（电路与系统专业论文）无载无刷直流电机控制策略的研究与系统实现.pdf

摘要 摘要 无刷直流电机兼具交流电机结构简单、运行可靠、维护便捷与直流电机调 速优良、无励磁损耗等优点，近年来发展迅速，应用领域广泛。在特殊应用场 合，无刷直流电机需无负载运行，现有成熟控制策略已不适用。 本文以无载无刷直流电机为研究对象，以无载无刷直流电机数学模型为基 础，研究了无载无刷直流电机工作特性、控制系统结构、控制规律，分析无载 无刷直流电机控制的局限性；由此提出无载无刷直流电机控制策略与控制算法， 主要包括无载无刷直流电机滑模p i d 控制策略与模糊整定p i d 参数控制算法。 结合系统控制方案研究、无载无刷直流电机控制策略与控制算法在基于d s p 的无载无刷直流电机控制平台上进行控制验证，给出正反转加速、减速、制动 等无载无刷直流电机运行数据，进行动态、静态、抗扰动指标分析。实验结果 表明：提出的滑模p i d 算法用于系统控制时，系统最大超调量小，调节时间迅 速，几乎没有振荡，且恢复时间迅速，动态速降小，抗扰动性能优良；模糊自 适应整定p i d 参数算法根据无载大力矩电机特性设计调整参数，从而保证系统 调试可靠、安全。 在上述基础上，遵循控制系统数字化的趋势与上述研究成果基于f p g a 架构 无载无刷直流电机控制系统，设计无载无刷直流电机数字组件与数字控制策略 模块，并进行仿真验证。仿真结果表明：无载无刷直流电机控制系统组件配置 灵活，复用率高；冗余设计提高系统可靠性；硬件控制策略移植实现迅速，策 略清晰，从而实现无载无刷直流电机全数字化控制。 关键词：无载无刷直流电机，滑模p i d 控制策略，模糊整定p i d 参数， d s p 。f p g a ，数字化，硬件控制策略 中图分类号：t i v l 3 0 1 2 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 rh a sn o to n l yt h es i m p l es t r u c t u r ea n do p e r a t i o nr e l i a b i l i t y a sa cm o t o r , b u ta l s oh a st h eg o o dp e r f o r m a n c eo fs p e e dc o n t r o lw h i c hd cm o t o r h a s ，s oi td e v e l o p sf a s ta n dw i l d l yu s e di nv a r i o u sf i e l d st h e s ey e a r s i ns o m es p e c i a l a p p l i c a t i o na r e a , o r d m r yc o n t r o ls t r a t e g yi sn o tf i t f o rt h eb r u s h i e s sd cm o t o r w i t h o u tm e c h a n i c a ll o a d i nt h i sm a s t e rt h e s i s ，t h eb r u s h l e s sd cm o t o rf u n d a m e n t a lp r i n c i p l ea n d c o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r ei si n t r o d u c e db a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l t h el a w c o n t r o la n dl i m i t a t i o no fb r u s h l e s sd cm o t o rw i t h o u tm e c h a n i c a ll o a dc o n t r o li s a n a l y z e d a l s oac o n t r o ls t r a t e g yf o rb r u s h l e s sd c m o t o rw i t h o u tm e c h a n i c a ll o a d ， w h i c hi s c o m p o s e do fp i e c e w i s e - d i s c r e t e p i da l g o r i t h ma n df u z z yc o n t r o l a d j u s t i n gp i da l g o r i t h m ，h a sb e e nb r i n g i n gf o r w a r d d e s i g nt h es t r o n g - c u r r e n td c t o r q u em o t o rs y s t e mb a s e do nd s p ，d e s i g nt h e c o n t r o l s t r a t e g y f o rb r u s h l e s sd cm o t o rw i t h o u tm