（信号与信息处理专业论文）基于dsp的无刷直流电机控制系统研究与设计.pdf

摘要 本文围绕无位置传感器无刷直流电机 ( b l d c m) 控制系统设计中的几个关键 技术位置检测、起动和控制方法进行了深入的研究，对无位置传感器无刷直 流电 机运行方式进行了全面的分析，在此基础上提出了瞬时状态检测与预测估计 相结合的转子位置检测新方法， 并通过 “ 三段式” 方法实现起动。为了 提高系统 的调速性能，控制方法采用了转速、电 流双闭环。控制系统设计采用 t i公司 t ms 3 2 0 l f 2 4 0 x系列的d s p芯片作为控制核心。借助于d s p强大的处理能力和 丰富的外设，整套系统省去了以往复杂的硬件电路，采用结构更加合理的软件实 现了系统的大部分功能，从而提高了 系统的可靠性。 实验结果表明，电机起动快速、稳定，具有较宽的调速范围。同时，该系统 还具有结构简单、可靠性高等特点，具有广泛的应用前景。 关键词:无位置传感器无刷直流电机位置检测闭环控制数字信号处理器 起动 ab s t r a c t t h i s p a p e r m a in l y s t u d y s o m e p i v o t a l t e c h n i q u e s p o s i t i o n d e t e c t io n , s t a r t a n d c o n t r o l m e t h o d , w h i c h s u r r o u n d s b r u s h l e s s d c m o t o r ( b l d c m) w i t h o u t p o s i t io n s e n s o r c o n t r o l s y s t e m s d e s i g n . o n b a s e o f a n a ly z i n g a n d s t u d y i n g t h e r u n m o d e o f b l d c m, w e p r e s e n t a n e w r o t o r p o s i t i o n d e t e c t i o n m e t h o d w h i c h w a s i n s t a n t a n e o u s s t a t e d e t e c t i o n c o m b i n e d w i t h s t a t e p r e d i c t , a n d u s e t h r e e s e c t s t a r t m e t h o d . i n o r d e r t o i m p r o v e t h e s p e e d i n g p e r f o r m a n c e , w e a d o p t t h e t w o c l o s e d - l o o p c o n t r o l s t r a t e g y o f s p e e d a n d c u r r e n t . t h e mc u o f s y s t e m i s t h e t ms 3 2 0 l f 2 4 0 2 d s p c h i p . i n v i rt u e o f p o w e r f u l p r o c e s s i n g c a p a c i t y a n d p l e n t y p e r i p h e r a l s o f d s p , t h e s y s t e m a d o p t m o r e r e a s o n a b l e s o ft w a r e s t r u c t u r e i n s t e a d o f t h e f o r m e r c o m p l i c a t e d h a r d w a r e c i r c u i t , a n d g e t b e t t e r d e p e n d a b i l i t y . e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e m o t o r s t a r t f a s t a n d s t a b l e w i t h w i d e r a r e a o f s p e e d i n g . t h i s b l c d m c o n t r o l s y s t e m h a s t h e c h a r a c t e r i s t i c o f s i m p l e s t r u c t u r e , h i g h d e p e n d a b i l i t y , a n d c a n b e u s e d in m a n y f i e l d s . k e y w o r d s : s e n s o r l e s s b r u s h l e s s d c m o t o r p o s i t i o n d e t e c t i o n c l o s e d - l o o p c o n t r o l d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n g ( d s p ) s t a rt 西北工业大学硕土论文: 基于d s p 的无刷直流电机控制系统研究与设计 第一章 绪论 1i研究背景 一个多世纪以 来，电动机作为机电能量转换装置，一直在现代化的生产和生 活中起着十分重要的作用。