（电机与电器专业论文）永磁无刷直流电动机换向及位置检测研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文+ a b s t r a c t a sae l e c t r i cm e c h a n i c a c o n v e r c e r m o t o rh a sb e e nw i d e l yu s e do v e ro n ec e n t u r y r a n g i n g f r o m e v e r y f i e l do fn a t i o n a l e c o n o m y t o p e o p l e se v e r y d a y l i f e t h e p e r m a n e n t - m a g n e tb r u s h l e s sd c m o t o rr b l d c m ) h a st h em e r i t so fb o t hb r u s hd cm o t o r a n da s y n c h r o n o u sm o t o r b e c a u s ep e r m a n e n t m a g n e t ，b l d c mh a st h ea d v a n t a g e so fh i g h p o w e r d e n s i t y , h i g he f f i c i e n c y , h i 曲r a t e b e t w e e n t o r q u ea n dc t u - r e n t , s i m p l e n e s s f o rc o n t r o l ， i th a sb e e nt a l e n ts h o w i n gi t s e l f i nm o t o rd r i v e sf a m i l yf o rr e c e n ty e a r sa n dw i d e l yu s e di n e v e r yi n d u s t r y a r e ae s p e c i a l l yi ns p e e d - v a r i a b l ea p p l i c a t i o n sa n ds e r v os y s t e m s f i r s t l y , t h i s t h e s i s a n a l y z e s t h e o p e r a t i o n a lp r i n c i p l e o ft h e p e r m a n e n t - m a g n e t b l d c m t h e n ，i td e d u c e st h ek e yp a r t so fb l d c m sc o n t r o ls y s t e m ，w i t hi n t r o d u c i n g t h e i rh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n t h em e t h o d so fr o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o no f p e r m a n e n t m a g n e tb l d c m a r ei n t r o d u c e d i nt h i s p a p e r ，a n da l la n 刚a rp o s i t i o nd e t e c t i o nu n i t b a s e do nr e s o l v e ra n da d 2 s 8 3i s p r e s e n t e d t h ep a p e rd e s c r i b e sh o w t os e l e c tt h ee x t e r n a lc o m p o n e n t sf o ra d 2 s 8 3a f t e r a n a l y s e sh o w i tw o r k s w i t ht h y r i s t o r - b a s e dc o n v e r t c r , t h em a i nc i r c u i tu n d e ri n v e s t i g a t i o ni sd i f f e r e n tf r o m c o n v e n t i o n a lo n e s t oa c h i e v es u c c e s s f u la n do p t i m a lt u r n - o f fo ft h y r i s t o r s ，s p e c i a l d e s i g n e d c i r c u i t t o p o l o g y i s a d o p t e d i no u rs y s t e m , a n da n i n - d e p t hs t u d y o