e c h a n i c a ll o a da n d d o e x p e r i m e n t so fc w c c wt e s t i n g ，a c c e l e r a t e d d e c e l e r a t e dt e s t i n g ，b r a k et e s t i n go n i t t h ec o n t r o lr e s u l td a t ai n d i c a t e st h a t , t h es t r o n g c u r r e n td c t o r q u em o t o rs y s t e m u s i n gt h e c o n t r o l s t r a t e g yg i v e s ag o o ds t a t i c ，a n t i - d i s t u r b a n c ea n dd y n a m i c p e r f o r m a n c e t h ep i e c e w i s c d i s c r e t ep i da l g o r i t h mm a k e sm a x i m u mo v e r s h o o t s m a l l ，a c c o m m o d a t i o nt i m er a p i da n da v o i d st h es y s t e ms w i n g t h ef u z z yc o n t r o l a d j u s t i n gp i da l g o r i t h md e s i g nt h ep a r a m e t e r sb a s e do nc h a r a c t e r i s t i c so f b r u s h l e s s d cm o t o rw i t h o u tm e c h a n i c a la n dm a k et h es y s t e ms a f e ，r e l i a b l e i nt h ee n d , ab r u s h l e s sd cm o t o rw i t h o u tm e c h a n i c a ll o a ds o l u t i o n sb a s e do n f p g ah a sb e e nb r i n g i n gf o r w a r d d e s i g nt h ec o m p o n e n ta n dh a r d w a r ec o n t r o l s t r a t e g yu s i n g t h es o p ct o o l s t h es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e sm a tt h e d i g i t a l - l o g i ci sc l e a r n e s sa n dt h ed e s i g ni sf l e x i b l e t h eb r u s h l e s sd c m o t o rw i t h o u t m e c h a n i c a ll o a ds o l u t i o n sb a s e do nf p g am a k e st h es y s t e md e s i g nd i g i t i z i n g k e yw o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o r , w i t h o u tm e c h a n i c a ll o a d ，p i e e e w i s e - d i s c r e t ep i d ， f u z z yc o n t r o la d j u s t i n gp i d ，d s p , f p g a , s i m u l a t i o n c i a s s i f i c a t i o nc o d e ：t m 3 0 1 2 - 第l 章绪论 第1 章绪论 电机作为机电能量转换设备，发展迅速，广泛应用于信息社会的各个领域。 根据电机原理与应用的区别，大致可分为交流电机【1 2 捌、直流电机【4 5 】等，交流 电机又可细分为异步电机、同步电机等。异步电机结构简单、成本低廉、运行 可靠，但其机械特性软、启动困难、功率因数低；同步电机转矩大、高效率高 精度、机械特性硬，但调速困难，容易“失步；直流电机高效率、无励磁损耗 且调速优良，但因其机械换向方式因而存在摩擦，缩短电机寿命，并带来噪声、 火花等。无刷直流电机 6 - 9 的出现很好的汲取了各种电机的优点并弥补之中的不 足。 1 1 无刷直流电机的发展历程 1 0 , 1 1 , 1 刁 1 9 1 5 年，l a n g m u i r 发明了控制栅极的水银整流器，研制了直流交流逆变器。 1 9 1 7 年，b o l i g e r 提出用整流管代替直流电机的机械电刷，为永磁无刷电机的诞 生准备了理论基础。