电路性能的提高开辟了道路。电力电子技术 作为一门极具发展潜力的新兴技术，相信在2 1 世纪必将获得更快更大的发展，从而为 永磁无刷直流电动机技术的高速发展提供强大的动力。 ( 3 ) 计算机及其控制技术的发展 微型计算机控制技术与大规模集成电路的迅速发展和广泛应用为永磁无刷直流电 机系统的成功应用提供了重要的技术手段和保证。微机控制技术微型计算机自2 0 世纪 6 0 年代后期诞生以来，发展速度十分迅猛，其应用领域几乎成几何级数增长，如今已 成功进入国民经济及社会发展的各个领域，电机控制也不例外。永磁无刷直流电动机 性能的改善和提高，除了与电动机本体及电子驱动电路有关外，更与其控制器密切相 关。自2 0 世纪8 0 年代以束随着微型计算机技术、控制技术、控制理论等的飞速发展， 华中科技大学硕士学位论文 人们从提高控制器性能这条途径来提高永磁无刷直流电动机的性能，并取得了一些可 喜的成果【1 4 l 【1 5 】。特别是进入9 0 年代以后，高速微处理器和d s p 器件的出现，保证了 无刷直流电动机性能的快速提高。此外先进的控制方法例如滑模控制、变结构控制、 模糊控制和专家控制等被相继引入无刷电机控制器，从而推动着永磁无刷直流电动机 朝着高智能化、柔性化、全数字化方向发展，为其进入数字化时代开辟了新纪元。 ( 4 ) 转子检测技术的发展 永磁无刷直流电动机必须通过转子位置信号实现电子换向逻辑，准确检测转子位 置，并根据转子位置准确切换功率器件来实现换向过程，是控制无刷直流电机正常运 行的关键。永磁无刷直流电动机的转子磁极位置检测有直接位置检测( 有位置传感器) 和间接位置检测( 无位置传感器) 两种方法。早期大都采用直接位置检测法，在转子 上安装位置传感器来实现对转子位置的实时检测，常用的位置传感器有霍尔元件式、 增量式编码器、绝对值光电编码器和旋转变压器等，这种是最直接有效的方法。但是 安装一套复杂的位置传感器，这对电机的可靠性、制造工艺要求等带来不利的影响。 另外，随着电动机尺寸的缩小，控制精度要求的提高，使用霍尔元件的弊端日渐明显， 如传感器信号线较多，易引入干扰：易受环境限制，降低传感器的可靠性与灵敏度，直 接影响电机运行性能。去掉位置检测元件，采用无位置传感器的无刷直流电机控制方 法成为目前研究的热点，与之对应出现了许多实用方案。其中最简单的一种是根据永 磁无刷直流电动机本体，通过辩识的方法实现转子磁极位置的间接测量，即利用检测 定子绕组的感应电动势过零点间接获得转子磁极位置，故称间接法。与直接法相比， 它省去了位置传感器，从而简化了电动机本体结构的复杂性，特别适合于小尺寸、小 容量永磁无刷直流电动机。由于反电势大小和电机的转速成正比，因而在起动和低速 运行时，必须采取其他方法。通常是按他控式同步电动机的运行状态从静止开始加速， 直至转速足够大，再切换至无刷直流电动机运行状态。但外同步运行的成功与否和负 载的大小、形式直接相关，如负载的惯性很大，则对外同步的频率控制显得尤为困难。 同时无传感器位置检测也难以满足精度和实时性的要求，2 0 世纪8 0 年代以后，随着 微机技术的快速发展，使得无转子磁极位置传感器的永磁电机进入实用化阶段【l q 。随 着检测技术的进一步发展，更为先进的速度及转子位置辩识方法必将推动无传感器永 磁无刷直流电动机走向实用化。 1 4 永磁无刷直流电机研究中的主要问题 无刷直流电动机以其良好的性能而得到“。泛应用，从现有文献和产品以及在科研 实践中，发现在无刷直流电动机的研究领域罩还有不少问题很值得深入研究。主要表现 华中科技大学硕士学位论文 在一下几个方面： 1 电机本体设计中的问题。在电机本体设计方面：转子永磁磁钢材料尺寸及磁钢 的排列方式的选择应该合理，在满足各项性能指标的前提下，使电机的成本尽量低， 这样就存在一个优化问题。另外永磁电机的漏磁场情况比较复杂对电机性能也有一定 影响，所以研究永磁电机的漏磁场分布一直是一个值得研究的问题。 2 转矩脉动问题。