ft h e c o m m u t a t i o n p r o c e s s a n d c o m p o n e n t s s e l e c t i o ni sd e v e l o p e dt h e n t h et h e s i sm a k e st h ec o m p a r i s o no fs o m ed i f f e r e n tk e yp a r a m e t e r s t h e i ri n f l u e n c e s o nt h ec o m m u t a t es u r g ec u r r e n ta n dc o m m u t a t et i m ea r ed i s c u s s e d a n ds o m ei m p o r t a n t w a v e f o r m sa r er e c o r d e d i tc o m e st oac o n c l u s i o n ，a n do p t i m i z e st h es t r a t e g yo fc o n t r o l s y s t e m m o r e o v e r ，t h ec o m p a r i s o n v a l i d a t e st h ec o r r e c t n e s so f t h ec o n c l u s i o ni nt h i s 也e s i s k e yw o r d s ：p e r m a n e n t - m a g n e tb l d c m ，c o m m u t a t i o na n a l y s i s ，r o t a r yt r a n s f o r m e r , a d 2 s 8 3 ，p a r a m e t e r s e l e c t i o n 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：身和辱 沙乒年红月力日 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。 保密口，在年解密后适用本授权书 本论文属予， 不保密瓯 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：转孚 节年争月多9 日 指导教师签名：甄友 如午年午月砷日 l 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 【概要】本章首先介绍了永磁无刷直流电动机的发展概况、主要应用，之后讲述了推动永磁无刷 直流电动机发展的主要因素及其发展前景，晟后列出了本文所研究的主要内容。 1 1 永磁无刷直流电动机概况 永磁无刷直流电动机( 简称p m b d c m ) 是近年随着永磁材料和电力电子技术的 迅速发展而发展起来的一种新型电机。它用一套电子换向装置代替了有刷直流电动机 的机械换向装置，保留了有刷直流电动机宽阔而平滑的优良调速性能，同时又克服了 有刷直流电动机机械换向带来的系列的缺点，因此在各个领域中得到广泛应用，如： 计算机的软盘驱动装置，人工智能机器人，c d 机、空调器、电动交通工具乃至航空、 航天、航海业等。除具有有刷直流机的优点外，p m b d c m 还具有高能量密度，高转 矩惯性比、高效率等特点。因此，p m b d c m 具有很强的生命力和广阔的发展前途。 1 1 1 永磁无刷直流电动机的发展情况简介 有刷直流电动机作为最早的电动机广泛应用于工农业生产的各个领域，由于其宽 阔而平滑的优良调速性能，在需要调速的领域占有重要地位，但机械换向装置的存在， 限制了其发展和应用范围。机械换向的不良后果是电刷下面产生危害性火花，严重时 可能产生环火，使其在煤矿、油田等具有可燃性气体的场合受到限制：而且电刷为易 损件，需要经常更换；换向火花还能引起对无线电通讯及控制设备的电磁干扰，转速 也受到机械换向的限制而不能很高。这些缺点在很长时间内没有得到根本改善。 科学技术的飞速发展，带来了半导体技术的飞跃，开关型晶体管的研制成功为创 造新型的无刷直流电动机带来生机，1 9 5 5 年，美国人首次提出用晶体管换向线路代替 机械换向装置，经过反复实验，人们终于找到了用位置传感器和电子换向线路来代替 有刷直流电动机的机械换向装置，出现了磁电耦合式、光电式及霍尔元件作为位置传 感器的无刷直流电动机，以后人们发现电量波形和转子磁场的位置存在着一定的对应 关系，因此又出现了观测电枢绕组中不同电量波形监测转子位置的无位置传感器的电 动机。 近几十年，现代电力电子器件工艺日臻成熟，出现了电力晶体管( g t r ) 门极 r q 关断晶闷管( g t o ) ，功率场效f j ，训本管- v d m o s ) ，特别是绝缘门极晶体管( i g b j 、) 华中科技大学硕士学位论文 m o s 可控晶闸管( m c t ) 的开发成功，使p m b d c m 功率驱动电路的可靠性和稳定 性得到保障。