无论是工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医 疗卫生、商务与办公设备，还是日常生活中的家用电器，都大量地使用着各种各 样的电机。 据资料统计， 现在有9 0 %以 上的动力源来自 于电动机，我国生产的电 能大约有6 0 % 用于电动机。电动机与人们的生活息息相关，密不可分。 电 动机主要分同步电 机、 异步电机和直流电动机三种类型， 其容量小至几瓦， 大到上万千瓦。 众所周知， 直流电动机具有运行效率高、 调速性能好等诸多优点， 但传统的直流电动机均采用电 刷，以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩 擦，由 此带来了噪声、火花、无线电 干扰以及寿命短等弱点，再加上制造成本高 及维修困难等缺点，大大限制了它的应用范围。为了克服机械换向带来的缺点， 以电子换向 取代机械换向的 无刷电机应运而生。 1 9 5 5 年美国d , h a r r i s o n 等人首次 申请了 用晶体管换向电 路代替机械电 刷的专利，标志着现代无刷电动机的诞生， 而电子换向的直流无刷电动机真正进入实用阶段， 是在1 9 7 8 年的m a c 经典直流无 刷电 动机及其驱动器的推出 之后。 二十多年以 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，直流无刷电动机 得到了长足的发展 1) 2 1 直流无刷电动机因其电枢绕组驱动电 流形状的不同而分为两种类型:一种是 方波永磁同步电动机， 其电 枢驱动电流为方波( 梯形波) ， 通常被称为无刷直流电 机 ( b ru s h le s s d c m o t o r 一b l d c m) ; 另 一 种 是正 弦 波永 磁同 步电 动 机， 其电 枢 驱 动电 流 为正 弦 波， 常 称为 无 刷同 步电 机 ( p e r m a n e n t m a g n e t s y n c h r o n o u s m o t o r -p m s m ) 3 1 。 与 和p m s m相比 ， b l d c m具有明 显的 优 越性， 反 馈 装置 更 简 单， 功率密度更高，输出转矩更大，控制结构更为简单，使电 机和逆变器各自 的潜力 得到充分的发挥。因此，无刷直流电 机的应用和研究受到了 广泛的重视，凭其技 术优势在许多场合取代了其它种类的电动机。 传统的永磁无刷直流电 机需要一个附加的位置传感器向 驱动电 路提供必要的 换向信号，它的存在给直流无刷电机的应用带来很多不便:首先，位置传感器会 增加电机的体积和成本; 其次， 连线众多的位置传感器会降低电 机运行的可靠性， 即便是现在应用最为广泛的霍尔传感器，也存在一定程度的磁不敏感区;再次， 在某些恶劣的工作环境中，如在密封的空调压缩机中，由于制冷剂的强腐蚀性， 西北工业大学硕土论文: 基于d s p 的无刷直流电机控制系统研究与设计 第一章 绪论 1i研究背景 一个多世纪以 来，电动机作为机电能量转换装置，一直在现代化的生产和生 活中起着十分重要的作用。无论是工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医 疗卫生、商务与办公设备，还是日常生活中的家用电器，都大量地使用着各种各 样的电机。 据资料统计， 现在有9 0 %以 上的动力源来自 于电动机，我国生产的电 能大约有6 0 % 用于电动机。电动机与人们的生活息息相关，密不可分。 电 动机主要分同步电 机、 异步电机和直流电动机三种类型， 其容量小至几瓦， 大到上万千瓦。 众所周知， 直流电动机具有运行效率高、 调速性能好等诸多优点， 但传统的直流电动机均采用电 刷，以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩 擦，由 此带来了噪声、火花、无线电 干扰以及寿命短等弱点，再加上制造成本高 及维修困难等缺点，大大限制了它的应用范围。为了克服机械换向带来的缺点， 以电子换向 取代机械换向的 无刷电机应运而生。 1 9 5 5 年美国d , h a r r i s o n 等人首次 申请了 用晶体管换向电 路代替机械电 刷的专利，标志着现代无刷电动机的诞生， 而电子换向的直流无刷电动机真正进入实用阶段， 是在1 9 7 8 年的m a c 经典直流无 刷电 动机及其驱动器的推出 之后。 二十多年以 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，直流无刷电动机 得到了长足的发展 1) 2 1 直流无刷电动机因其电枢绕组驱动电 流形状的不同而分为两种类型:一种是 方波永磁同步电动机， 其电 枢驱动电流为方波( 梯形波) ， 通常被称为无刷直流电 机 ( b ru s h le s s d c m o t o r 一b l d c m) ; 另 一 种 是正 弦 波永 磁同 步电 动 机， 其电 枢 驱 动电 流 为正 弦 波， 常 称为 无 刷同 步电 机 ( p e r m a n e n t m a g n e t s y n c h r o n o u s m o t o r -p m s m ) 3 1 。 