2 0 世纪3 0 年代，一些学者在实验室条件下研制电子换向 的无刷直流电机，但是电子换向器件的局限性，这些研制品可靠性差，效率低 下，无法推广。1 9 5 5 年，h a r r i s o n 和r y e 申请成功用晶体管代替机械换向装置 的专利，产生了现代无刷直流电机的雏形。晶体管换向电路的实质是在转子旋 转时，导体与磁场相对运动感应切割电势，信号绕阻感生出周期性的感应电势， 导致相对应晶体管偏置导通，从而使功率绕阻轮流馈电。但这种雏形存在无法 启动转矩的缺陷，转子静止时，信号绕阻无法感生感应电势，对应晶体管无法 偏置导通，功率绕阻自然不能轮流馈电，而且信号绕阻因为信号边沿陡度的问 题使晶体管工作在大功耗情况下。直到1 9 6 2 年，霍尔元器件的运用才真正实现 了无刷直流电机的电子换向，为无刷直流电机的推广起到了关键性的作用。2 0 世纪7 0 年代，电力电子的发展带来了m o s f e t 、i g b t 、i g c t 、磁敏二极管等 高性能大功率半导体器件，同时高性能永磁体材料钐钴、钕铁硼的问世等，促 进了无刷直流电机的推广应用。1 9 7 8 年，原联邦德国m a n n e s m a n n 公司在汉诺 威贸易展览会上正式推出m a c 无刷直流电机及其驱动系统，标志着无刷直流 电机正式实用【1 3 1 。1 9 8 6 年，h r b o l t o n 对无刷直流电机的特性进行了系统的总 结，指出无刷直流电机的研究领域及其研究方法，标志着梯形波方波无刷直流 电机理论上已经成熟【1 4 j 。 国内无刷直流电机技术起步稍晚，2 0 世纪八十年代，我国开始进入方波无 第1 章绪论 刷直流电机与永磁同步电机( 即正弦波无刷直流电机) 等研究领域，掀起了无 刷直流电机的研制与技术引进的热潮，近2 0 年逐步缩小了与国际水平的技术差 距。近年来，我国的中小型电机以及微特电机行业发展迅速，无刷直流电机广 泛应用于汽车、家电等行业。总产量高达全球的7 0 ，并以每年1 5 的速度增 长【1 5 】。在小功率范围内，已有成熟军用、民用系列产品，但是大功率低转速的 电机发展不快，引进国外成熟产品居多。综合而言，尽管近年来我国的无刷直 流电机研究研发发展迅速，特别在制造工艺与设备上尚有差距，离国际先进技 术水平还有很长的路要走。 1 2 无刷直流电机控制系统结构n h 妇 一个完整的无刷直流电机控制系统由电机本体、控制核心模块、驱动逆变 功率桥电路、位置检测模块、转速电流电压等状态量采集模块以及上位机指 令控制与数据反馈显示模块等子系统组合而成。其结构框架如图2 一l 所示，下 文予以分别介绍。 1 2 1 电机本体 图2 - 1 无刷直流电机控制系统结构图 无刷直流电机不同于传统直流电机，定子由电枢绕阻构成，而转子则由带 有永磁钢嵌入铁芯内部构成。定子通常是铁芯中嵌入单相或多项对称绕阻，电 枢绕阻则可以接成星形或三角形，特殊场合用无刷直流电机通常接成带中线的 星形有助于无刷直流电机散热；转子结构常有表面贴片式磁极、嵌入式磁极以 及环形磁极，考虑到系统集成性，通常采用嵌入式磁极。 第1 章绪论 刷直流电机与永磁同步电机( 即正弦波无刷直流电机) 等研究领域，掀起了无 刷直流电机的研制与技术引进的热潮，近2 0 年逐步缩小了与国际水平的技术差 距。近年来，我国的中小型电机以及微特电机行业发展迅速，无刷直流电机广 泛应用于汽车、家电等行业。总产量高达全球的7 0 ，并以每年1 5 的速度增 长【1 5 】。在小功率范围内，已有成熟军用、民用系列产品，但是大功率低转速的 电机发展不快，引进国外成熟产品居多。综合而言，尽管近年来我国的无刷直 流电机研究研发发展迅速，特别在制造工艺与设备上尚有差距，离国际先进技 术水平还有很长的路要走。 1 2 无刷直流电机控制系统结构n h 妇 一个完整的无刷直流电机控制系统由电机本体、控制核心模块、驱动逆变 功率桥电路、位置检测模块、转速电流电压等状态量采集模块以及上位机指 令控制与数据反馈显示模块等子系统组合而成。其结构框架如图2 一l 所示，下 文予以分别介绍。 1 2 1 电机本体 图2 - 1 无刷直流电机控制系统结构图 无刷直流电机不同于传统直流电机，定子由电枢绕阻构成，而转子则由带 有永磁钢嵌入铁芯内部构成。定子通常是铁芯中嵌入单相或多项对称绕阻，电 枢绕阻则可以接成星形或三角形，特殊场合用无刷直流电机通常接成带中线的 星形有助于无刷直流电机散热；转子结构常有表面贴片式磁极、嵌入式磁极以 及环形磁极，考虑到系统集成性，通常采用嵌入式磁极。 第l 章绪论 1 2 2 控制核心 控制核心常由m c u 、a r m 、d s p 等为硬件平台嬲1 ，采集转速、电流、电压等 无刷直流电机状态量，根据控制策略与控制算法计算处理改变p w m 频率与占空 比，同时采样位置检测模块信号，推算得出功率管输出口组合时序逻辑状态。 除去无刷直流电机控制功能，控制核心同时需要建立与上位机通讯机制。 1 2 3 驱动逆变电路1 2 6 i 驱动逆变电路是无刷直流电机弱点控制强电的核心组块，因为驱动逆变功 率管电路的存在，衔接了强电弱电的交互。其主要功能是逆变放大无刷直流电 机各相的驱动信号，从能量的角度上看即将电源的功率按功率管导通顺序与导 通时间信号分配给无刷直流电机的各相绕阻，推动无刷直流电机产生旋转转矩。 