而另一方面，稀土永磁材料迅速发展，其磁能积高、本征矫顽力高、抗 去磁能力强，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。所有这些都为无刷直流电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。同时，无 刷直流电动机的发展也使得电动机与大功率开关元件、模拟与数字专用集成电路、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，无刷直流电动机集 特种电机、变速结构、检测元件、控制软件与硬件于一体，形成新一代电动伺服系统， 体现着当今应用科学的许多最新成果，是机电一体化的高科技产物。【l 】 在国外：p m b d c m 的生产和应用取得很大进展，如日本仓毛电器公司研究出的 k r k 系列产品，西德西门子公司推出的a d 系列产品。在大功率无刷直流电机方面， 工业级的无刷直流电动机及驱动系统已达到兆瓦级的功率范围，特别是在美国，一些 公司的p m b c d m 产品已占据了不同的应用领域，例如f u n k 、u s a 的产品主要应用 于工厂自动化领域，p a p s t 的产品主要应用于仪器设备领域，k o l l l 州o r g 的产品 主要应用于国防和航天领域。德国制成6 相变频电源供电的1 0 9 5 k w 、2 3 0 r m i n 的稀 土永磁电动机，用于舰船推进，与过去使用的直流电动机相比，体积减少了6 0 左右， 总损耗降低了2 0 左右，而且省去了电刷和换向器，维护也方便。法国开发的1 0 0 k w 无刷直流电动机，在线圈端侧装入逆变器，重量只有2 8 k g 。【2 】1 5 】 我国无刷直流电动机的研制工作起步较晚，始于2 0 世纪7 0 年代初期，主要集中 在一些科研院所和高等院校。我国的p m b d c m 在小功率( 几十瓦到几百瓦) 范围内， 己从科研转向生产，如西安微电机研究所研制的4 5 z w l ，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p m b d c m ，上海微电机研究所的无刷直流力矩电 动机等，但大功率的无刷直流电动机尚处于研究阶段。在我国首先大批量生产和应用 的无刷直流电机是风机系列产品，这种产品具有体积小、效率高、长寿命、无噪音、 无干扰、易调速等优点，一经问世就获得大量应用，目前在机座号上完全与交流型兼 容，有逐步取而代之的可能。其后又逐步开发了s t 、i f 、t s 、a s m 等系列产品。近 年来，我国在家用电器和车用电机水平方面亦开发了很多新品，在军用方面也已开发 和生产出各种用途的永磁无刷直流电动机，广泛地用于宇航、武器和特殊使用环境的 设备上，为我国宇航和国防事业现代化作出了重要贡献。但由于各方面条件制约，特 别是元器件工艺水平与国际上尚有较大差距，目前我国无刷直流电动机的综合指标仍 低于国际水平。【6 卜 华中科技大学硕士学位论文 11 2 永磁无刷直流电动机的主要应用 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、转矩i 重量比高、转动惯量低等优点，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 、电驱动系统中的应用 电驱动系统的快速发展及对电动机本体的多样化及高性能化、高精度的要求，为 永磁无刷电动机这样极具优势的高性能新型电动机提供了一个更为广阔的发展和应 用空间。 电驱动系统是指以电能为电源，通过电动机本体、驱动器及传感器与控制器进行 能量变换的动力系统，是世界主要动力群( 还包括燃油动力系统、液压动力系统及气 压动力系统等) 之一。近2 0 年，随着电力工业的快速发展及相关技术发展的推动， 电驱动系统已日渐成为当今世界动力群的主流，受到了人们的青睐和广泛关注，这样， 随着其应用范围的逐步拓宽，其电机本体多样化趋势已日趋明显，永磁无刷电动机、 开关磁阻电动机、步进电机等微特电机综合性能的提高，也就使得微特电机大量进入 电驱动系统作为执行元件成为必然趋势，而永磁无刷电动机作为微特电机中的“佼佼 者”如虎添翼，必将在高性能工业驱动场合获得广泛的应用。【1 1 1 2 、在交流伺服驱动系统中的应用 交流伺服驱动技术的飞速发展，使得交流伺服驱动系统取代传统直流伺服驱动系 统将成为必然的发展趋势，而作为交流伺服驱动系统的佼佼者高性能永磁无刷电 动机伺服驱动系统，更将成为高性能伺服驱动系统发展的主要方向，从而成为促进永 磁无刷电动机在高性能伺服驱动领域应用推广的催化剂。 一个多世纪以来，直流伺服驱动系统一直占主导地位。但是源于传统直流电动机 均采用电刷以机械方法进行换向，带来不可克服的“机械磨损、电火花、噪声、无线 电干扰、寿命短”等致命弱点，因此，使其应用范围受到了一定限制，尤其是在高性 能中、小功率伺服驱动场合。8 0 年代以来，随着矢量控制技术的不断成熟，极大推动 了交流伺服驱动技术的发展，使得交流伺服驱动系统的性能可以与直流伺服系统媲 美，特别是自永磁无刷电动机技术发展的f i 趋成熟，在一些高性能伺服驱动场合更有 取代直流伺服的趋势。