与 和p m s m相比 ， b l d c m具有明 显的 优 越性， 反 馈 装置 更 简 单， 功率密度更高，输出转矩更大，控制结构更为简单，使电 机和逆变器各自 的潜力 得到充分的发挥。因此，无刷直流电 机的应用和研究受到了 广泛的重视，凭其技 术优势在许多场合取代了其它种类的电动机。 传统的永磁无刷直流电 机需要一个附加的位置传感器向 驱动电 路提供必要的 换向信号，它的存在给直流无刷电机的应用带来很多不便:首先，位置传感器会 增加电机的体积和成本; 其次， 连线众多的位置传感器会降低电 机运行的可靠性， 即便是现在应用最为广泛的霍尔传感器，也存在一定程度的磁不敏感区;再次， 在某些恶劣的工作环境中，如在密封的空调压缩机中，由于制冷剂的强腐蚀性， 第一章 绪论 常规的位置传感器根本就无法使用。此外，传感器的安装精度还会影响电机的运 行性能，增加生产的工艺难度4 ) 针对位置传感器所带来的种种不利影响，近一二十年来，永磁无刷直流电机 的无位置传感器控制一直是国内外较为热门的研究课题。无刷直流电 动机因其具 有节能、 低噪声、体积小和调速性能好等优点 特别适合于电冰箱、空调等家用 电器。 但无刷直流电 机的控制算法复杂、 监控软件编写 难及其硬件成本偏高等实 际问 题限制了其发展。为了 解决这一矛盾，近几年国外一些大公司纷纷推出比 m c u性能更加优越的d s p( 数字信号处理器)单片电机控制器，如a d i 公司的 a d m c 3 x x 系列， t i 公司的t ms 3 2 0 c 2 4 系列及m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 f 8 x x 系列。 它们都是将一个将 d s p内核配以电机控制所需的外围功能电路集成在单一芯片 内， 使设计的硬件成本大大降低且体积缩小、 使用便捷。 d s p 具有强大的运算能 力， 和普通的mc u相比， 运算及处理能力增强了1 0 -5 0 倍， 因此在其控制策略 中 可以使用先进的实时算法，如 k a lm a n滤波、自 适应控制、模糊控制和神经元 控制等， 从而可以 进一步提高系统的控制精度和实时性。 d s p 构成的运动控制系 统可满足各种场合的需求， 将是运动控制系统实现技术的发展方向。 特别在电冰 箱、 洗衣机、 空调等家用电器领域及工业变频控制领域， d s p 控制器以其结构紧 凑、使用便捷、可靠性高、 功能强和成本低等优势而被广泛使用。 我国在永磁无刷直流电机的无位置传感器控制方面的研究也十分活跃。近几 年来， 基于d s p 控制器的无位置传感器无刷直流电 机控制系统的 研究取得了 很多 成果，但是这方面的技术还不是很成熟 没有形成系列产品，主要采用国外成熟 的系统。 所以， 基于d s p 的无位置传感器无刷直流电机控制系统的研究具有很重 要的现实意义和应用前景。 本课题研究的控制系统以t i 公司的t ms 3 2 0 l f 2 4 0 2 a 为控制核心，实现了 对无位置传感器无刷直流电 机的驱动和精确调速，并将电 冰 箱专用压缩机作为控制对象进行了 试验， 证明了系统的可行性和有效性。 1 . 2研究内 容 本文主要研究无位置传感器无刷直流电机控制系统的设计及其实现。针对控 制系统设计中的 难点，对其中的几个关键技术 进行了 深入的研讨，主要包括以 下 儿个方面: 1 转子位1检测技术的研究 无刷直流电机的运行是通过驱动桥功率器件随转子的不同位置相应地改变触 发组合状态来实现的，因此准确检测转子的位置并根据转子位置准时切换功率器 件的 触发组 合状态是控制无刷直流电 机正常运行的必要条 件1 5 1 。 如 何克 服反电 动 第一章 绪论 常规的位置传感器根本就无法使用。此外，传感器的安装精度还会影响电机的运 行性能，增加生产的工艺难度4 ) 针对位置传感器所带来的种种不利影响，近一二十年来，永磁无刷直流电机 的无位置传感器控制一直是国内外较为热门的研究课题。无刷直流电 动机因其具 有节能、 低噪声、体积小和调速性能好等优点 特别适合于电冰箱、空调等家用 电器。 但无刷直流电 机的控制算法复杂、 监控软件编写 难及其硬件成本偏高等实 际问 题限制了其发展。为了 解决这一矛盾，近几年国外一些大公司纷纷推出比 m c u性能更加优越的d s p( 数字信号处理器)单片电机控制器，如a d i 公司的 a d m c 3 x x 系列， t i 公司的t ms 3 2 0 c 2 4 系列及m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 f 8 x x 系列。 它们都是将一个将 d s p内核配以电机控制所需的外围功能电路集成在单一芯片 内， 使设计的硬件成本大大降低且体积缩小、 使用便捷。 