引起转矩脉动的主要因素有：齿槽效应弓f 起气隙合成磁场发生 畸变；绕组电感的影响使得输入定子绕组的相电流不可能是理想的矩形波，使反电动 势与理想波形的偏差加大：相电流换向使 | 导电枢磁场呈现步进性，导致气隙合成磁场 波动，影响电磁转矩的平稳：电枢反应影响气隙合成磁场，对于功率较大的无刷直流 电动机，电枢反应的影响更明显。从上述引起转矩脉动的主要因素可以看出，转矩脉 动的根本原因在于气隙合成磁场和定子绕组相电流的波动。因此要减小转矩脉动，就 应该采取措施保证气隙合成磁场和相电流的稳定。 3 无位置传感器的转子位置检测。目前较为成熟的无位置传感器位置信号检测方 法主要有4 类【1 1 ：反电动势法、续流二极管法、电感法和状态观测法。其中“反电动 势法”是最常见和应用最为广泛的一种。但这种方法的基本原理是建立在忽略电枢反 应影响的前提下的，这在原理上就存在一定误差。尤其是对于大功率无刷直流电动机， 电枢反应对气隙合成磁场的影响更明显，使得反电动势过零点与总的感生电动势过零 点不重合，误差更大，导致检测出的转子位置误差增大。当电机静止或转速较低时， 反电动势为零或很小，很难通过反电动势过零点检测来得到正确的位置信号，使电机 起动困难，且严重影响了电机的调速范围。因此，研究如何在大功率无刷直流电动机 中补偿反电动势法造成的转子位置信号误差，研究如何克服反电动势法中电机起动困 难，以及扩大电机调整范围就成为十分重要的课题。而这些问题归根结底是要研究在 无位置传感器无刷直流电动机中如何更精确地检测转子位置信号。 4 转矩计算问题。事实上，无刷直流电机的电磁转矩的准确计算是一个理论问题 和实际问题。在永磁无刷直流电机的转矩计算中，一般沿用直流电机转矩计算的方法。 但是在实际中，由于无刷直流电动机定子电流的影响，产生电枢反应，对气隙磁场的 波形产生一定的影响，这样就必须用实际气隙磁场的磁感应强度来计算电磁转矩。实 际系统中，由于电流或者电压的调制作用，使得注入电机定子绕组电流相当复杂，因 此，如何对电磁转矩进行精确计算也是一个需要深入研究的问题。 5 实际应用问题。在实际应用中，电磁兼容问题是个越来越受到重视的问题。 无刷直流电动机是一种电子电机，其控制电路是强、弱电共存的电路，因此具有抗干 扰和防止对外界干扰的要求。同时，目前的新型控制方法的研究大部分停留在理论上， 而且许多算法复杂，运用到实际产品中的极少。因而需要研究一些有效的、实用的控 q 华中科技大学硕士学位论文 制方法和技术，来取代目前传统沿用的p i d 控制，减少干扰，改善系统的性能。 1 5 课题意义及本文的主要工作 2 0 多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别 是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。但是国内的研究和国外相比 还有较大的差距，研究工作也主要集中在一些科研院所和高等院校，相关理论和实践 相结合的程度还比较低。因此结合目前国内外的最新研究成果，从工程实践出发，研 究设计一套实用的永磁无刷直流电机控制系统，希望能够对国内的永磁无刷直流电机 的研究能够起到一定的借鉴作用。 本文在全面总结现有研究成果得基础上，针对目前研究的热点和难点，对相关的 问题做了比较深入的研究。主要的研究内容如下： 1 分析了永磁无刷直流电动机系统的基本结构和工作原理，导出数学模型。 2 对于大型永磁电机设计中的磁钢配置方法进行了研究，结合实际，提出一种磁 钢排布的方法。 3 对永磁无刷直流电机的控制方式进行了研究，并对控制参数进行仿真分析，改 善系统的稳态以及动态性能。 4 详细分析了电机换流过程，并针对目前的几种调制方式进行分析，提出一种比 较好的调制方式。同时提出一种能量回馈型的制动方式，经过仿真分析和试验 证明其可行性和合理性。 5 对控制系统的硬件和软件进行设计和实现，完成一套永磁无刷直流电机系统。 6 对系统进行试验分析，记录实际波形，结合理论分析，得出试验结果。