控制核心推算得到功率管导通顺序与导通时间信号，但是控制核心因为电 气性能的原因，直流电源无法通过控制核心电路给无刷直流电机馈送足够功率， 且无刷直流电机须有三相信号驱动，必须将直流逆变成三相信号。所以需要逆 变驱动电路逆变放大无刷直流电机信号，从大功率电源中汲取功率。 1 2 4 位置检测模块 位置检测模块用于跟踪无刷直流电机转子位置，与无刷直流电机轴承联接， 将永磁钢位置信息转化成电信号，由控制核心加以接收推算功率管导通顺序与 导通时间信号。位置检测模块最常见有三种类型传感器心l 绷：电磁式、磁敏式、 光电式。 一、电磁式 电磁式传感器利用电磁效应，输出高频调制信号，幅值根据转子位置变化， 需解调得到转子位置逻辑信号。此类传感器结构可靠，输出信号强，但体积大， 外围电路复杂，现在已经不再通用。 二、磁敏式 磁敏式传感器原理利用磁敏器件例如霍尔传感器，检测转子经过不同位置 时的磁场变化，输出相应电信号加以逻辑处理。此类传感器体积小，温度敏感， 电路简化，是当今应用主流。 三、光电式 第l 章绪论 光电式传感器运用光电效应，在转子沿安装同轴遮光板，光信号读取遮光 板得到反应转子位置的电信号。此类传感器体积小，但是耐震性差。 1 2 5 转速电流电压等状态量采集模块 无刷直流电机的控制必须采样电机各类状态反馈信号，处理推算后对电机 施加控制。高精度电机控制采用光码盘光电转速获取的方式，扫描计算转码脉 冲，求取电机转速；无刷直流电机的能量来自直流电源的功率能量，其控制的 实质就是控制无刷直流电机转动转矩，即可表示为绕阻电流控制，无论是电流 还是电压采样的目的就是得到电机绕阻电流信息并加以控制。 因为无刷直流电机是一个非线性多变量耦合系统，各个采样模块必须考虑 合理的频率与范围加以采样，针对无刷直流电机的复杂特性加以数据滤波，得 到真实可靠的数据。同时因为无刷直流电机多电源轨，强弱电混合的特点，采 样模块提取采样数据时需注意控制电路的隔离与保护。 1 2 6 上位机指令控制与数据反馈显示模块 成熟的无刷直流电机控制系统宽阔的调速范围里必须拥有不同的调速指令 与无刷直流电机的现场实时状态数据监测。主控设备的设计、良好的通讯机制 与通讯协议保证无刷直流电机处在一个健康的控制中，从而设计上位机指令控 制与数据反馈显示模块以满足设计要求。主要通讯机制有：i c 总线例( 1 2 c ) 、 同步串行接口跚1 ( s p i ) 、通用异步收发器聆1 3 ( u a r t ) 以及现场总线c a n 棚3 接 口等。 一、i c 总线( 1 2 c ) 1 2 c 总线是由两条信号线组成：串行时钟( s c l ) 、串行数据( s d a ) 。1 2 c 总 线串行、多主控( m u l t i - m a s t e r ) 接口标准，具有总线仲裁机制，非常适合在 器件之间进行近距离、非经常性的半双工数据通信。在它的协议体系中，传输 数据时都会带上目的设备的设备地址，因此可以实现设备组网。但是协议相对 复杂，抗干扰能力较弱。 二、同步串行接口( s p i ) s p i 总线技术是m o t o r o l a 公司推出的一种同步串行接口，由三条信号线组 成：串行时钟( s c l k ) 、串行数据输出( s d o ) 、串行数据输入( s d i ) 。s p i 总线可 以实现多个s p i 设备互相连接，提供s p i 串行时钟的s p i 设备为s p i 主机或主 第1 章绪论 设备( m a s t e r ) ，其他设备为s p i 从机或从设备( s l a v e ) 。主从设备间可以实现全 双工通信，当有多个从设备时，还可以增加一条从设备选择线。 三、通用异步收发器( u 触疆) u a r t 总线是异步串口，因此一般比前两种同步串口的结构要复杂很多，一 般由波特率产生器( 产生的波特率等于传输波特率的1 6 倍) 、u a r t 接收器、u a r t 发送器组成，硬件上由两根线，一根用于发送，一根用于接收。 四、现场总线c a n 接口 c a n 总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，拥有优良 的电气特性与强大的通信协议与机制。物理上通过c a n 收发器接口芯片8 2 c 2 5 0 的两个输出端c a n h 和c a n l 与物理总线相连，电平状态避免总线“死锁 的产 生；总线工作于多主方式，数据协议中优良的仲裁机制与纠错机制等提高总线 的稳定可靠的工作特性。 c a n 总线灵活的通信方式、高可靠性以及优良的仲裁机制成为建立控制显示 模块的热门之选。 1 3 无载无刷直流电机的应用与展望 1 3 i 无载无刷直流电机特殊应用场合 从无刷直流电机发展历程中我们可知无刷直流电机发展迅速，已经深入国 民经济的各个领域。作为国家支柱产业的汽车工业大量运用电机，无刷直流电 机因其较其他各类电机的卓越优势已经成为主要车用电机【卅，在汽车驱动电机 f 3 堋、汽车空调、电动车门、安全气囊、雨刮器等都可见到无刷直流电机的成 功案例；家用电器电子驱动电机也增长迅速，无刷直流电机高效、不受电源频 率限制、高功率因素等优点已经取代异步电机助长空调冰箱等家用电器的生产， v c d 、d v d 等主轴驱动电机也逐步使用无刷直流电机；计算机外设与办公自动 化设备电机领域【37 】到处可见无刷直流电机作为技术密集化产品的主流出现在市 场上，硬盘驱动用主轴电机，风扇用驱动电机等案例不甚枚举。