（电力电子与电力传动专业论文）无刷直流电动机驱动控制系统的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t b r u s h l e s sd em o t o r ( b l d c m ) ，w h i c hi sc o m b i n a t i o n so f p e r m a n e n t m a g n e ta cm o t o r s a n di n v e r t e r s ，h a st h ev i r t u e so f n o to n l yt h es i m p l i c i t yi nt h e i rc o n t r o lo f d cm o t o r ，b u ta l s o t h eh i g he f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yo fa cm o t o r r e c e n t l yb l d c ma r ei n c r e a s i n g l yb e i n g u s e di nt h ei n d u s t r ya r e aw i d e l y ，e s p e c i a l l yi nh i g h - p e r f o r m a n c ea p p l i c a t i o n s n i sp a p e rd e d u c e st h em a t h e m a t i cm o d e lo fb l d c m b a s e dt h i sm o d e l ，t h es p e c i a l s i m u l a t i o nm o d e li ss e tu pw i t hm a t l a b s i m u l i n k a d d i t i o n a l l y v a r i e t i e so fd i g i t a lp i r e g u l a t o r sa r ed i s c u s s e d ，a n dm a n y b r a k em e t h o d sa r ec o n c e r n e d t o r q u e r i p p l ec o n t r o lo f t h eb l d c mh a sb e e nt h em a i ni s s u eo ft h es e r v os y s t e mi n w h i c ht h es p e e df l u c t u a t i o n ，v i b r a t i o ns h o u l db em i n i m i z e d i nt h i sp a p e r ，t h er e a s o n st h a t g i v er i s et ot o r q u ep u l s a t i o no nb l d c m a r ed e s c r i b e d a “s h i f tp h a s e m e t h o di sp r o p o s e d t oa c h i e v et i p p l e - f r e et o r q u ec o n t r o la tl o ws p e e d - 竹j 甜sm o r e t h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fd r i v e - c o n t r o ls y s t e mf o rb l d c m b a s e do n8 0 c 1 9 6 k ci si n t r o d u c e d n l er e s u l t so f t h ee x p e r i m e n ts h o wt h ep r o p o s e dc o n t r o l s o l u t i o ni sf e a s i b l e w h i c hp r o v i d e st h eb a s i sa n du s e f u lr e f e r e n c ef o rl a t e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：b r u s h l e s sd c m o t o r ，t o r q u e t i p p l e ，s u p p r e s s ，b r a k e ，s i m u l a t i o n ，8 0 c 1 9 6 k c i i 华中科技大学硕士学位论文 一：= = = = = ；= = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = ； 1绪论 【概要】本章主要介绍了无刷直流电动机的特点，并结合当今电力电予技术、微处理 技术和现代控制理论技术的发展，对未来无刷直流电动机的发展趋势作出了合理地预 测，在全面了解当前无刷直流电动机发展过程中所遇到的问题的基础上，对本文所要 研究的内容作了说明。 