这样便为永磁无刷电动机赢得了又一广阔的应用领域。 3 、在光机电一体化中的应用 光机电体化技术及信息技术的迅猛发展，将大大促进微特l u 机产业的发展和人 华中科技大学一硕士学位论文 范围应用，而永磁无刷电动机作为微特电机中最具发展潜力和优势的机电一体化产品 必将成为新世纪的朝阳产品。光机电一体他技术和信息技术作为2 0 世纪末诞生的“高 新技术”必将在到来的新世纪里获得更加快速的发展和广泛的应用，尤其是信息技术 的发展将更为迅猛。这样，对作为这两大技术( 含其产业) 的基础元件之一的微特电 机必将迎来又个快速发展的春天，而作为微特电机中的永磁无刷电动机成为新世纪 的一大朝阳产品也就理所当然。 ， 4 、在家电产品中的应用 目前，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动机的趋势。无刷直流电动机在各类家电中 均有应用，大大提升了家电产品的自动化程度，如按室温自动调温的空调器，可自动 根据衣物确定洗涤强度的洗衣机，可根据冷藏物自动选择冷冻温度的控温电冰箱等 等。据美国g e 公司预测，若用无刷电机取代传统的异步电动机在制冷器具中的应用， 其效率可提高2 0 ，全美一年可节电2 2 百万千瓦【1 2 1 。日本在5 年前已开发家电用永 磁无刷直流电动机，现在不少公司已批量生产。我国近一、两年才开发，但品种规格 单一，产品无创新，家电用永磁无刷直流电动机的研究开发水平还有待全面提高。因 此，在家电领域永磁无刷直流电动机将有非常广阔的发展空间。 5 、永磁无刷直流电动机在其他领域中的应用 节电、环保意识的不断增强，将成为永磁无刷电动机获得更为广泛应用的强有动 力。随着人类社会不断向前发展，人们对自己的生存环境提出了越来越高的要求 建设绿色家园已日渐成为人们的普遍共识，而每天由汽车( 燃油汽车) 捧放的尾气造 成的污染据统计几乎占了空气污染的3 0 ( 尤其是在城市) ：另外，电力工业的可持 续发展及人类社会的持续、健康发展的需要对用电设备的节能性能要求也日趋提高， 而电动机每年几乎占据了近7 0 * 4 的用电量，因此，提高电动机的节能性能也就成了人 们一直关注和研究的热点，在原有电动机基础上可以通过采取相应的补偿措施来提高 电动机的节能效果，由于受一些客观条件的制约，采取这种方式实现电动机节能性能 具有一定的局限性，为此寻求一些新型的节能效果较好的电动机也就成了大家的共 识。而永磁无刷电动机的诞生，尤其是随着其技术的快速发展和日渐成熟，通过选用 高性能的永磁无刷电动机来满足上述两方面的要求已是一种必然趋势。l l 州 总之，由于永磁无刷直流电动机的优点，随着永磁材料性能的不断提高和价格的 不断降低，电力电子技术日新月异的高速发展，各应用领域对电机的要求越来越高， 永磁厄刷直流电动机应用领域将不断扩展，这是必然的结果。 华中科技大学硕士学位论文 2i 永磁无刷直流电动机技术的发展趋势 一一 1 2 1推动永磁无刷直流电动机技术发展的主要因素 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离速发展 提供不竭的动力。 l 、永磁材料的发展 永磁使用在各个领域，其中n d f e b 磁体是代表性的稀土类磁体，其最大磁能积 高，可使装置小型化，高性能化，是目前产量最多的稀土类永久磁体。稀土永磁材料 是6 0 年代开发出的一种新型永磁材料。1 9 8 3 年，日本住友金属公司首次发明了钕铁 硼永磁材料，由于它具有高的剩磁，高的矫顽力以及高的磁能积，且具有良好的动态 回复特性，而且相对于1 ：5 型和1 ：1 7 型s m c o 永磁合金来讲，资源丰富，成本低， 因而迅速在世界范屡内掀起一股开发研究熟潮。特别是美国、日本等近年来在该领域 内投入了大量的人力、物力和财力，使钕铁硼永磁材料的开发和应用得到了超常规的 发展。欧共同体拨专款研制钕铁硼永磁材料，特别是在生产制造工艺上。不断取得新 的突破。自9 0 年代以后，铁钕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。钕铁硼永磁材料的应用，己涉及国民经济的各个 领域，特别是在计算机工业、信息工业、汽车工业、核磁共振成像工业、c d r o m 、d v d 等音像工业方面有着广泛的应用前景。钕铁硼永磁材料的开发和应用，已成为一项跨 世纪的朝阳工业。 2 、电力电子技术的发展 推动永磁无刷直流电动机发展的因素中除了永磁材料技术外，电力电子技术也是 相当重要的一个因素。电力电子技术的发展状况及大功率半导体器件的发展直接影响 了永磁无刷直流电动机的发展步伐。 电力电子技术是随着电力半导体器件的发展而发展起来的。1 9 4 8 年晶体管的发 明，使电子工业产生了一次革命。1 9 5 7 年晶闸管的出现和在电力领域中的应用，实质 上就是电力电子技术的开端。1 9 8 0 可关断晶闸管g t o 的商品化( 2 5 0 0 v 1 0 0 0 a ) ，使 电力电子技术向前推进了一大步。1 9 8 8 年i g b t 的出现，是电力半导体向理想化方面 迈进的最重大事件，使电力电子技术的发展进入到一个日新月异的阶段。