无刷直流电机 作为集成有刷直流电机与交流异步电机控制系统优点的机电一体化产品已经成 为电机运用领域的主要发展方向之一1 3 引，尤其在国防、军工领域的运用更是体 现了无刷直流电机控制的优势甚至成为系统控制的最佳选择。 无刷直流电机在某些特殊应用中一般为变负载运行，在特殊场合甚至要求 无负载工作。这样的需求就要求无刷直流具有极其良好的高速控制精度与动态 第1 章绪论 设备( m a s t e r ) ，其他设备为s p i 从机或从设备( s l a v e ) 。主从设备间可以实现全 双工通信，当有多个从设备时，还可以增加一条从设备选择线。 三、通用异步收发器( u 触疆) u a r t 总线是异步串口，因此一般比前两种同步串口的结构要复杂很多，一 般由波特率产生器( 产生的波特率等于传输波特率的1 6 倍) 、u a r t 接收器、u a r t 发送器组成，硬件上由两根线，一根用于发送，一根用于接收。 四、现场总线c a n 接口 c a n 总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，拥有优良 的电气特性与强大的通信协议与机制。物理上通过c a n 收发器接口芯片8 2 c 2 5 0 的两个输出端c a n h 和c a n l 与物理总线相连，电平状态避免总线“死锁 的产 生；总线工作于多主方式，数据协议中优良的仲裁机制与纠错机制等提高总线 的稳定可靠的工作特性。 c a n 总线灵活的通信方式、高可靠性以及优良的仲裁机制成为建立控制显示 模块的热门之选。 1 3 无载无刷直流电机的应用与展望 1 3 i 无载无刷直流电机特殊应用场合 从无刷直流电机发展历程中我们可知无刷直流电机发展迅速，已经深入国 民经济的各个领域。作为国家支柱产业的汽车工业大量运用电机，无刷直流电 机因其较其他各类电机的卓越优势已经成为主要车用电机【卅，在汽车驱动电机 f 3 堋、汽车空调、电动车门、安全气囊、雨刮器等都可见到无刷直流电机的成 功案例；家用电器电子驱动电机也增长迅速，无刷直流电机高效、不受电源频 率限制、高功率因素等优点已经取代异步电机助长空调冰箱等家用电器的生产， v c d 、d v d 等主轴驱动电机也逐步使用无刷直流电机；计算机外设与办公自动 化设备电机领域【37 】到处可见无刷直流电机作为技术密集化产品的主流出现在市 场上，硬盘驱动用主轴电机，风扇用驱动电机等案例不甚枚举。无刷直流电机 作为集成有刷直流电机与交流异步电机控制系统优点的机电一体化产品已经成 为电机运用领域的主要发展方向之一1 3 引，尤其在国防、军工领域的运用更是体 现了无刷直流电机控制的优势甚至成为系统控制的最佳选择。 无刷直流电机在某些特殊应用中一般为变负载运行，在特殊场合甚至要求 无负载工作。这样的需求就要求无刷直流具有极其良好的高速控制精度与动态 第l 章绪论 响应能力，高速旋转特性对无刷直流电机本体与机械结构如轴承等提出要求， 可靠性设计要求系统有绝佳的电气性能，系统的高频工作特性又要求利用软开 关技术解决噪声与损耗问题，高精度控制与迅速响应能力要求运用特殊的控制 策略与控制算法对无载无刷直流电机加以控制，当然还有冗余技术等技术手段 保证无刷直流电机正常动作。 1 3 2 无刷直流电机的发展趋势 无刷直流电机机电一体化的典型应用，涉及材料技术、机械技术、电机技 术、电力电子技术、传感器技术以及控制理论等多类学科。因此，任何一个学 科的进步都将推动无刷直流电机的进一步发展。 一、集成化 微机电系统的发展促使无刷直流电机控制电路与传感器高度集成化，将无 刷直流电机位置、转速、电压、电流等控制状态量进行融合反馈，集成子系统 综合设计，使控制系统简单可靠。同时无刷直流电机转子以永磁材料制成，无 热源，电机内部动作产生热量较少，在无负载情况下工作，没有机械损耗，几 乎无热能转化，为无刷直流电机与控制以及逆变电路融合设计提供前提条件。 如航天领域以无刷直流电机为核心的动量轮将无刷直流电机本体、功率逆变驱 动电路、控制核心电路以及位置传感器进行一体化设计，简单可靠。 二、控制数字化 在无刷直流电机本体性能改善提高与电力电子技术快速发展的前提下，获 得优良控制性能的关键因素是无刷直流电机的控制核心。2 0 世纪9 0 年代以来， 计算机技术、软件技术、以及微电技术高速发展，仿真技术与仿真工具出现， 单片机、a s i c 集成芯片【3 9 】、数字信号处理器( d s p ) 4 0 l 、复杂可编程门阵列 ( c p l d ) 【4 、现场可编程门阵列( f p g a ) 【4 2 】相继问世，各类开发平台与开发 工具逐渐完善。诸多因素为搭建新型无刷直流电机控制平台做好可靠的保证。 随着近几年无刷直流电机控制的进步，我国已经开始由单片机控制平台转 向d s p 控制平台，一些尖端研究已经开始研究在可编程逻辑器件平台上进行无 刷直流电机控制。现有主流的基于d s p 无刷直流电机控制系统已经发展到第6 代，成本适宜，型号规格相当丰富，集成多种先进外设形成真正的单芯片控制， 低成本、低功耗、高性能的处理能力，有效地保证了无刷直流电机的数字化处 理，提高无刷直流电机的控制精度与稳定性，成为业界研究的热点。