d s p 具有强大的运算能 力， 和普通的mc u相比， 运算及处理能力增强了1 0 -5 0 倍， 因此在其控制策略 中 可以使用先进的实时算法，如 k a lm a n滤波、自 适应控制、模糊控制和神经元 控制等， 从而可以 进一步提高系统的控制精度和实时性。 d s p 构成的运动控制系 统可满足各种场合的需求， 将是运动控制系统实现技术的发展方向。 特别在电冰 箱、 洗衣机、 空调等家用电器领域及工业变频控制领域， d s p 控制器以其结构紧 凑、使用便捷、可靠性高、 功能强和成本低等优势而被广泛使用。 我国在永磁无刷直流电机的无位置传感器控制方面的研究也十分活跃。近几 年来， 基于d s p 控制器的无位置传感器无刷直流电 机控制系统的 研究取得了 很多 成果，但是这方面的技术还不是很成熟 没有形成系列产品，主要采用国外成熟 的系统。 所以， 基于d s p 的无位置传感器无刷直流电机控制系统的研究具有很重 要的现实意义和应用前景。 本课题研究的控制系统以t i 公司的t ms 3 2 0 l f 2 4 0 2 a 为控制核心，实现了 对无位置传感器无刷直流电 机的驱动和精确调速，并将电 冰 箱专用压缩机作为控制对象进行了 试验， 证明了系统的可行性和有效性。 1 . 2研究内 容 本文主要研究无位置传感器无刷直流电机控制系统的设计及其实现。针对控 制系统设计中的 难点，对其中的几个关键技术 进行了 深入的研讨，主要包括以 下 儿个方面: 1 转子位1检测技术的研究 无刷直流电机的运行是通过驱动桥功率器件随转子的不同位置相应地改变触 发组合状态来实现的，因此准确检测转子的位置并根据转子位置准时切换功率器 件的 触发组 合状态是控制无刷直流电 机正常运行的必要条 件1 5 1 。 如 何克 服反电 动 西北工业大学硕士论文: 纂于d s p 的无刷直流电机控制系统研究与设计 势法中电机起动困难，如何实现对电机转速的精确控制以及扩大电 机调整范围都 是值得研究的问题，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机 控制中如何精确的检测到转子位置，因而研究转子位置检测技术是本文一个重要 的研究内容。 2 .起动方法的研究 对于有位置传感器的无刷直流电机来说，顺利起动是不存在什么问题的。但 对于利用反电势进行位置检测的无位置传感器无刷直流电机来说，由于静止及低 速运行时电机产生的反电动势很微弱，难以正确检测到，因此无位置传感器无刷 直流电机的顺利起动成了控制无位置传感器的无刷直流电机的重要问题。无位置 传感器的无刷直流电机的 起动必须解决两个问题:一是静止启动的问题;二是同 步切换的问题6 1 。因此， 寻找一种有效的 起动方法， 使电 机在静止状态下可以 平 稳起动，是我们要研究的一个问题。 3 .电 机控制方法的研究 在解决了转子位置检测和起动问题后，电机就可以顺利的运行，但这对于 - 个控制系统而言是远远不够的。控制精度、稳定性和抗干扰能力是衡量系统整体 性能高低的重要因素，而要使系统有较高的 控制精度和稳定性， 较强的抗干扰能 力， 采用合适的 控制方法至关 重要7 1 。 因 此， 在准确检测到转子位置 和顺利起动 的前提下，选择一种高效的控制方法是我们要研究的另一个问题。 1 . 3本人在课题中 承担的 工作 在 “ 基于d s p的无刷直流电机控制系统” 研制过程中，本人对无位置传感器 无刷直流电机的位置检测、起动和双闭环控制等关键技术进行了深入的讨论和研 究，并将其应用到所开发的控制系统中。本人主要参与该项目的方案论证、总体 设计协调、硬件设计及调试和控制软件的编写调试工作，负责完成无刷直流电机 控制系统的控制软件编写调试、部分硬件设计和系统软硬件的联调。 西北工业大学硕士论文: 纂于d s p 的无刷直流电机控制系统研究与设计 势法中电机起动困难，如何实现对电机转速的精确控制以及扩大电 机调整范围都 是值得研究的问题，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机 控制中如何精确的检测到转子位置，因而研究转子位置检测技术是本文一个重要 的研究内容。 2 .起动方法的研究 对于有位置传感器的无刷直流电机来说，顺利起动是不存在什么问题的。但 对于利用反电势进行位置检测的无位置传感器无刷直流电机来说，由于静止及低 速运行时电机产生的反电动势很微弱，难以正确检测到，因此无位置传感器无刷 直流电机的顺利起动成了控制无位置传感器的无刷直流电机的重要问题。无位置 传感器的无刷直流电机的 起动必须解决两个问题:一是静止启动的问题;二是同 步切换的问题6 1 。因此， 寻找一种有效的 起动方法， 使电 机在静止状态下可以 平 稳起动，是我们要研究的一个问题。 3 .电 机控制方法的研究 在解决了转子位置检测和起动问题后，电机就可以顺利的运行，但这对于 - 个控制系统而言是远远不够的。控制精度、稳定性和抗干扰能力是衡量系统整体 性能高低的重要因素，而要使系统有较高的 控制精度和稳定性， 较强的抗干扰能 力， 采用合适的 控制方法至关 重要7 1 。 因 此， 在准确检测到转子位置 和顺利起动 的前提下，选择一种高效的控制方法是我们要研究的另一个问题。 1 . 3本人在课题中 承担的 工作 在 “ 基于d s p的无刷直流电机控制系统” 研制过程中，本人对无位置传感器 无刷直流电机的位置检测、起动和双闭环控制等关键技术进行了深入的讨论和研 究，并将其应用到所开发的控制系统中。