特别是7 0 华中科技大学硕士学位论文 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。 与此同时，新的电路、新的控制技术的不断出现，也使电力电子技术向更新、更深的 领域发展。1 1 4 1 ”】 3 、计算机及其控制技术的发展 由于永磁材料和功率半导体器件性能的提高受到许多客观因素的制约和影响，在 一定条件下具有一定的局限性。因此，自2 0 世纪8 0 年代以来随着微型计算机技术、 控制理论和控制技术的飞速发展，人们更多地从提高控制器性能这条途径着手来提高 永磁无刷电动机的性能，并取得了一些可喜的成绩1 6 】【m 。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的性能，也使性能更优秀的永磁无刷电动机进入应用 领域。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 被相继引入无刷电动机控制器，从而推动着无刷电动机朝着高智能化、柔性化和全数 字化方向发展，为其进入新世纪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以电子换向器取代了常规的机械换向器，依靠位置信号来控 制电子换向器。获得位置信号的方法基本上分为两种，一种是依赖位置检测元件来实 现对转子位置的实时检测，这种方法又称直接法；另一种是无位置传感器方式，通过 辨识的方法来实现转子磁极位置的间接测量，即利用定子绕组的感应电动势( 电压) 间接获得转予磁极位置，因此，又称间接检测法。早期的无刷电动机转予磁极位置检 测，大都是通过在转子上安装位置传感器( 如霍尔元件等) 来实现。由于小功率永磁 无刷电动机体积偏小，往往直接在转子上安装位置传感器有些不便。8 0 年代以后，随 着微机技术的快速发展，使得无转子位置传感器的永磁无刷电动机得以进入实用化阶 段馆】。与直接检测法相比，间接检测法省去了位置传感器，从而可简化原电动机的 本体结构的复杂性，特别适合于小尺寸、小容量永磁无刷电动机，从而在微特电机领 域取得了较为广泛的应用。 1 2 2永磁无刷直流电动机的发展趋势 1 、进军直流有刷电动机市场 在所有电动机中调速性能最好的是直流电动机，但是由于电刷、换向器的存在， 便产生了一系列不可克服的缺点：1 换向时产生电磁干扰；2 可靠性差，寿命短，维 修嗣难：3 噪声大。无刷育流电动机既有有刷直流电动机同样的性能又依靠电子损 华中科技大学硕士学位论文 向，除去了电刷和换向器。因此随着无刷直流电动机的性能不断提高、价格逐渐下降， 原来应用有刷电动机的场合，逐渐由无刷直流电动机所代替。例如在信息处理系统( 包 括计算机等) 和通讯系统，音响、视像设备以及工业自动化系统中，在要求高性能、 高可靠性的运动伺服系统中，现在也采用了无刷直流电动机的系统。另外，航天、航 空、武器装备的更新换代的运动及运动控制系统中，也采用了无刷直流电动机。在医 疗设备中，例如牙钻、耳钻、骨钻以及离心分离泵的电机，原来都是采用有刷直流电 动机，目前新一代的设备已经是无刷直流电动机了。 2 、进军步迸电动机市场 在数字伺服控制之初，步进电动机经历了一个大发展阶段。然而随着技术的发展， 出现了要求伺服系统速度更快、定位更精确、分辨率更高的情况，步进电动机的开环 控制就无法满足了。由于步进电动机固有的特点，即使采用了闭环的步进电动机控制 以及细分技术，也无法实现这些要求。从目前的情况来看，步进电动机的发展正趋于 平缓。例如：在数控机床中，步迸电动机系统只是用于低档的数控机床。因此，目前 高速度、高精度、高分辨率、高可靠性的伺服系统都采用闭环的无刷直流电动机系统。 3 、进军异步电动机市场 作为微特电机中的异步电动机主要用于这样几种场合：冷却风扇，家用电器及工 业驱动的变频变压控制电机( w v f ) 。在仪器仪表中采用的小的交流异步电动机风扇， 目前已有很大一部份被结构简单、尺寸紧凑、效率更高的无刷直流电机风扇所代替。 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也提出了低噪声、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； 在新代的空调机、洗衣机、电冰箱、吸尘器及热水泵等家电中，也出现了逐步采用 各种类型的无刷直流电动机的趋势。这些电机结合新的控制技术、传感技术和新的电 子装备，大大提高了家用电器的性能，节省了能量，改善了人们的物质生活水平。 在8 0 年代和9 0 年代初期，异步电机的变频控制技术得到很大发展和应用。但是 随着电子技术的发展，无刷直流电动机的驱动控制器的价格大大下降，性能更好，无 刷直流电动机控制系统逐渐地在很大程度上占有了原来的异步电机变频控制的领域。 因为无刷直流电动机系统的变速范围更宽，运行更稳，而且起动力矩大，过载能力强， 效率高，体积小。目前，变频器的价格和无刷直流电动机驱动控制器的价格相差不多。 4 、进军电动车辆市场 华中科技大学硕士学位论文 为了减少燃油车辆造成的污染问题，电动车辆的研制被称为具有深远意义的革命 性措惑。