1 1 无刷宣流电动机的特点 无刷直流电动机是近年来随着电力电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型直 流电动机。在1 9 1 7 年，b o l i g e r 提出了应用整流管换向线路代替有刷直流电机的机械 电刷，从而诞生了无刷直流电机( b r u s h _ l e s sd cm o t o r - b l d c m ) 的基本思想。但当 时受到大功率器件的限制，无法推广使用，仅停留在试验研究阶段。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相电路代替有刷直流电机的机械换向器换相的 专利，标志着现代无刷直流电机的诞生。 无刷直流电动机保持着有刷直流电机的优良机械及控制特性，在电磁结构上和有 刷直流电机一样，但它的电枢绕组放在定子上，转予上放置永久磁钢。无刷直流电动 机的电枢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， 定予采用位置传感器实现电子换相代替有刷直流电机的电刷和换向器，各相逐次通电 产生电流，和转子磁极主磁场相互作用，产生转矩。 和有刷直流电机相比，无刷直流电机由于革除了电的滑动接触机构，因而消除了 故障的主要根源。转子上没有绕组，也就没有了电的损耗。又由于主磁场是恒定的， 因此铁损也是极小的。总的说来，除了轴承旋转产生磨损外，转子的损耗很小，因而 进一步增加了工作的可靠性【1 】【2 】。 在一般的工业驱动应用领域，不论电机设计还是系统设计，提高效率节约能量都 应该被放在重要的位置。据报道，美国5 5 以上的电力是消耗在电动机运行上l l 】，因 此提高电动机的效率，很有意义。从上面的分析中可以看到，无刷直流电机的损耗很 小。有资料做过对比分析，对于7 5 k w 的异步电动机效率可达8 6 4 ，但是同样容量 华中科技大学硕士学位论文 的无刷直流电机效率可达9 2 4 。表1 1 列出- j i 业上常用的几种驱动电机。 表1 - 1 工业常用电机性能对比【3 h 5 】 机械过载可控平稳噪电磁维修寿体效成 特性能力性性 亩 干扰性命积 室本 交流 异步软小难较差 较 小易长大低低 电机 大 有刷 直流硬大易较好大严重难短 较较较 电机 小高高 无刷 直流硬大易好小小易长小高 较 高 电机 从表1 1 中可以看出，考虑到综合指标( 系统性能、重量、能量消耗等) ，无刷 直流电机在快速性、可控性、可靠性、体积、重量、效率以及耐受环境性方面，具有 明显的优势，随着稀土永磁材料和功率半导体器件性能价格比的不断提高，无刷直流 电机作为中小功率高性能调速电机和伺服电机在工业上的应用将越来越广泛。 1 2 无刷直流电动机技术发展概况和应用前景 1 2 1 无刷直流电动机的发展概况 无刷直流电动机是一种机电一体化产品，除了传统的电机本体外，还必须带有传 感器和驱动控制电路。无刷直流电动机的发展与电机的制造工艺、电力电子技术以及 控制理论技术的发展密切相关。 i 2 1 i 电机制造工艺发展概况 无刷直流电动机性能的改进离不开高性能磁性材料的应用。发展最早的磁性材料 是铝镍钻，这种材料磁能积低，合金中含钻，价格高，但温度特性好，所以至今某些 场合还用到它。后来开发出铁氧体，它磁能积并不高，但价格低，因此在一段时间内 占了主导地位。再后来是钐钻合金，这种磁性材料很快将传统磁能积数值提高数倍， 但台金元素钐价格昂贵，而且是战略控制物资，比黄金贵好几倍，大大限制了它的推 广应用。1 9 8 3 年，钕铁硼( n d f e b ) 的出现引起了磁性材料的一场革命，它磁能积 2 华中科技大学硕士学位论文 高，而且不含价格昂贵的合金元素，钕和钐同为稀土元素，但钕价格便宜得多，因此 这种新材料得到了广泛的应用。由于有了高磁能积的钕铁硼，从而不需要体积硕大的 软磁和激磁绕线包，电机的体积重量因此可以大大减小。 用于视听设备、电影机械、计算机中的无刷直流电机，更要求运行平稳、没有噪 声，应该进一步改进的问题中首先是转矩脉动，通过采用计算机辅助设计，进行模 拟、分析、计算、比较，研究气隙磁场形状和磁极结构，选择合适的极对数、槽数以 及槽口尺寸，改进其性能。 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。为了满足各种 不同需要，也应该开发各种类型的无刷直流电动机。如无槽电机，定子铁心无齿槽只 有磁轭，定子绕组直接放在定子铁心轭上：盘式电机，具有两个轴向的气隙，在小容 量的情况下，这种电机容易做到低噪声、低振动、低转矩脉动、商效率、高功率密 度；和有刷直流电动机相对应，新品种还包括：无刷直流力矩电动机、无刷直线电动 机、无刷直流有限转角电动机、低惯量无刷直流电动机等【6 j 。 