本人主要参与该项目的方案论证、总体 设计协调、硬件设计及调试和控制软件的编写调试工作，负责完成无刷直流电机 控制系统的控制软件编写调试、部分硬件设计和系统软硬件的联调。 西北工业大学顾于 论文;基于17 s p 的无刷直流电机控制系统潇 究与设计 第二章 系统总体方案设计 2 . 1系统总体构成 在系统总体方案设计中，根据功能将系统划分为滤波整流电路、变压电路、 驱动电路、驱动桥电路、d s p 主控电 路、面板控制电路、电流检测电路、转子位 置检测电路和无刷直流电机 ( b l d c m) 几个模块，如图2 . 1 所示。 图2 1系统总体框图 系统的核心是d s p主控电路模块，该模块主要负责产生电机驱动波形、与控 制面板通信、处理由电流检测电路和转子位置检测电路送来的反馈信号并控制电 机的运动状态。 系统前端的整流滤波电路主要是将交流电整流成直流电滤波后给驱动桥电路 供电: 变压电路是将交流电经过变压器变压， 整流滤波后为控制板内各芯片供电; 面板控制电路模块主要是通过控制面板与d s p 通信，起到控制电机起动、停止、 正反转的作用， 此外还可以 通过面板上的键盘设置一些控制参数、电机转速等并 显示一 些d s p 送来的信息; d s p 送出的驱动信号则是通过驱动电路输入到驱动 桥电 路，以达到驱动电机的目的;转子位置检测电路模块是电机三相反电 动势检 测电路， 其产生的信号送入d s p 来确定电机转子位置， 从而决定电机下一时刻的 驱动方式;电 流检测电 路是对电 流进行采样，为电 流环的控制提供当前时刻的电 流值，从而实现双闭环控制。 2 . 2无刷直流电机数学模型 b l d c m 的特征是反电动势为梯形波，这意味着定子和转子间的互感为非正 西北工业大学顾于 论文;基于17 s p 的无刷直流电机控制系统潇 究与设计 第二章 系统总体方案设计 2 . 1系统总体构成 在系统总体方案设计中，根据功能将系统划分为滤波整流电路、变压电路、 驱动电路、驱动桥电路、d s p 主控电 路、面板控制电路、电流检测电路、转子位 置检测电路和无刷直流电机 ( b l d c m) 几个模块，如图2 . 1 所示。 图2 1系统总体框图 系统的核心是d s p主控电路模块，该模块主要负责产生电机驱动波形、与控 制面板通信、处理由电流检测电路和转子位置检测电路送来的反馈信号并控制电 机的运动状态。 系统前端的整流滤波电路主要是将交流电整流成直流电滤波后给驱动桥电路 供电: 变压电路是将交流电经过变压器变压， 整流滤波后为控制板内各芯片供电; 面板控制电路模块主要是通过控制面板与d s p 通信，起到控制电机起动、停止、 正反转的作用， 此外还可以 通过面板上的键盘设置一些控制参数、电机转速等并 显示一 些d s p 送来的信息; d s p 送出的驱动信号则是通过驱动电路输入到驱动 桥电 路，以达到驱动电机的目的;转子位置检测电路模块是电机三相反电 动势检 测电路， 其产生的信号送入d s p 来确定电机转子位置， 从而决定电机下一时刻的 驱动方式;电 流检测电 路是对电 流进行采样，为电 流环的控制提供当前时刻的电 流值，从而实现双闭环控制。 2 . 2无刷直流电机数学模型 b l d c m 的特征是反电动势为梯形波，这意味着定子和转子间的互感为非正 第乙t 系统总体方案设计 弦的， 由 于匆方程适用于 气隙磁场为正 弦分布的电 动机， 因此将b l d c m三相方 程变换为d q 方程是比 较困 难的。而直接利用电 动机原有的相变量 ( 即a - b - c 坐标 系)来建立数字模型却比 较方便$ 7 。以二相导通星形三相六状态为例，分析无刷 直流电机的数学模型及电磁转矩等特性。为简化分析，假设: ( 1 ) 相绕组完全对称，气隙磁场为方波，定子电 流、 转子磁场分布皆 对称; ( 2 )忽略齿槽、换相过程和电 枢反应等的影响; ( 3 )电 枢绕组在定子内 表面 均匀连续分布; ( 4 )磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗。 三相绕组的电压平衡方程可表示为: (2l) 门.lee|ieswelesj ea气ec reslwe.eses月.书l 十 门|11|wejj la气几 厂.1.1，1.lesesl l m m m i p lm mm 几几礼 叮叫吐 n列rcu r八曰0 尸lwe，welesesweil 一一 飞万.leeeslwelj 口b亡 uu“ 厂les.weleeseesesl 式中 ， u , , u b . u 。 为 定 子 相 绕 组电 压， v ; 、i b 、 i 。 为定子绕组电 流， a ; e , , e 8 e , 为 定 子相 绕组 电 动 势， v ; l为 每 相绕 组的自 感， h ; m为 每 两 相绕 组间的互感，h ; p为微分算子，p= d l d t o a相方波电流和梯形波反电动势如 图2 . 2 所示。 r a t / ( 0 ) 创的 (2(2 图2 . 2 a相方波电 流和梯形波反电 动势波形 三相绕组为星形连接，且没有中线，则有: z a 十 l b + i c 二 0 且 m i e 十 m i , = - m i a 将式( 2 .2 ) 和式( 2 . 