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 j 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。影响无刷直流电动机普遍应用的主要是这样两点：价格比较高和电路比较复杂。 但是在电子技术迅速发展和电子元器件大幅度降价专用集成电路被采用之后，电路相 应简化很多、价格也下降了很多。尤其是在需要控制的场合。价格已经完全可以和有 刷直流电机相比。 1 3本文研究的主要内容 本文研究主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 介绍永磁无刷直流电动机的基本结构和工作原理，及其硬件构成、软件流程。 ( 2 ) 介绍位置检测的发展情况，工作原理和硬件构成。 ( 3 ) 构建换流模型，分析系统参数间的相互关系，得出部分关键参数的计算公式。 ( 4 ) 分析各主要参数对系统性能的影响，对比实验波形进行验证，给出实验结论。 8 华中科技大学硕士学位论文 2 永磁无刷直流电动机的工作原理及控制部分硬件、软件构成 【概要】本章详细分析了永磁无刷宜流电动机的基本工作原理：在上述基础上，介绍了实际控制 系统的硬件、软件构成情况，并讨论了无刷直流电动机的调速控制策略。 2 1 永磁无刷直流电动机的工作原理 永磁无刷直流电动机与一般直流电动机具有相同的工作原理和应用特性，但其构 成是不一样的。永磁无刷直流电动机是根据转子的位置角，通过电子换向器实现换向， 由电机、换向电路和位置检测部分构成；而有刷直流电动机则是通过电刷和机械换向 器来实现换向。许多小功率无刷直流电动机的换向电路就装在电机内成为一体，构成 机电体化的电机。 2 1 1永磁无刷直流电动机的工作原理 永磁无刷直流电动机的基本构成包括电动机本体、电子换向器和位置检测三部分， 如图2 i 所示。 图2 1 永磁无刷直流电动机的基本构成 永磁无刷直流电动机的工作原理以图2 2 和图2 3 为例来说明。图2 2 中v f 为逆 变器，m 为稀士永磁电动机本体，p s 为电动机的转子位置传感器，控制电路对转子 位置传感器检测的信号进行逻辑变换后产生脉宽调制p w m 信号，经过驱动电路放大 送至逆变器各开关管，从而控制电动机各相绕组按一定顺序工作，在电机气隙中产生 跳跃式旋转磁场。下面以两相导通星形三相六状态无刷直流电动机为例来说明其工作 原理。 直流电动机电枢磁势轴线与励磁磁势轴线互差9 0 。电角度时，产生的电磁转矩最 久。对于三相六状态无刷直流电动机，只能控制电枢磁势轴线与励磁磁势轴线问夹角 尽量靠近9 0 。电角度，即1 2 0 。至6 0 。电角度之j 旬。当转子永磁体位于图2 3 ( a ) 所示 位置时，转子位置传感器输出磁极位置信号，经过控制电路驱动逆变器，使功率开关 s 1 、s 6 导通，即绕组a 、b h 通电a 嗣逍b 相h j 1 乜楸绕组在空间的合成磁坍 华中科技大学。硕士学位论文 为f a ，转子磁势为f f ，如图2 3 ( a ) 所示。此时两磁势轴线间夹角为1 2 0 。电角度，定 转子磁场相互作用拖动转子顺时针方向转动。电流流通路径为：电源正极一s l 管一a 相绕组一b 相绕组一s 6 管一电源负极。当转子旋转过6 0 。电角度，到达图2 3 ( b ) 中所 示位置时，两磁势轴线间夹角为6 0 。电角度，此时位置传感器输出信号，经逻辑变换 后使开关管s 6 截止，s 2 导通，s l 仍导通。则绕组a 相、c 相通电，a 进c 出，电 枢绕组在空间合成磁场如图2 3 ( c ) 中f a 。此时定转子磁势轴线间夹角又恢复至1 2 0 。 电角度，在定转子磁场相互作用下，使转予继续沿顺时针方向转动。电流流通路径为： 电源正极一s 1 管一a 相绕组一c 相绕组- - $ 2 管一电源负极，依此类推。当转予继 续沿顺时针每转过6 0 。电角度时，功率开关管的导通逻辑为s 3 s 2 一s 3 s 4 一s 5 s 4 一s 5 s 6 一$ 1 s 6 ，则转子磁场始终受到定子合成磁场的作用并沿顺时针方向连续转动。 l v f u “ ；| r 1 s l 出、 岛j 、； 幻，1 ；jr f 、1 篮 = c ! e 冀h s i 轴 f 。 一 f 1， 一固 图2 2 永磁无刷直流电动机系统图 圆 图2 3 永磁无刷电动机t 作原理图 在图2 3 ( a ) 到( b ) 的6 0 。电角度范围内，转子磁场顺时针连续转动，而定子合成磁 场侄空间保持图2 3 ( a ) q jf a 的位霄1 i 动，只有“竹 r 磁场 过6 0 。电角度到达图2 3 ( b ) o 西 襄 。华中科技大学硕士学位论文 中f f 的位置时，定子合成磁场才从图2 3 ( a ) 中f a 位置顺时针跃变至图2 3 ( c ) 中f a 的 位置。而后每换一次向，合成磁势矢量方向就转过6 0 。电角度。由此也可以看出，星 形三相六状态两相导通方式所产生的合成磁势不是一个连续的旋转磁势，而是一个跳 跃式的步进磁势，每个步进角是6 0 。电角度。 当转子每转过6 0 。