1 2 1 ，2 电力电子技术的发展 无刷直流电机本身就是一个逆变桥供电的永磁同步电机，电力电子装置在其中扮 演着极其关键的角色，是进行能量转换的核心。以开关方式运行的功率半导体器件决 定了电力电子技术的水平，也是电力电子技术的核心。 第一代功率半导体器件是晶闸管( s c r ) ，由于它是一种半控型器件，必须配以 辅助换流措施才能实现可靠的换流，所以控制线路复杂，效率低，可靠性差。同时 s c r 的开关频率低，使得变频电流含有大量的谐波成分，转矩脉动大，噪声及发热严 重“【0 8 】。 第二代功率半导体器件是全控型器件，包括门级可关断晶闸管( g 1 d ) 、大功率 晶体管( g t r ) 、功率场效应晶体管( m o s f e t ) 、静电感应晶体管( s i t ) 、静电 感应晶闸管( s i t h ) 等1 0 7 】一l o s 。但这些器件本身也存在各自的缺点：g t o 具有能承受 高电压、大电流的特点，适用于大容量逆变器，但由于电流增益太低，所需驱动功率 也较大，驱动系统复杂，应用受到了一定的限制；g t r 已经模块化，在中小容量装置 中得到推广应用，但其功率容量较小，开关速度慢，影响了逆变器的工作频率和输出 3 华中科技大学硕士学位论文 = 一= = = = = = = = = = 。= ；= = ；= = # = = = = = ；= = ；= = ；= 波形；m o s f e t 开关速度快，驱动功率小，但器件功率等级低，导通压降大，限制了 逆变器的容量。 二十世纪八十年代中期发展起来的一种新型复合器件绝缘栅双极晶体管阁 ( i g b t ) ，可称是电力电子器件的一次变革，i g b t 集m o s f e t 和g t r 的优点子一 身，具有电压性控制、响应速度快、输入阻抗高、驱动功率小、开关损耗小、工作频 率高、器件容量大的特点，i g b t 具有m o s f e t 的输入特性和g t r 的输出特性，其 安全工作区宽，具有较高的耐短路电流能力，是一种理想的新型功率半导体器件。目 前i g b t 模块的生产水平已达3 5 0 0 v 2 4 0 0 a ( e u p e c 公司) 、3 3 0 0 v 2 5 0 0 a ( - - - 菱公司) ， 它的出现正将调速系统的性能提高到一个新的水平。 九十年代后期出现的另一种新型功率半导体器件一一集成门极换向晶闸管m ” ( i g c t ) 是在g t o 的基础上发展起来的，它将i g b t 与g t o 的优点结合起来，其容 量与g t o 相当，但开关速度比g t o 快1 0 倍以上，而且省去了g t o 应用时庞大而复 杂的缓冲电路。i g c t 的商品化水平是4 0 0 0 a 4 5 0 0 v 和1 8 0 0 a j 5 5 0 0 v ，工作频率可达 几千赫兹。 m o s 门极控制晶闸管0 7 1 ( m c t ) 充分地利用晶闸管良好的通态特性、优良的开 通和关断特性，可望具有优良的自关断动态特性、非常低的通态电压降和耐高压，成 为将来在电力装置和电力系统中很有发展前途的高压大功率器件。目前世界上有十几 家公司在积极开展对m c t 的研究。m o s 门控晶闸管主要有三种结构：m o s 场控晶 闸管( m c t ) 、基极电阻控制晶闸管o b r t ) 及射极开关晶闸管( e s t ) 。其中e s t 可能 是m o s 门控晶闸管中最有希望的一种结构。但是，这种器件要真正成为商业化的实 用器件，达到取代g t o 的水平，还需要相当长的一段时间。 第三代功率半导体器件是功率集成电路( p i c ) 。在这种p i c 单片上有一组功率 器件和一套独立功能电路。它将能承受高电压、大电流的功率器件与起控制作用的逻 辑电路、模拟电路、保护电路和传感检测电路集成到一起，使单片器件不仅具有功率 开关的作用，而且具有电路驱动，过热、过压、过流保护，电流检测等作用。例如由 横向高压器件与逻辑或模拟控制电路组成的高压集成电路( h v i c ) 、由纵向功率器 件与逻辑或模拟控制电路组成的智能功率集成电路( s p i c ) 、由i g b t 及其辅助器件 4 华中科技大学硕士学位论文 与其驱动保护电路组成的智能功率模块( i p m ) 。功率集成电路实现了电能和信息的 集成，成为机电一体化的理想接口，具有广阔的应用前景。 现在先进的国家正在向第四代功率半导体器件即电力电子系统的积木式集成化方 向进军，它将集中电力电子学、计算机、控制、传感、通信和电磁兼容等领域最新而 又成熟的技术于一套电力电子系统。系统中所需的各种功能部件，例如功率电路、滤 波器、驱动、保护、功率平衡、传感、监控显示、通信、诊断和控制电源等，都将以 模块的形式出现，作为积木块使用。