3 ) 代入式( 2 . 1 ) ， 到电压方程为: 气几气 尸lwelleses月lesl 十 飞|、1|ij 勺气礼 厂ipj|l 门.，tleelweij l一m 0 0 0 l一人 了 0 0 0 l一m ( 2 . 4 ) rwees毛.eses.ilesl 十 气|.1，1|wejlj 取小啦 llleelesweesj 口八右 uu“ rl门ee.les月lesl 两北工业大学硕士沦文摧于日 s i, 的无制直浪 .a 机控制系统j济 究与 设计 定子绕组产生的电磁转矩万程为 洲洲肠 : 一 去 (e ! + eele + e 心 ， 压动方程为 : 一 : 一 b co 一 j 穿 一 j p a) 式中 ， t 为 电 磁 转矩， t i 为 负 载转 矩， b 为阻 系 数， ( j 为电 机 机 械转 速 电机的转动惯量 2 . 3转子位置检测方法的选择 所谓的无位置 传感器控制，即无机械的位置传感器控制。在电 机运转的过程 中， 作为逆变桥功率器件换向导通时序的转子位置信号仍然是需要的，只不过这 种信号不再由位置传感器来提供，而应该由新的位置信号检测措施来代替，9 19 以 提高电路和控制的复杂性来降低电机的复杂哇。所以。目 前永磁无刷直流电机无 位置传感器控制研究的核心和关键就是架构一个转子 位置信号检u 9 线路， 从软硬 件两个方面来间接获得可靠的转子位置信号，借以 触发导通相应的功率器件，驱 动电 机运转 无刷直流电 机无位置传感器的位置估计方法大体上可以分为以下五种:反电 势法、电流法、磁链估计法、状态观测器法和人工智能方法.前四种方法的研究 相对比较成熟， 且已 得到一定范围的应用。而采用人工智能方法估计转子位置的 研究则刚刚处于起步阶段。下面将分别对其进行介绍。 2 . 3 . 1 反电 势法 反电势法是目 前最常用的 一 种检测转子位置信号的方法，它利用电机旋转时 各 相绕组内 反电 势( e m f ) 信号 控制 换向 反电 势 检 测主 要有三 种方法: 过零点法、 积分 法 和锁 相 环法 (9 1 .过零点法 反电动势过零点检侧法是目前技术最成熟，实现最简单，应用最广泛的转子 位置检测方法， 尤其是在家电领域 这种方法的基本y qi 理是:在无刷ft 流电 机稳 态运行时， 忽略电机电枢反应影响的前提 f i 通过检测“ 关断相” ( 逆变桥上卜 功 率器件皆 处于关断的那一相)的反电势过零点，依次获得转子的六个关键位置信 号，并以此作为参考依据，轮流触发导通六个功率管. 驱动电 机运转。这种方法 用低通滤波器和电 压比 较器所组成的电子电 路取代了 传统的机械位置传感器，获 两北工业 大学硕士沦 文摧于日 s i, 的 无制直 浪 .a 机控 制系统j济 究 与 设计 定子绕组产生的电磁转矩万程为 : 一 去 (e ! + ee le + e 心 压动方程为 : 一 : 一 b co 一 j 穿 一 j p a) ( 2 _ 6 ) 式 中， 兀为 电 磁 转矩 ， 人 为负 载 转 矩， b 为阻 系 数， ( j 为电 机 机 械转 速. j 为 电机的转动惯量 2 . 3转子位置检测方法的选择 所谓的无位置传感器控制，即无机械的位置传感器控制。在电 机运转的过程 中，作为逆变桥功率器件换向导通时序的转子位置信号仍然是需要的，只不过这 种信号不再由位置传感器来提供，而 应该由新的位置信号检测措施来代替，9 19 以 提高电路和控制的复杂性来降 低电机的复杂哇。所以。目 前永磁无刷直流电 机无 位置传感器控制研究的核心和关键就是架构一个转子位置信号检u 9 线路，从软硬 件两个方面来间接获得可靠的转子位置信号，借以触发导通相应的功率器件， 驱 动电机运转 无刷直流电 机无位置传感器的位置估计方法大体上可以分为以下五种:反电 势法、电流法、 磁链估计法、状态观测器法和人工智能方法. 前四种方法的研究 相对比较成熟， 且已得到一定范围的应用。而采用人工智能方法估计转子位置的 研究则刚刚处于起步阶段。下面将分别对其进行介绍。 2 . 3 . 1 反电势法 反电 势法是目 前最常用的 一 种检测转子位置信号的方法，它利用电 机旋转时 各相绕组内反电势( e mf ) 信号控制换向 反电势检测主要有三种方法: 过零点法、 积分 法 和锁 相 环法 (9 1 .过零点法 反电动势过零点检侧法是目 前技术最成熟，实现最简单，应用最广泛的转子 位置检测方法， 尤其是在家电领域这种方法的基本y qi 理是:在无刷ft 流电机稳 态运行时， 忽略电 机电枢反应影响的前提 f , 通过检测“ 关断相” ( 逆变桥上卜 功 率器件皆 处于关断的那一相)的反电势过零点，依次获得转子的六个关键位置信 号，并以此作为参考依据，轮流触发导通六个功率管. 驱动电 机运转。 这种方法 用低通滤波器和电压比 较器所组成的电子电 路取代了 传统的机械位置传感器，获 两北工业 大学硕士沦 文摧于日 s i, 的 无制直 浪 .a 机控 制系统j济 究 与 设计 定子绕组产生的电磁转矩万程为 : 一 去 (e ! + ee le + e 心 压动方程为 : 一 : 一 b co 一 j 穿 一 j p a) ( 2 _ 6 ) 式 中， 兀为 电 磁 转矩 ， 人 为负 载 转 矩， b 为阻 系 数， ( j 为电 机 机 械转 速. j 为 电机的转动惯量 2 . 