电角度时，逆变器开关管之间就进行一次换流，定子磁状态戟 改变一次。可见，电机有6 个磁状态，每一状态都是两相绕组导通，每相绕组中流过 电流的时间相当于转子旋转1 2 0 。电角度，每个开关管的导通角也是1 2 0 。，故该逆变 器为1 2 0 。导通型。两相导通星形三相六状态无刷直流电动机的三相绕组与各开关管 导通顺序的关系示于表2 - l 。 表2 - 1两相导通星形三相六状态绕组和开关管导通顺序表 电角度0 6 0 +1 2 0 1 b o 。2 4 0 3 0 0 3 开关管 a l bc 导通顺序 b l c j f b fil s l s 2 if s 3 l s 4 ii s 5 s 6 r _ 一 对于方波电流、梯形气隙磁场的永磁无刷直流电动机，定子一相绕组电流波形与 其反电势波形如图2 4 所示。 图2 4 定子一相绕组电流波形与其反电势波形 华中科技大学硕士学位论文 2 】2 永磁无刷赢流电动机的基本构成 前已指出，直流无刷电动机一般由电动机本体、电子换向电路和转子位置检测电 路三部分组成，如图2 】所示。电子换向电路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开关管，进行有序换流，以驱动直流电动机。 下面分别对无刷电动机的这三个部分进行介绍。 l 、电动机本体 无刷直流电动机在电磁结构上就是一台同步电动机，它的电枢绕组放在定子上。 转子多采用永磁材料，目前使用最多的为稀土永磁材料。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。无刷直流电 动机定子结构与普通的同步电动机及异步电动机相同，铁心中嵌放对称多相绕组，绕 组可接成星形或三角形，并分别与电子换向电路中各开关管相连接。 2 、电子换向电路 无刷直流电动机电子换向电路一般由控制部分和驱动部分组成，除完成绕组换向 外，还需控制电机的转速、转向、转矩以及保护电机。包括过流、过压、过热等保护。 控制电路最初采用比较简单的模拟电路。如果将电路数字化，许多硬件工作可以直接 由软件完成，可以减少硬件电路，提高其可靠性，同时可以提高控制电路抗干扰的能力， 因而控制电路由模拟电路发展到数字电路是目前的一种趋势。 目前，控制电路一般有专用集成电路、微处理器和数字信号处理器等三种组成形 式。对电机控制要求不高的场合，由专业集成电路组成控制电路是简单实用的方法：由 于数字信号处理器运算快，外围电路少，系统组成简单、可靠，使得直流无刷电动机的 组成大为简化，性能大大改进，有利于电机的小型化和智能化，因而数字信号处理器是 控制电路发展的方向。 驱动电路：驱动电路由大功率开关器件组成，构成主电路，著受控于控制电路。 正是由于晶闸管的出现，直流电动机才实现从有刷到无刷的飞跃。但由于晶闸管是只 具备控制接通，而无自关断能力的半控性开关器件，其开关频率较低，所以应用范围较 窄，目前多用于大功率驱动的场合。随着电力电子技术的飞速发展，出现了全控型的 功率开关器件，其中有可关断晶体管( g t o ) 、电力场效应晶体管( m o s f e t ) 、金属栅双极 性晶体管i g b t 模块、集成门极换流晶闸管( i g c t ) 及近年新开发的电子注入增强栅晶 体管( i e g t ) 等。随着这些功率器件性能的不断提高，相应的无刷电动机的驱动电路也 获得r ”e 速发展。 华中科技大学硕士学位论文 晶闸管由于必须电流自然过零爿能关断，因此由晶闸管构成的驱动电路需要添加 辅助的强迫换流电路，但也正因为这一点，电路中不会因换向出现过电压，且晶闸管 容量相对较大，适用于中大功率无刷直流电机。由i g b t 构成的驱动电路则要比晶闸 管容易控制的多，不需要任何辅助换向电路，但在关断时易产生过电压，因此目前多 用于中小功率无刷直流电机。 目前，全控型开关器件正在逐渐取代线路复杂、体积庞大、功能指标低的普通晶 闸管，驱动电路已从线性放大状态转换为脉宽调制的开关状态，相应的电路组成也由 功率管分立电路转成模块化集成电路，为驱动电路实现智能化、高频化、小型化创造 了条件。 3 、转子位置检测电路 永磁无刷电动机是闭环的机电一体化系统，它是通过转子磁极位置信号作为电 子开关线路的换向信号，因此，准确检测转子位置，并根据转子位置及时对功率器件进 行切换，是无刷直流电动机正常运行的关键。用位置传感器来作为转子的位置检测装 置是最直接有效的方法。一般将位置传感器安装于转子的轴上，实现转子位置的实时 检测。最早的位置传感器是磁电式的，主要有旋转变压器等：目前磁敏式的霍尔位置传 感器广泛应用于无刷直流电动机中，另外还有光电式的位置传感器。位置传感器的存 在，增加了无刷直流电动机的重量和结构尺寸，不利于电机的小型化，且不易维护：同 时，传感器的安装精度和灵敏度直接影响电机的运行性能：另方面，由于传输线太多 容易引入干扰信号。为适应无刷电动机的进一步发展，无位置传感器应运而生，它一般 利用电枢绕组的感应反电动势来间接获得转子磁极位置，与直接检测法相比，省去了 位置传感器，简化了电动机本体结构，取得了良好的效果，并得到了广泛的应用。