唯一遗憾 的是，现有成熟控制算法还没有很好地集成到基于d s p 的无刷直流电机控制上， 第1 章绪论 在某些特殊无刷电机应用场合例如无载无刷直流电机的调控上甚至还是一片空 白。 针对无刷直流电机特殊应用场合，一种更好的设计思路得以展露手脚。数 字集成电路的应用与微电子工艺进步推动了可编程逻辑器件的发展，超大规模 复杂组合逻辑与时序逻辑的现场可编程逻辑阵列f p g a 与复杂可编程逻辑器件 c p l d 的推出使在可编程器件上搭建无刷直流电机控制平台成为可能。高端 f p g a 甚至集成中央处理器c p u 和数字处理器d s p 内核能够使现有控制平台和 控制算法得到很好地的移植。这样的设计思路可以节约资源，实现软硬件协同 设计，单片解决方案提高了系统可靠性，硬件处理的方式提高了无刷直流电机 系统响应能力，可编程硬件设计使系统更为灵活，得以硬件实时设计方案进化， 同时对于系统方案设计师而言有效地仿真能够提高方案设计成功率。 数字化的平台，集成了模数转换器( a d ) 、脉宽调制发生器( p w m ) 1 4 3 1 、 数字信号处理器( d s p ) 、正交编码检测电路( q e p ) 、h a l l 位置判断电路等 各类无刷直流电机控制系统组件，解决了日益增长的电机控制计算量与速度需 求。功能组件的集成提高了接口的通用性，进一步减小了系统硬件电路的体积， 提高系统的可靠性与效率。数字化的控制器，推进复杂算法的实现，促进柔性 控制算法的电机应用，同时方便架构通讯协议，加强与上位机等控制系统的数 据传输，便于故障识别监视与诊断。 1 4 本课题的选题意义及背景 无刷直流电机的理论分析与设计方法已经逐步成熟，但是无刷直流电机是 一个非线性、多变量强耦合系统，在某些特殊应用场合，如轻负载、无负载工 作环境下，常规控制策略将不再适用。在特殊应用场合强行运用现有成熟控制 策略，往往不能达到良好的控制性能，在保护措施不力的情况甚至会损毁控制 硬件平台与电机本体。从数字化控制上来看，模拟控制的诸多优秀控制没能很 好地移植到数字控制上，很多研究工作需要强弱电协同开发。由此需要针对特 殊应用设计科学系统的控制策略，并对应设计控制算法，达到高性能的技术指 标要求。 同时，可编程器件作为现场设计、可更改数字逻辑平台，顺应无刷直流电 机数字化的发展趋势。灵活的设计思路在系统开发前期阶段方便调试无刷直流 电机控制核心与各个控制组件，方便控制策略进化修正，缩短研究开发周期； 开发后期阶段采用一次性不可擦写逻辑器件，提高无刷直流电机控制系统在特 殊应用环境的可靠性、系统响应能力。 第1 章绪论 1 5 论文的主要工作和内容安排 本文的研究内容是研究特殊应用场合情况下，无刷直流电机无负载工作的 工作特性，分析常规控制策略不适用的理论原因。针对无载无刷直流电机的特 殊工作特性以及大调速范围、高精度，快速响应控制等性能指标，提出无刷无 载直流电机的控制策略与控制算法。基于d s p 设计系统控制并实现无刷无载直 流电机控制策略，对实验结果进行分析。同时针对无刷直流电机的数字化发展 趋势，搭建基于f p g a 数字控制平台，硬件实现无刷直流电机控制组件与控制 策略，纯硬件平台保证无载无刷直流电机在特殊应用场合的可靠性，系统中保 留无刷直流电机控制的软核设计，智能切换控制体系，冗余控制，提高苛刻工 作环境下无刷直流电机控制系统的可靠性。 为了清晰地描述本课题的研究目的与过程，本文分成5 章。 第1 章绪论部分简略地介绍了无刷直流电机的发展历程与控制系统结构， 提出无载无刷直流电机特殊应用场合控制需求与数字化趋势，阐述了本文的选 题意义背景以及研究内容。 第2 章介绍无载无刷直流电机的工作原理，推导其数学模型，并简单介绍 无刷直流电机控制技术概况，在此基础上分析普通无刷直流电机控制策略在无 载无刷直流电机控制中的局限性。 第3 章根据推导分析提出无载无刷直流电机的控制策略与其控制算法，详 细描述其原理，并设计基于d s p 2 8 1 2 的无载无刷直流电机平台，通过上位机测 试台数据验证系统控制方案。 第4 章针对无刷直流电机数字化趋势，搭建基于f p g a 的无刷直流电机控 制系统，并设计硬核实现无载无刷直流电机控制算法，同时保留无载无刷直流 电机软核设计方便高端环境控制系统冗余，最后仿真验证。 第5 章对本课题的研究做一个总结，提出未来无载无刷直流电机研究展望。 以上就是本论文的结构。 第2 章无载无刷直流电机的研究 第2 章无载无刷直流电机的研究 2 1 本章概述 本章将分3 个小节对无刷直流电机基本工作原理、无刷直流电机的数学模 型以及无刷直流电机的控制技术进行阐述。基于此基础对有载与无载情况下无 刷直流电机的工作区别进行分析，进而总结无载无刷直流电机常规控制的局限 性。 2 2 无刷直流电机基本工作原理跎1 直流电机的工作机理是根据安培环路定理，使电枢绕阻通电产生电枢磁场 f a ，主磁场直流励磁磁势f f 与电枢磁场尽可能保持垂直，从而产生最大转动转 矩，不间断驱动无刷直流电机旋转。