由中央控制模块( 由c p u 、d s p 、p l a 、a d 、 d a 、专用控制芯片等核心部件构成) 负责监视、指挥和控制各功能模块协调地工 作，以期达到最佳的工作性能。对于不同用途、不同目的和不同要求的电能变换装置 或系统，只需要通过中央控制模块，修改软件，改变控制规律和控制策略，就可以达 到预期的控制目标。相比传统的方案，它将极大地提高系统的密集度，降低设计的费 用，缩短产品的开发周期，同时它还将在提高整个系统的可靠性方面上一个大的台 阶。这项技术若能研究成功，必将给未来的无刷直流电动机的控制领域带来一场深刻 的变革。 1 2 1 3 控制技术发展概况 微处理器的发展推动了控制技术的发展，使得现代控制理论中的一些先进的控制 策略应用到电机控制中成为可能。 在微处理器出现之前，驱动控制系统只能由模拟系统构成。由模拟器件构成的系 统只能实现简单的控制，功能单一，升级换代困难，而且由分立器件构成的系统控制 精度不高，温度漂移，器件老化严重，使得维护成本增高，限制了它的发展和应用。 随着微处理器的应用，使得控制系统由模拟式进入数模混合式，进一步发展到全 数字式，微处理器强大的数值运算功能使得许多用模拟器件难以实现的功能都可以方 便地用软件实现，大大提高了系统的可靠性和智能化水平。全数字系统一方面简化了 系统的硬件结构，缩小了装置体积，提高了系统的抗干扰能力，另一方面系统升级换 代容易、控制精度提高、重复性好、可移植性好。 中低档调速控制系统中较多使用1 6 位微处理器，例如i n t e l 公司的m c s 9 6 系列单 片机a 在高速、高精度调速系统中，这种单片机已经不能满足要求。许多控制算法包 5 华中科技大学硕士学位论文 括自适应、多变量寻优、自学习、自校正，神经网络、模糊控制的实现，都必须以微 处理器的高速度和高性能作为前提。一种新型的微处理器一一数字信号处理器 ( d s p ) ，由于具有高速的数字处理能力，能实时实现一些复杂的控制算法，被认为 是理想的控制处理器f 删【1 2 1 。目前，具有代表性的是美国n 公司的t m s 3 2 0 系列以及 a d i 公司的a d s p 2 1 0 0 系列。 微处理器的发展使得现代控制理论及智能控制理论在驱动控制系统中得到了广泛 的应用。如模型参考自适应控制( m r a c ) ，可以使受控对象渐近跟踪参考模型的输 出，从而获得理想的控制性能【l3 】；具有状态估计功能的卡尔曼滤波器( k a l m a n f i l t e r ) 可以获得系统无法实测的状态信息，滤除模型及测量的随机噪声干扰，获得以 最小方差为指标的最优状态估计【1 4 1 ；自校正的自适应控制( s t c ) 能够自动地辨识系 统的参数( 如定子电阻、转子时间常数、转动惯量等) ，并根据其变化自行地调整控 制器，以适应系统的变化，增强系统的鲁棒性【1 5 】【1 6 】【1 7 】：具有二次型性能指标的最优 控制，可以用来设计最优调节器和最优跟踪器，提高控制系统的动态性能；滑模变结 构控制可以使系统结构在动态过程中根据系统当时的偏差及导数以跃变方式作有目的 的改变，使系统达到最佳指标。墙1 - - 1 2 1 ：模糊控制不依赖被控对象精确的数学模型，对 系统动态响应有较好的鲁棒性：神经网络具有非线性映射能力，可逼近任意线性和非 线性模型，又具有自学习、自收敛的特性，对参数变化有较强的鲁棒性 胛】。 由于高速微处理器、d s p 的出现，也更加保证了无刷直流电动机的性能。在一些 需要控制成本的应用中，增加位置传感器不太实用或无法接受。然而，d s p 固有的计 算能力可被用来在无刷电机上实现许多无传感控制。在无刷直流电机中，可以有一种 仅需四个电阻从获得的位置、速率、干扰转矩信息中进行分配网络的无传感控制算 法。此外，这个算法提供了瞬态位置和速率信息，而不象传统的算法中需要采取过零 算法。算法要求大约5 0 0 条d s p 指令( 因此程序存储量为5 0 0 字) ，在这个2 0 m i p s 控 制器上执行时间约为1 3 “s 1 3 1 。 低成本d s p 为压缩机、洗衣机、风扇、泵机和高压交流驱动中的无传感控制f 直 流无刷电动机) 提供了一个独一无二的和最优化方案，低成本的d s p 电机控制器的应 6 华中科技大学硕士学位论文 用已经说明无位置传感器无刷直流电动机的应用前景，一个新型鬲性能器仟已经睫看 工业驱动设备的要求而推向了市场。 1 2 2 无刷直流电动机的应用前景 永磁无刷直流电动机自诞生之日起因卓越的性能和不可替代的技术优势，就倍受 人们的关注，特别是自7 0 年代后期以来伴随着永磁材料技术、计算机及控制技术等 支撑技术的快速发展及微电机制造工艺水平的不断提高，大大促进了永磁无刷电动机 技术的发展及性能的不断提高，从而为其在更加广阔的高性能中、小伺服驱动领域获 得广泛应用并日趋占据主导地位奠定了坚实的物质和技术基础，如今永磁无刷直流电 动机已广泛地应用于航空、航天、机器人、家用电器f a ( 工厂自动化) 等领域。