但对 于靠反电动势进行位置检测的无位置传感器无刷电动机，由于静止时不产生反电动势， 因而如何顺利启动是该电机需要解决的问题。近年，有人提出了一种新的无位置传感 器的无刷电动机，它不是利用反电动势来检测转子位置，而是通过贴于转子表面的非 磁性导电材料，利用定子绕组高频开关工作时非磁性导电材料上的涡流效应，使开路 相电篮的大小随转子位置而变化，从而可通过检测开路相电压来判断转子位置，这种 无位置传感器的无刷电动机克服了一般无位置无刷电动机的启动和低速运行问题，但 该方法需要特殊的电机，对电机的制造工艺提出很高的要求。 2 2 永磁无刷直流电动机控制部分的硬件、软件构成 永磁无刷商流电动机拧制系统主要的任务是保证电动机带动负载正常运 j 并能 华中科技大学硕士学位论文 实现四象限运行，可以灵活调速。实现上述 任务是通过上位机或小键盘发出指令，要求 上位机有较好的人机对话界面，操作简单易 懂。控制系统从总体上分，可分为以下几个 主要部分：驱动单元，位置检测单元，主控 单元，指令单元和上位机，各单元之间通过 c a n 总线连接。其整体结构如图2 5 所示。 图2 5 中的驱动单元，接受由主控单元 发送来的不同指令，根据位置检测单元提供 的位置信号导通有关相绕组，调节输出电流 的大小，驱动电动机转动。位置检测单元除 了给驱动单元提供位置信号外，还给两套主 控单元提供位置信号，用于计算转速。主控 单元有两套，单元a 和单元b ，正常工作时， 这两套主控单元都运转，但只有套发送数 据和控制命令，另一套作为热备用单元。指令单 元主要实现与上位机和小键盘的连接和命令的 传达。上位机可以直观显示电机的运行状态，并 根据需要方便的改变系统运行状态和参数，监视 系统各部分的工作情况。数码显示和小键盘可以 在上位机出现故障时控制和监视整个系统的运 行，修改各种可调参数，发送各种控制命令。 2 f 2 1驱动单元 驱动单元负责将各种主控单元发送下来的 指令转变成实际的具体操作，以控制电机运行。 如电机的启动，自动重起，四象限运行，驱动单 元最重要的问题除了系统参数选择的问题之外， 软件控制流程是其中份量最重的一块，它直接影 响到系统的正常工作。 驱动单元主程序流程如图2 6 所示，程序执 行时首先调用c a n 子程序，接收 拄t p 庀发送 圈2 5 控制系统结构框图 图2 6 驱动单元主程序流程 1 4 尊科 一垦北、 华中科技大学硕士学位论文 的最新命令，并将本单元的运行状态上传给主控单元。接着根据电机的运行状态及指 令的要求状态判断出电机的运行象限，并根据不同的象限设定不同的标志。然后再根 据主控单元命令及开关按钮确定电机是否启动了，并控制指示灯的闪动频率来区别不 同的状态。对于以晶闸管为主要开关元件的驱动系统，起动过程与正常运行差别较大， 所以单独分出来进行处理。程序末尾对可能出现的故障状态进行处理，如退出单元、 自动投入等。 另外，外中断的中断程序也是主程序中非常重要的一部分。外中断程序处理包括 起动过程、正常运行和自动重投时有关强迫换流电路的部分。 2 2 2位置检测单元 永磁无刷直流电机运行时需根据转子位置进行换向，同时需要给控制系统提供转 速信号来调速。旋转变压器( 以下简称旋变) 是自动控制系统中一种精密控制微电机。 a d 2 s 8 3 是一种专用的跟踪式旋转变压器一数字转换器，与旋交一起，在不需任何编 程的情况下，可以输出不同分辨率的位置信号，同时可输出转速模拟量信号，从而简 化了系统结构。 如图2 7 所示，位置传感器在检测到电动机的转子位置之后，将其分别送到驱动 单元和主控单元。送到驱动单元的位置信号主要用于控制主回路桥臂的开关管，及时 进入换流过程并实现四象限运行。送到主控单元的位置信号主要用于测速，实现转速 闭环。 图2 7 位置检测单元在系统中的作用 位置检测部分主要由旋转变压器和a d 2 s 8 3 构成。旋转变压器原方接标准正弦激 励，输出的正余弦波形经放大到适当幅值后送入a d 2 s 8 3 ，a d 2 s 8 3 再将其转变成数 字位置信号输出，同时输出的还有方向信号和模拟转速信号。 2 2 - 3主控单元 丰控甲元有a b 两套两套可勾热备用。辛控单元 方面接收指令单元的指令f j 1 5 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = 一= ： ： 息，控制驱动单元可靠工作， 一方面及时将驱动单元的工作 状态反馈给指令单元，实现在 线监控。转速闭环的工作也是 在主控单元完成。其主要软件 流程如图2 8 所示。 p m 直流电动机的控制目标 是转速( o 。控制系统的外闭环是 转速闭环，由位置检测单元获 得的反馈转速与上位机给定 的转速比较后得到转速偏差 e ，根据e 的大小，采用以下调 节方案： _ _ r _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一一 单片机初始化 调用c a n 子程序j 一0 掌一l 一i - 二 i jp i 调节 j 直接接受指rj 算出电流j| 令单元电流 i e j j ( 2 1 ) 式中： k p 一比例系数； 6 一积分分离阈值； t t 一积分常数； t 一位采样周期； i k