3转子位置检测方法的选择 所谓的无位置传感器控制，即无机械的位置传感器控制。在电 机运转的过程 中，作为逆变桥功率器件换向导通时序的转子位置信号仍然是需要的，只不过这 种信号不再由位置传感器来提供，而 应该由新的位置信号检测措施来代替，9 19 以 提高电路和控制的复杂性来降 低电机的复杂哇。所以。目 前永磁无刷直流电 机无 位置传感器控制研究的核心和关键就是架构一个转子位置信号检u 9 线路，从软硬 件两个方面来间接获得可靠的转子位置信号，借以触发导通相应的功率器件， 驱 动电机运转 无刷直流电 机无位置传感器的位置估计方法大体上可以分为以下五种:反电 势法、电流法、 磁链估计法、状态观测器法和人工智能方法. 前四种方法的研究 相对比较成熟， 且已得到一定范围的应用。而采用人工智能方法估计转子位置的 研究则刚刚处于起步阶段。下面将分别对其进行介绍。 2 . 3 . 1 反电势法 反电 势法是目 前最常用的 一 种检测转子位置信号的方法，它利用电 机旋转时 各相绕组内反电势( e mf ) 信号控制换向 反电势检测主要有三种方法: 过零点法、 积分 法 和锁 相 环法 (9 1 .过零点法 反电动势过零点检侧法是目 前技术最成熟，实现最简单，应用最广泛的转子 位置检测方法， 尤其是在家电领域这种方法的基本y qi 理是:在无刷ft 流电机稳 态运行时， 忽略电 机电枢反应影响的前提 f , 通过检测“ 关断相” ( 逆变桥上卜 功 率器件皆 处于关断的那一相)的反电势过零点，依次获得转子的六个关键位置信 号，并以此作为参考依据，轮流触发导通六个功率管. 驱动电 机运转。 这种方法 用低通滤波器和电压比 较器所组成的电子电 路取代了 传统的机械位置传感器，获 第_章 系统总体方案设计 得转子位置信号。 这种方法也有它自身的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， 故这种方法使得电 机起动困难，此外， 因为反电 势过零检测法忽略了电 枢反应对 气隙合成磁场的影响，所以在原理_l 就存在一定的误差。显然，当反电势过零点 和气隙合成磁场( 转子励磁磁场和定子电枢反应磁场的合成) 匝链电枢绕组所产生 的总感生电势过零点不重合时，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 在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。 2 .反电势积分法 反电势积分法是通过 对电机不导通相绕组反电动势的积分信号获得转子位置 信息 1 0 1 。 当关断相的反电 动势过零点时开始对其绝对值进行积分， 当积分值达到 一个设定的闭值时停止积分，此时获得转子位置，对应于定子绕组的换流时刻， 高速时为提高电机转矩，改变a值可以实现换流角超前控制。因为低速时反电动 势信号很弱， 这种方 法也需要采用开环起动方式。 逆变桥中功 率器 件的开关噪声 影 响 这 种 方 法的 低速 特性 fil l 3 .锁相环法 锁相环法是通过每隔一个磁状态，锁定未导通相绕组的反电 势波形，以 决定 逆变器下一个开关的准确导通时刻。 数字锁相环 ( d p l l ) 技术包含有反电动势检 测、 环路滤波、 可控电压振荡器和分频器， 经过数字锁相环的端电压信号降低或消 除了各 种噪声， 可以 得到较为 理想的反电动 势信号h 2 1 2 . 3 . 2 电流法 针对反电势检测带来的问题，如速度变化、电机换向、低通滤波以及定子电 阻电 感的 存在使得依 赖端电 压的测量估算转子位置信号的准 确性和精确性都受到 不同程度的影响。而这些因素对电流的影响相对较小，且相电流和霍耳信号理想 情况下是同 相位的， 与之对 应出 现了根据电机相电 流信号来估计转子位置信息， 进而控制无刷直流电 机的换向方法，如直接电 流检测法和续流二级管法等。 t ，直接相电 流检测 为获得接近精确的转子位置信号， 受相电流信号和霍耳元件信号同 相位的 启 发，文献 1 3 1 从电流的角度出 发， 通过相电 流的检测电路来获取转子位置信号口 下面对直接相电流检测估计转子位置的方法作简要的说明。 第_章 系统总体方案设计 得转子位置信号。 这种方法也有它自身的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， 故这种方法使得电 机起动困难， 此外，因为反电势过零检测法忽略了电 枢反应对 气隙合成磁场的影响，所以在原理_l 就存在一定的误差。显然，当反电势过零点 和气隙合成磁场( 转子励磁磁场和定子电枢反应磁场的合成) 匝链电枢绕组所产生 的总感生电势过零点不重合时，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， 所以在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。 2 .反电势积分法 反电势积分法是通过对电机不导通相绕组反电动势的积分信号获得转子位置 信息 1 0 1 。 当关断相的反电 动势过零点时开始对其绝对值进行积分， 当积分值达到 一个设定的闭值时停止积分，此时获得转子位置，对应于定子绕组的换流时刻， 高速时为提高电机转矩，改变a值可以实现换流角超前控制。