今后随 着永磁无刷直流电动机技术及相关支撑技术等的不断发展以及人类社会的不断进步， 永磁无刷电动机将获得更为广泛的应用，并将呈现出以下趋势： 1 2 2 1 数字化、集成化电动机 得益于高速数字信号处理器( 如d s p ) 在交流伺服系统中的应用，交流伺服系统 中的位置环、速度环和电流环进一步向全数字化的方向发展。这样许多硬件工作都由 软件完成，减少了硬件电路，提高了可靠性和效率。 将电动机、电源、功率模块、网络管理器等功能块组合在一起，形成一个整体， 这样的组合将进一步提高伺服系统的可靠性，降低成本，减小体积。机电一体化技术 和信息技术作为20 世纪末诞生的“高新技术”在到来的新世纪里必将获得更加快速 的发展和广泛的应用，尤其是信息技术的发展将更为迅猛，对作为这两大技术( 含其 产业) 的基础元件之一的无刷真流电动机电机必将迎来又个快速发展的春天。 1 2 2 2 智能化无刷直流电动机 在全数字化的基础上，控制系统将进一步向着智能化的方向发展。智能控制是控 制理论发展的高级阶段，具有自学习、自适应、自组织等功能，能够解决模型不确定 性阀题、非线性控制问题以及其它较复杂的问题。将现代控制理论中的变结构控制、 自适应控制、模糊控制、神经网络控制和遗传算法等先进的控制策略应用到无刷直流 电动机伺服系统中将是必然的发展趋势。 1 2 2 。3 商效、节能无刷直流电动机 华中科技大学硕士学位论文 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) 排放的尾气造成 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 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。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 无刷直流电动机来满足上述两方面的要求已是一种必然趋势。因此，可以预言，在新 世纪，永磁无刷电动机将在电动汽车、家用电器及f a ( i 厂自动化) 等领域获得更加 广泛的应用【6 】f 2 2 1 1 2 3 】。 1 3无刷直流电动机发展中遇到的问题 1 3 1 转矩脉动 由于各种原因引起的转矩脉动问题严重影响了无刷直流电动机在交流调速系统中 的应用，尤其在直接驱动的场合，转矩脉动使电机速度控制特性极度恶化。因而，抑 制转矩脉动成为提高伺服系统性能的关键。 1 3 2 无位置传感器 为了进步提高现代无刷直流电动机控制系统的性能价格比和运行可靠性，无位 置传感器的无刷直流电动机成为近年来的研究热点。在无刷直流电动机中，为了实现 正确的换相，必须准确可靠的检测转予位置。对于无位置传感器的无刷直流电动机， 利用电动机运行时各相绕组本身存在的反电势作为转子位置的反馈信号代替原有位置 传感器的作用。由于在反电势过零点时，信噪比较小，有用信号提取比较困难，使用 中受到很大的限制。可以预见，无位置传感器的无刷直流电动机将是无刷直流电动机 进一步发展的必然趋势1 2 4 】q 3 0 1 。 1 4 本课题研究的主要内容 1 4 1 课题意义 从7 0 年代起，国内许多单位先后开展了无刷直流电机的研究工作，在无刷直流 8 华中科技大学硕士学位论文 电机电磁场数值分析、设计方法、仿真技术、控制理论等方面作了大量工作，经过三 十多年的努力，已经取得了较大的成果，但在新产品开发、应用方面与国际先进水平 仍存在着一定的差距。 由于无刷直流电机调速性能优越，且体积小、重量轻、效率高、转动惯量小、不 存在励磁损耗等一系列优点，在工业领域的应用越来越普遍。因此，进一步重视对无 刷直流电动机的应用和研究将是一件很有意义的工作。 1 4 2 本课题研究的主要内容 ( 1 ) 分析了永磁无刷直流电动机的结构及基本工作原理，建立了比较完善的数 学模型： ( 2 ) 针对其数学模型，应用m a t l a b 中的s i m u l i n k 进行了系统仿真； ( 3 ) 阐述了无刷直流电动机转矩脉动产生原因，提出了采用移相法消除低速时 转矩脉动的方法； ( 4 ) 分析了无刷直流电动机的几种制动方式，比较了其优缺点，并进行了仿真 研究： ( 5 ) 设计并制作了系统的控制部分硬件电路，并实现了系统的可靠性保护； ( 6 ) 对所设计的驱动控制系统，完成了基于8 0 c 1 9 6 k c 的软件设计，并进行了 相关的实验研究。得到了较为满意的结果。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 无刷直流电动机的基本原理 【概要】本章介绍了无刷直流电动机的结构，分析了其运行原理，在推导出数学模型 的基础上作了仿真，并详细讨论了转矩脉动产生的原因及其消除。 2 1 无刷直流电动机的结构 无刷直流电动机主要有电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。其 结构原理如图2 1 所示。 逆变器 j 隐。