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2永磁无刷直流电机工作原理及数学模型 【概要】本章介绍永磁无刷直流电机系统结构，分析其运行原理。根据电机的电压和运动方程，推导出数学模型。 在此基础上，对其控制原理进行了分析。 2 1 永磁无刷直流电机系统概述 永磁无刷直流电电机实质上可以看作是一台用电子换向器取代机械换向的有刷直 流电机。有刷直流电机电枢绕组的导通逻辑是通过机械换向器与电刷的相互配合，使转 予电枢线圈在不同磁极下的作用力保持一致，使得电机稳定运行。在结构上，与有刷 直流电动机不同，无刷直流电动机的定子绕组作为电枢，励磁绕组由永磁材料所取代。 要使永磁无刷直流电机的转子所受的电磁力保持一致，就必须根据每个时刻转子磁极 位置来确定电枢绕组的导通逻辑，所不同的是，此时电枢绕组是安装在定子上，其本身 不能旋转，要通过电子换向装置变换其导电顺序及分配导通规律。直流无刷电动机一般 由控制器、转予位置检测器和电动机本体三部分组成( 如图2 1 所示) ，控制器一般由 控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。工作时， 控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进 行有序换流，以驱动直流电动机，实现机电能量的转换。 输出 转矩 图2 1 永磁无刷直流电机系统框图 2 1 1 电机本体 永磁电机是指采用永磁材料励磁的电机，现在我们所说的永磁电机，一般都是指 采用钕铁硼( n d f e b ) 第三代稀土永磁材料制成永磁体励磁的电机，结构上与永磁同步 电机别无二致。按其工作原理，驱动电流和控制方式的不同，又可以分为具有正弦波 反电动势的永磁同步同步电机( p m s m ) 和具有梯形波反电势的永磁同步电机，后者又 成为无刷直流电机( b l d c m ) 。b l d c m 和p m s m 相比，具有明显的优势，反馈装置简单 功率密度更高输出转矩更大，控制结构更为简单，使电机和控制器的潜力得到充分 华中科技大学硕士学位论文 的发挥。正是由于这些原因，永磁无刷直流电机的应用和研究受到了更加广泛的重视。 永磁无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机基本一样，但它的电枢绕组放在 定子上，转子采用永磁材料。永磁材料的使用，大大减小了无刷电动机的重量、简化 了结构、提高了性能，使其可靠性得以提高。 永磁无刷电动机的发展与永磁材料的发展是分不开的，磁性材料的发展过程基本 上经历了以下几个发展阶段：铝镍钴，铁氧体磁性材料，钕铁硼( n d f b b ) 。钕铁硼具有 高磁能积，它的出现引起了磁性材料的_ 场革命。第三代钕铁硼永磁材料的应用，进 一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方向发展。目前， 为提高电动机的功率密度，出现了横向磁场永磁电机，其定子齿槽与电枢线圈在空间 位置上相互垂直，电机中的主磁通沿电机轴向流通，这种结构提高了气隙磁密，能够 提供比传统电视大得多的输出转矩。该类型电机正处于研究开发阶段。由于高矫顽力 钕铁硼永磁材料以及大功率模块i g b t 的出现，永磁无刷电动机今后将朝着大功率、高 转速、大转矩、低转速、特殊用途、超微型和智能化的方向继续发展。 2 1 2 转子位置检测 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，从而完成永磁无刷电机的换向控制。一般的永磁无刷直流电机 控制系统中，位置检测环节是系统实施闭环控制的基础，实现位置检测的方案大体上 可以分为两类：直接位置检测和无位置检测方案。直接位置检测是指通过位置传感器 直接获得转子位置信息的方法；无位置检测是利用电动机的某些电气参数是转子位置 的函数关系来解算转子位置信息的方法。