有刷直流电机将磁极安装在定子上，转子 则由电枢绕阻构成，因为换向器和电刷的存在，转子每经过1 8 0 度改变电流方 向，从而保证电枢磁场方向始终和永磁极直流励磁磁势方向保持垂直，产生最 大电磁转矩。然而由于电刷的存在，必然造成能量损失、换向火花以及电机结 构的复杂化与维护困难的缺点。 无刷直流电机在此基础上加以改进，将整距、集中绕制的电枢绕阻固定在 定子上，永磁极充当无刷直流电机转子，组成“反装式 结构，如下图2 2 所 示。 图2 - 2 无刷直流电机的结构图 转子永磁体产生的主磁场分布如图2 - 3 ( a ) 中b 所示，此磁场切割定子电枢 绕阻，产生类似感应电势，如图2 - 3 ( b ) 中e 所示。为了输出恒定的电磁功率或 者转矩，保持定、转子磁势f a 与f f 相对静止，电枢绕阻必须根据转子位置信 第2 章无载无刷直流电机的研究 息适时换向电流，如图2 - 3 ( b ) 中i 所示，由此推动无刷直流电机运行。 擘 k o门 一 8 ( a ) ( b ) 图2 - 3 无刷直流电机的主磁场磁密波形图 为产生正确的换流时序，采用三相桥式逆变器实现，三相桥电路又分为三 相半桥式和三相全桥式。 一、三相半桥式 如图2 - 4 ，l a 、l b 、l c 分别为电机定子a 、b 、c 三相绕阻，t l 、t 2 、t 3 为 功率管，位置采样信号空间1 2 0 度驱动功率管，控制无刷直流电机电流换向。 假设t 1 功率管导通，a 相电枢绕阻通电，形成a 相电枢磁场f a ，此时永磁势 f f 正好位于b 相，f a 相位顺时针领先f f ，产生电磁转矩，推动转子旋转，按 此同步导通三相功率管，保证电机得到不间断电磁转矩。 图2 - 4 无刷直流电机的三相半桥式驱动 但是这样的控制方式因为跳跃式的步迸电枢磁场，转矩波动大，无刷直流 电机绕阻利用率低，实际应用较少。 二、三相全桥式 三相全桥式如图2 - 5 所示，t 1 、t 2 、t 3 、t 4 、t 5 、t 6 为功率驱动器件，根 据霍尔逻辑信号，按照一定逻辑时序和时间导通功率管器件，目的产生合适电 磁转矩，其常见导通方式分为两两导通与三三导通方式。 第2 章无载无刷直流电机的研究 图2 - 5 无刷直流电机的三相全桥式驱动 1 ) 两两导通方式 两两导通方式指无刷直流电机任一时刻都有两相导通，第三相悬空，每个 功率元器件导通1 2 0 度，组合生成步进式旋转磁场，每个步进角为6 0 电角度， 即每隔6 0 电角度逆变桥进行一次换流，定子磁状态相应改变。三相电流如图 2 6 所示 l 越 l i l 1 2 0 2 柳3 鲋 l l i ll 一 噱咿l 一 一 图2 - 6 两两导通电流示意图 可见每个时刻都有两相电流导通，以t 1 、t 6 导通为例，这时a 相正向导通， c 相反相导通，依次产生正反向电磁转矩，其转矩合成如图2 - 7 ( a ) 所示，其合 同转矩t a b 为单相转矩的3 倍。由此无刷直流电机在一个周期内的合成转矩每 6 0 电角度更换一次，如图2 - 7 ( b ) 所示，由于续流二极管的存在，换向瞬间三相 都有电流流通，当关断相的电流减小至0 时，二极管停止续流，换向过程结束， 电机处于新的导通状态，期间会有微小换向转矩脉动。 第2 章无载无刷直流电机的研究 ( a ) ( ” 图2 - 7 两两导通转矩示意图 2 ) 三三导通方式 三三导通方式指功率管逆变桥每一瞬间均有三只功率管导通，同两两导通 类似，三三导通每隔6 0 电角度换向一次，只是功率管的导通顺序不同，合成转 矩为单相转矩的1 5 倍。整体而言，三三导通的形式可以进一步提高绕阻利用 率，减少转矩脉动，但是换向器件因为导通的复杂性容易导致同一桥路上下桥 臂同时导通，危险性较大，不利于系统稳定可靠性。 三、无刷无载直流电机的驱动选择 由此可见，在无载无刷直流电机的换流方案中选择三相全桥式，两两导通 的驱动方式有利于提高绕阻利用率，减小转矩脉动，提升转矩合成力矩，同时 避免驱动桥同时导通的危险，保证系统可靠性。 2 3 无刷直流电机数学模型 2 3 1 微分函数模型 一、电压方程 5 3 , 5 4 无刷直流电机每相电枢绕阻相电压由电阻压降和绕阻感应电动势组成，任 一相电压可表示为u = 疋t + ( 式2 1 ) 式中：阢相电压，下标x 代表三相绕阻a 、b 、c f 。相电流 气，相感应电势 足相电阻，各相相等r 。= r 相感应电势数值上等于绕阻闭合回路中磁场时间变化率，即 第2 章无载无刷直流电机的研究 ( a ) ( ” 图2 - 7 两两导通转矩示意图 2 ) 三三导通方式 三三导通方式指功率管逆变桥每一瞬间均有三只功率管导通，同两两导通 类似，三三导通每隔6 0 电角度换向一次，只是功率管的导通顺序不同，合成转 矩为单相转矩的1 5 倍。整体而言，三三导通的形式可以进一步提高绕阻利用 率，减少转矩脉动，但是换向器件因为导通的复杂性容易导致同一桥路上下桥 臂同时导通，危险性较大，不利于系统稳定可靠性。 三、无刷无载直流电机的驱动选择 由此可见，在无载无刷直流电机的换流方案中选择三相全桥式，两两导通 的驱动方式有利于提高绕阻利用率，减小转矩脉动，提升转矩合成力矩，同时 避免驱动桥同时导通的危险，保证系统可靠性。 