j k j k 3 。 电动机 厂i = ：。， - 一 + a 嘲，b 一1 j db ： c le 卜0 7 t 4t 6 r 2 舄_ 鼯_ ；碍： 仁a 位置传感器 图2 1 无刷直流电动机的结构原理图 2 1 1 电动机本体 无刷直流电动机本体与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其它启动装置。 其定子绕组采用交流绕组形式，般制成多相( 三相、四相、五相不等) ，转子由永 磁钢按一定极对数( 2 p = 2 、4 、6 ) 组成。对于方波无刷童流电动机，希望在定 子绕组中获得项宽为1 2 0 。的方波或梯形波，其绕组形式采用整距、集中或接近整 距、集中的形式，以便保留磁密中的其他谐波。正弦波无刷直流电动机则希望在绕组 中获得正弦波形式的反电势，其绕组形式往往采用短距、分布或分数形式，以尽可能 地消弱其他次谐波，从而保留基波。 无刷直流电动机的转子结构既有传统的内转子结构，又有近年来出现的盘式结 构、外转予结构和线性结构等新型结构形式。伴随着新型永磁材料的问世和实用化， 1 0 华中科技大学硕士学位论文 电动机转子结构越来越多样化，馒无刷直流电动机正朝着高出力、高精度、微型化和 耐环境等多种用途发展。 2 1 2 逆变器 逆交器将直流电转换成交流电向电机供电，与一般的逆变器不同，它的输出频率 受控于转子位置信号，是个“自控式逆变器”。无刷直流电动机由于采用自控式逆变 器，电机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器不会产生振荡和失 步，这也是无刷直流电动机的重要优点之一。 2 1 3 转子位置传感器 位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逆变器提供正 确的换相信息。位置传感器与电动机同轴安装，由于逆变器的导通次序是与转子转角 同步的，因而与逆变器一起，起着与有刷直流电动机的机械换相相类似的作用。位置 传感器种类较多，特点各异。目前在无刷直流电动机中常用的位置传感器有下述几 种。 2 1 3 1 电磁式位置传感器 电磁式位置传感器是利用电磁式效应来测量转予位置的，有开口变压器、铁磁诣 振电路、接近开关电路等多种种类，在无刷直流电动机中，用的较多的是开口变压 器。电磁式位置传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长、对环境要求不高等优 点，但这种传感器体积交大，信噪比较低，同时，其输出波形为交流，一般需经整 流、滤波方可使用。 2 1 1 3 2 光电式位置传感器 光电式位置传感器是利用光电效应，由跟随电动机转予一起旋转的遮光部分和固 定不动的光源及光电管等部件组成。有绝对式编码器和增量式编码器之分。光电式位 置传感器性能比较稳定，体积小、重量轻，安装精度高，抗干扰能力强，调整方便， 但存在输出信号信噪比较大、光源灯泡寿命短、对环境要求较高等缺陷。若采用新型 光电元件，可以克服这些不足之处。 2 1 3 - 3 磁敏式位置传感器 1 l 华中科技大学硕士学位论文 磁敏式传感器是利用某些半导体敏感元件的电参数按一定规律随| 盍l 圃磁场殳化向 变化的原理制成。其基本原理是霍尔效应和磁阻效应。目前，常见的磁敏式传感器由 霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻和磁敏二极管等。世界上第一台无刷直流电动机 的位置传感器用的就是霍尔元件。一般来说，这种器件对环境适应性很强，成本低 廉同样，精度不高。 此外，还有正、余弦旋转变压器等多种位置传感器，它们一般较复杂，目前，在 无刷直流电动机中采用的还很少。 2 2 无刷直流电动机的运行原理 现以三相y 型连接全控桥两两导通方式，说明无刷直流电动机运行原理，如图2 2 。 所谓两两导通方式，是指 每一瞬间有两个功率开关导 通，每隔1 6 周期( 6 0 。电 角度) 换相次，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 的导通顺序是t 1 t 2 - t 2 t 3 - 圈2 2 三相两两通电电路原理图 t 3 t 4 - t 4 t 5 t 5 t 6 t 6 t 1 t 1 t 2 ，当功率管t 1 t 2 导通时，电流从t l 管流入a 相绕 组，再从c 相绕组流出，经砭管回到电源。假设流入绕组的电流所产生的磁势为 正，那么从绕组流出的电流所产生的磁势为负，它们的合成磁势如图2 3 ( a ) 所 示，其大小为3 k ( f 。为同样电流在每相绕组产生的磁势大小) ，矢量方向在f a 与一 e 的角平分线上。当电机转过6 0 。电角度后，由t 1 他换相为t 2 t 3 ，这时，电流从t 3 管流入b 相绕组，再从c 相绕组流出，经t 2 回到电源，此时合成磁势如图2 3 ( b ) 所示，其大小同样为3 k ，但合成磁势矢量方向已经转过了6 0 。