这两种方法各有优缺点，各有应用。 转子位置传感器的种类很多，有电磁式、磁敏式、光电式、接近开关式、正余弦 旋转变压器式以及编码器等。电磁式位置传感器是利用电磁效应来检测转子的位置的， 有开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关电路等多种类型。虽然这种传感器有输出信 号大、工作可靠、寿命长、对环境要求不高的优点，但是由于此类传感器过于笨重， 信噪比较低，因而大大限制了其使用。光电传感器近二三十年来得到了急剧的发展， 它是利用光电效应，由跟随电机转子一起旋转的遮光部分和固定不动的光源等部件组 成，有绝对式和增量式两种。这类编码器由于输出的信号是脉冲信号，很容易和数字 电路匹配，精度可以做到角秒级，输出信号的抗干扰能力较强1 1 8 】，但是它对环境条件 敏感，环境状况发生变化的时候，会影响性能和可靠性。磁敏式传感器是一种近年来 发展相对迅速，越来越被重视的传感器，它是利用某些半导体敏感元件的电参数按一 定的规律随周围磁场变化而变化的原理制成的，基本原理是霍尔效应和磁阻效应。它 的输出也是数字信号，响应侠，寿命长，结构简单，适应环境能力强，成本低廉，但 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 口 是精度不高。正余弦旋转变压器是一种精密控制的徽电机。当正余弦旋转变压器的原 方外施单相交流电源激磁时，其副方的两个输出电压分别与转子转角成正弦和余弦函 数关系。这种传感器县有较高的强度，可经受较大的振动冲击，能够长期工作于恶劣 工况下，配以合适的数模转换芯片后，还可以同对得到模拟转速信号。 由于需要安装位置传感器，这对电机的可靠性、制造工艺要求等带来不利的影响。 另外，随着电动机尺寸的缩小，控制精度要求的提高，使用位置检测装置的弊端日渐明 显，如传感器信号线较多。易引入干扰：易受环境限制，降低传感器的可靠性与灵敏 度，直接影响电机运行性能。同时，去掉位置检测元件，采用无位置传感器的无刷直 流电机控制方法成为目前研究的热点，与之对应出现了许多实用方案。 无刷直流电机无位置传感器的位置估计方法可以从4 个方面来论述：端电压法、 电流法、状态观测器法和人工智能方法。其中较为成熟的主要有四类，反电势法、续 流二极管法、电感法和状态观测器法。 反电势法是迄今为止最成熟、最有效、也是最常见和应用最为广泛的一种转子位 置信号检测方法。这种方法就是在忽略永磁无刷直流电机电枢反应影响的前提下，通 过检测断开相( 逆变桥上下桥臂都处于关断的相) 的反电势过零点，依次得到转予的 六个关键位置信号，并以此作为参考依据，轮流触发导通六个功率器件，驱动电机运 行【1 9 】。反电势法原理简单，实现方便，是应用最多的一种无位置传感器的位置检测方 法。但是这种方法有两个弱点，起动困难和误差补偿。当电机静止时或转速较低时， 反电势为零或很小，很难通过反电势过零点检测来得到正确的位置信号，因而严重的 影响的电机的调速范围，使的电机的起动困难。由于反电势过零点和气隙合成磁场匝 链电枢绕组所产生的总的感生电动势零点不重合时，就会产生转子位置误差，且反电 势系数越小或电机转速越低，误差就越大，所以反电势法的永磁无刷直流电机的无位 置传感器控制中，必须要有一定的误差补偿措施1 2 0 l p “。此外，还有人提出一些反电势 法的改经方法如反电势积分法i 捌等来改善反电势法的一些不足，这些都取得了一定的 成果。 续流二极管法又称“第三相导通法”，它是通过反并联于逆变桥功率管上续流二极 管导通与关断状态的检测来确定转子位置的f 2 3 1 。这种方法本质上还是反电势法，只是 在断开相反电势过零点检测上有了一定的改变，但是它也有自己的不足。它要求逆变 器必须工作在上下器件轮流处于p w m 斩波方式，控制的难度较大。其次它必须从软硬 件两个方面剔除二极管续流导通的无效信号和因毛刺干扰产生的误导通信号。同时这 种方法也存在较大的