因为低速时反电动 势信号很弱，这种方法也需要采用开环起动方式。 逆变桥中功率器件的开关噪声 影响 这 种方 法的 低速 特性 f i l l 3 .锁相环法 锁相环法是通过每隔一个磁状态，锁定未导通相绕组的反电势波形，以决定 逆变器下一个开关的准确导通时刻。 数字锁相环 ( d p l l ) 技术包含有反电动势检 测、 环路滤波、 可控电压振荡器和分频器， 经过数字锁相环的端电压信号降低或消 除了 各种噪声， 可以 得到较为理想的反电动势信号h 2 1 2 . 3 . 2电流法 针对反电势检测带来的问题，如速度变化、电机换向、低通滤波以及定子电 阻电感的存在使得依赖端电 压的测量估算转子位置信号的准确性和精确性都受到 不同程度的影响。而这些因素对电流的影响相对较小，且相电流和霍耳信号理想 情况下是同 相位的，与之对应出现了根据电机相电流信号来估计转子位置信息， 进而控制无刷直流电 机的换向 方法， 如直接电 流检测法和续流二级管法等。 t ，直接相电 流检测 为获得接近精确的转子位置信号，受相电流信号和霍耳元件信号同 相位的启 发，文献 1 3 1 从电 流的角度出发， 通过相电 流的检测电路来获取转子位置信号口 下面对直接相电流检测估计转子位置的方法作简要的说明。 西北1业大学硕_ t 论文:基于u s p 的尤刷直流电机控制系统研究与设计 由 无刷直流电机的数学模型电压方程( 2 .4 ) ( 见2 2节) 可知， 电 机换向的角度 可表示为:外= a t c t a n co l r 。 速度的变化直接影响电 机相电 压，电 机反电 动势和 转子磁通的关系可用式子。 =- n d (p _ d t - j n co o表示， n为定子绕组绕线匝数;该 式说明了转子磁链必和电机反电动势是不同相位。 间的关系可用式e 积分可以得到n o - l 竺表 示 ， 则得n竺 兰 d t d必_ d i j- d t 而定子自 感、反电动势和电流 ;再通过一个采样周期的有限 = l i ,由此可以看出转子磁链必和电流i 是同相位的。因此， 可以通过检测电流信号获得转子位置信息。这种位置估计方法依赖于电流检测的 精度，运行范围较小，可保证电机在6 4 6 -3 1 7 4 r / m i n 范围内有效运行。 2 .续流二级管法 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开关管_l 续流二极管导通与关断状态的 检测来确定转子位置的。 这种方法适用于 1 2 0 。导 通、三相六拍方波驱动的永磁无刷直流电 机1 4 1 续流二级管法其本质还是反电 势法，只是在“ 断开相” 反电 势过零点检测上 有了一定的改变。这种改变在一定程度上能够拓宽电机的调速范围，尤其是能拓 宽 电 机 调 速 的 下 限 ， 因 为 续 流 二 级 管 的 导 通 压 降 很 小 ， 只 要 e e l 1 ( v c e + v f ) / 2 即 可，而 v c e和 v f通常都很小。在有些应用场合，电机的最低转速甚至能小于 1 0 0 r / m i n 。但这种方法也有较大的不足: ( 1 ) 它要求逆变器必须工作在上下功率器 件轮流处于p wm斩波方式， 控制的 难度较大; ( 2 ) 它必须从软、 硬件两个方面去 除二极管续流导通的无效信号和因毛刺干扰而产生的 误导通信号; ( 3 ) 这种方法也 存在着较大的误差，当转速较低时，v c e , v f和反电势相比就不可忽略，因忽 略而造成的误差应有一定的相位补偿措施。正因为以上的缺点和不足，这种方法 现在国内应用并不是很广泛。 2 甲 3 . 3磁链估计法 电机磁链信号和转子位置直接相关，因此可以通过转子磁链的值 来确定其位 置信号。但电 机转子磁链不能直接检测得到，为了获得电机转子磁链值，必须先 测量电 机的相电压和电流，再结合电阻值，计算磁链值。磁链估计法是利用测量 定子电压和电流而估算出磁链， 再根据磁链与转子位置的关系估计出转子的位置。 e r t u g r u l 等 人所介绍的 算法包 含有两 个电 流环结构， 内 环 娇正磁链的 估计 值， 外环调整位置估计值，这种方法有较高的准确度，受测量误差和电机参数变换的 影响也很少，对包括从静t r_ 起动在内的宽调速范围内，这种方法都可以 准确的检 西北1业大学硕_ t 论文:基于u s p 的尤刷直流电机控制系统研究与设计 由 无刷直流电机的数学模型电压方程( 2 .4 ) ( 见2 2节) 可知， 电 机换向的角度 可表示为:外= a t c t a n co l r 。 速度的变化直接影响电 机相电 压，电 机反电 动势和 转子磁通的关系可用式子。 =- n d (p _ d t - j n co o表示， n为定子绕组绕线匝数;该 式说明了转子磁链必和电机反电动势是不同相位。 间的关系可用式e 积分可以得到n o - l 竺表 示 ， 则得n竺 兰 d t d必_ d i j- d t 而定子自 感、反电动势和电流 ;再通过一个采样周期的有限 = l i ,由此可以看出转子磁链必和电流i 是同相位的。因此， 可以通过检测电流信号获得转子位置信息。这种位置估计方法依赖于电流检测的 精度，运行范围较小，可保证电机在6