电角度。而后 每次换相一个功率管，合成磁势矢量方向就转过6 0 。电角度，但大小始终保持3 k 1 2 华中科技大学硕士学位论文 一一= = = ；= = ；= = = = = = = = = = = = = = = = ；= = ；= = = = = = = = = 不变。图2 - - 3 ( c ) 示出了换相时合成磁势的方向。由此也可以看出，三相电流两两 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a 改变逆变器功率开关管的导通顺序，就可以改变电机的旋转方向。从下一节的定 量分析中，可进一步看出b l d c m 的电磁转矩与电流近似呈线性关系，改变电流的大 小，就可以改变电磁转矩的大小。电机的转速与反电势成正比关系，根据电机外加 图2 - 3y 连接绕组两两导通时的合成磁势矢量圈 电压和电机反电势的平衡关系，可以通过调节外加电压来调速，这可以很方便地通过 改变逆变器的占空比来实现。由此可见，b l d c m 和有刷直流电机样，具有相同的 调速特性，只要改变电机的输入电压大小，就可以在较宽的范围内进行无级调速。 由于定子合成磁势每隔1 6 周期( 6 0 0 电角度) 跳跃前进一步，在空间转过6 0 0 电 角度过程中，转子磁极上的永磁磁势却是随着转子连续旋转的，这两个磁势之间平均 速度相等，保持“同步”，但是瞬肘速度却是有差别的，二者之间的相对位置是时刻 有变化的，所以，它们相互作用下所产生的转矩除了平均转矩外，还有脉动分量。无 刷直流电动机在设计中应尽可能减少这一脉动分量。从控制角度来看，这个脉动分量 和绕组开始导电瞬间合成磁势与转子磁势之间的相对位置有关，它决定于开关管触发 导通的相位。 2 3 无刷直流电动机的数学模型 无刷直流电动机的反电势为梯形波。梯形波反电势意味着定子和转子间的互感是 非正弦的。因此，将电动机三相方程变换为d q 方程是困难的，因为d q 变换适用于气 1 3 华中科技大学硕士学位论文 隙磁场为正弦分布的电动机。若将电感表示为级数形式并采用多参考坐标理论，也可 以进行这种坐标变换，但运算起来相当繁琐。如果仅取其基波进行变换，计算结果误 差又较大。反之，直接利用电动机原有的相变量来建立数学模型倒是比较方便，又可 以获得较准确的结果p i 】1 3 2 】【3 3 j 。对于三相2 对极无刷直流电动机，假设： 塞 = 专塞 | l + p 耋之l a b 享且l l u i 1 十匡 c z 一， 刚强册氍甜 | | 沪s ， 华中科技大学硕士学位论文 mib+mi。=一mi。(2-7) e ； = 芎， 三 圣 + p l i m l m l 呈m 圣 + e ； c z s ， t 栅= p 。( e 。i 。+ e b i b + e 。i 。) w ，) ( 2 - - 9 ) 。t i + b ( w r ) j p ( 式中工负载转矩 p 差 = 1 “l 手m ，c l m ，。，( ：芝m ， 心一一删 | ； 2 3 4 等效电路 由无刷直流电动机的电 压方程，可以将其等效地表 示为图2 4 所示的等效电 图2 4 无刷直流电动机等效电路图 ( 2 1 0 ) ( 2 一1 1 ) 1 5 华中科技大学硕士学位论文 路，无刷直流电动机的每一相由定子绕组电阻咫、反电动势及电感l - - m 串联构成。 2 4 无刷直流电动机转矩脉动分析和消除 24 1 转矩脉动分析 造成转矩脉动的原因多种多样，按转矩脉动产生的原因，可以分为以下几个方 面：电磁因素引起的转矩脉动、电流换向引起的转矩脉动、齿槽效应引起的转矩脉 动。此外，还有电枢反应和机械工艺引起的转矩脉动等。 2 4 1 1 电磁因素引起的转矩脉动 电磁转矩脉动是由于定 子电流和转子磁场相互作 e a 用而产生的转矩脉动。它 与电流的波形、反电势的 波形、气隙磁通密度的分 布有直接的关系。理想情 况下，定子电流为方波， 反电势波形为梯形，其波 斤黾瑚。删。 3 旷1 5 0 。甘丽 图2 5 理想的反电势、电流波形 形平顶宽度等于1 2 0 。电角度，如图2 5 所示。但是，在实际电机中，由于定子绕组 有电感，在换流过程中电流不能突变，灌入定子绕组的电流不可能是方波，它只能近 似地按梯形波变化；由于设计和制造方面的原因，有可能使电动势不是梯形波，或者 波顶宽度不是1 2 0 。电角度；或者由于转子位置检测器和控制系统的误差，所有这些 造成电流与电势波形不能保持严格同步的因素，都会产生转矩脉动。 2 4 1 2 电流换向引起的转矩脉动 无刷直流电动机工作时，定子绕组根据转子位置检测器的信号按一定顺序换流， 由于各相绕组存在电感，阻碍电流的瞬时变化，电机中的电流从一相转移到另一相时 将产生转矩脉动。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 i 参与换向的两相电流( 以。