2 3 无刷直流电机数学模型 2 3 1 微分函数模型 一、电压方程 5 3 , 5 4 无刷直流电机每相电枢绕阻相电压由电阻压降和绕阻感应电动势组成，任 一相电压可表示为u = 疋t + ( 式2 1 ) 式中：阢相电压，下标x 代表三相绕阻a 、b 、c f 。相电流 气，相感应电势 足相电阻，各相相等r 。= r 相感应电势数值上等于绕阻闭合回路中磁场时间变化率，即 第2 章无载无刷直流电机的研究 e vx = ! 而每相绕阻除了自身电流产生的磁通之外， 生磁通及永磁转子的磁通的相交磁场，即 v l = l 乒a 七m o b + ma c i c + vp m 嗡、 ( 式2 2 ) 还分别产生与其他绕阻电流产 ( 式2 3 ) 式中： y 蹦( 9 ) 每相绕阻匝链的永磁磁场( 在上文中已经予以介绍) 绕阻互感。 = r + 云( 幺+ + 鸩c 屯) + ( 式2 - 4 ) 因为三相电流满足+ 岛+ 毛= 0( 式2 5 ) u = r + 皇( 三一m ) + p ( 式2 6 ) 刚嘲| + 工三谳 + 刭引 = + + 龟屯 ( 式2 - 8 ) 第2 章无载无刷直流电机的研究 2 4 无刷直流电机的控制技术研究概况 随着无刷直流电机在军工、民用应用领域的广泛应用，人们一方面严格控 制成本、降低功耗，一方面又不断提高技术指标与控制要求、满足市场需求， 同时伴随计算机与软件技术的进步、仿真工具的大量涌现，诸多因素促进了无 刷直流电机控制策略与控制技术的极大进步。当今无刷直流电机的普通控制技 术已经比较成熟，我国制定了g j b l 8 6 3 无刷直流电机通用规范。 2 4 1 基于位置传感器控制技术 从电机控制结构上看，无刷直流电机的运行主要依据电机位置的变化相应 改变逆变功率器件的导通顺序与组合控制电机旋转，由此无刷直流电机的控制 又可归类为直接位置检测控制技术与无位置传感器控制技术。 一、直接位置检测控制技术 直接位置检测控制技术通常在定子端安装位置传感器，检测转子磁钢磁极 位置情况并产生对应的电信号，控制策略根据此信号调整逆变功率器件的导通 顺序与组合逻辑，依据安培环路定律在空间产生旋转磁场，驱动永磁转子旋转。 磁敏式的霍尔传感器已经成为转子位置传感器当今主流，其基本原理是电机在 磁场中旋转，通电半导体片在磁场作用下，分别向片子横向两侧偏转与积聚， 形成霍尔电场，最终平衡形成霍尔电压，根据此电压信号得到电机位置情况。 如今光电式的位置传感器也正在发展起来。 直接位置检测控制技术驱动简单、便捷、控制逻辑清晰，不同的控制策略 兼容性强，但是位置传感器的存在不利于电机的微型化，分布式系统交互也不 利于整体控制的可靠性与鲁棒性，基于以上原因人们开始研究无位置传感器技 术。 二、无位置传感器技术【5 7 】 1 9 6 6 年m i e s l i n g e r 提出电容移相换流位置估计法开始至今，已取得一定的 实验室阶段成果。无位置传感器技术主要指通过电机电压、电流【5 8 , 5 9 等信号， 经算法推理得到电机位置信号、角速度等状态量，控制调整逆变功率器件的导 通顺序与组合逻辑，保证电流与反电势相位同步。常用的转子位置间接检测法 大致可分为反电势法【删、电感法、磁链法【6 、续流二极管法 6 2 1 、变电机结构法、 观测器估计法与智能估计法【6 3 】等。 无位置传感器技术有助于无刷直流电机微型化、降低了成本、信号量的减 第2 章无载无刷直流电机的研究 2 4 无刷直流电机的控制技术研究概况 随着无刷直流电机在军工、民用应用领域的广泛应用，人们一方面严格控 制成本、降低功耗，一方面又不断提高技术指标与控制要求、满足市场需求， 同时伴随计算机与软件技术的进步、仿真工具的大量涌现，诸多因素促进了无 刷直流电机控制策略与控制技术的极大进步。当今无刷直流电机的普通控制技 术已经比较成熟，我国制定了g j b l 8 6 3 无刷直流电机通用规范。 2 4 1 基于位置传感器控制技术 从电机控制结构上看，无刷直流电机的运行主要依据电机位置的变化相应 改变逆变功率器件的导通顺序与组合控制电机旋转，由此无刷直流电机的控制 又可归类为直接位置检测控制技术与无位置传感器控制技术。 一、直接位置检测控制技术 直接位置检测控制技术通常在定子端安装位置传感器，检测转子磁钢磁极 位置情况并产生对应的电信号，控制策略根据此信号调整逆变功率器件的导通 顺序与组合逻辑，依据安培环路定律在空间产生旋转磁场，驱动永磁转子旋转。 磁敏式的霍尔传感器已经成为转子位置传感器当今主流，其基本原理是电机在 磁场中旋转，通电半导体片在磁场作用下，分别向片子横向两侧偏转与积聚， 形成霍尔电场，最终平衡形成霍尔电压，根据此电压信号得到电机位置情况。 如今光电式的位置传感器也正在发展起来。 直接位置检测控制技术驱动简单、便捷、控制逻辑清晰，不同的控制策略 兼容性强，但是位置传感器的存在不利于电机的微型化，分布式系统交互也不 利于整体控制的可靠性与鲁棒性，基于以上原因人们开始研究无位置传感器技 术。 二、无位置传感器技术【5 7 】 1 9 6 6 年m i e s l i n g e r 提出电容移相换流位置估计法开始至今，已取得一定的 实验室阶段成果。无位置传感器技术主要指通过电机电压、电流【5 8 , 5 9 等信号， 经算法推理得到电机位置信号、角速度等状态量，控制调整逆变功率器件的导 通顺序与组合逻辑，保证电流与反电势相