和i b 为例) 有三种变化情况，彳日比地，电馓转，炬外腱 不同的换向状态而变化：( 1 ) i a 与i b 的变化率相等，即i a 降为零的同时，i b 到达稳态值 i o ，转矩保持不变；( 2 ) i 。降为零时，i b 还未达到稳态值i o ，转矩减小； ( 3 ) i b 达到 稳态值时1 0 ，i 。还未降为零，转矩增大。换向期间最大的相对转矩脉动在低速时可达 + 5 0 高速时可达5 0 t 3 4 1 1 3 5 1 。图 l b - 。 l t 。 1 a t 1 c 1 7 华中科技大学硕士学位论文 2 4 3 转矩脉动的消除 为了提高无刷直流电动机的性 能，很长一段时间来，人们采用各 种方法消除转矩脉动。概括起来， 这些方法大致可以分为两类：一类 是改变电机定子、转子的结构以及 绕组分布的结构，以达到消除转矩 脉动的目的，这种方法主要用于消 除齿槽转矩脉动3 4 j 【3 6 l 【3 7 l 。另一类 消除转矩脉动的方法是应用各种控 制策略，调整电流或反电势波形， 从而得到最佳电流与反电势波形， 这种方法对于消除高速时电磁因素 和电流换向引起的转矩脉动，效果 比较明显【3 8 h 4 4 1 。 当电动机的负载电流足够大 时，负载电流的波形是连续的，如 图2 7 ( a ) 所示。但是，电动机 在低速轻载运行状态时，负载电流 很小，可能出现电流断续的现象， 如图2 7 ( c ) 所示。在t = t l 时， 9 _ 三自：；口口 z ：暑三兰二三皋兰；己苎 ( a ) ( c ) 图2 7p w m 斩波控制的电流波形 ( a ) 连续时的电流波形 c o ) 临界连续时的电流波形 ( c ) 断续时的电流波形 功率开关管关断，由于负载电流i 很小，在t l t 3 的期间内，负载电流很快衰减到 零，在t 2 t 3 期间电路中没有电流，直到下一时刻功率开关管导通时电路中才会有电 流，电流出现断续的现象。下面分析断续电流和连续电流的脉动量对电磁转矩的影 响。 电流连续时，如图2 7 ( a ) ，由平均电流i 。的概念可知，i 。，t s ：i 。t s 十a i t 。 嗍 即 譬趔一净 - 1 2 电流临界连续时，如图2 - - 7 ( b ) i 。t s = 掣t s a i ：2 ( 2 1 3 ) i ， 电流断续时，如图2 - - 7 ( c ) i 。t s ：掣t s 型：堡( 2 1 4 ) i 。t 由式( 2 - - 1 2 ) 、( 2 - - 1 3 ) 、( 2 - - 1 4 ) 可知，电流连续时，譬 2 ，可见，无论电流胜! 卖j 丕是断续，随着电流的 减小，电流的脉动岩增大。又平均电 l “ 磁转矩i 钿= k t * h ( k t - - 转矩系数) ，由 于低速轻载时电流脉动比高速重载时的 要大，电磁转矩脉动也更大。 为了消除低速时由于电流波动引起 的转矩脉动，本文提出了采用移相法消 除转矩脉动。移相法就是通过控制功率 开关管导通的时间，使电流波形相与反 电动势波形相位差a t 。电机由高速重 载运行转为低速轻载运行时，原来的控 制方法是使p w m 波的占空比减小，这 图2 8 反电势、相电流波形 ( a ) 非移相时的反电势、相电流波形 ( b ) 移相时的反电势、相电流波形 样电流可能会进入不连续运行状态( 图2 8 ( a ) ) ，导致转矩脉动变大。采用移相 1 9 华中科技大学硕士学位论文 发控制，保持p w m 波的占空比不再减小，从而保持电流不再减小，在同一转速条件 下，为了使i l 与i 2 产生相等的电磁转矩，相对于非移相控制，将驱动功率开关管信号 延迟一段时间后再导通，使电流波形与反电势波形相位差x t ，得到e * i i = e * i 2 。 从波形图可以看出，移相时的电流脉动( 图2 8 ( b ) ) 比非移相时的( 图2 8 ( a ) ) 的要小，转矩脉动因此也减小。可见，移相法减小了低速时由于电流波形畸 变引起的转矩脉动，提高了电动机的运行性能。在后续的第五章具体介绍了移相控制 方法的软件实旌，并有第六章的实验波形证明这种方法减小转矩脉动达到的效果。 2 5 无刷直流电动机系统的仿真 针对无刷直流电动机，在其数学模型的基础上，以m a t l a b s i n l l l l i n k p s b 中的 功能模块为工具，设计了无刷直流电动机的模型及其驱动控制系统。图2 9 为无刷 直流电动机控制系统的仿真模型。 图2 9 无刷直流电动机控制系统仿真模型 2 0 华中科技大学硕士学位论文 2 5 1无刷直流电动机的电机模型 在b l d c m 控制系统仿真模型中，无刷直流电动机模型的建立最为重要，由图2 4 所示的等效电路可以方便的建立起电机的仿真模块，如图2 - - 1 0 所示。 图2 一l o 无刷直流电动机模型 2 5 2 仿真及结果分析 根据所建立的b l d c m 控制系统的仿真模型，进行仿真试验。无刷直流电动机的 参数为：额定电压u = 3 0 0 v ，额定电流i = 2 a ，额定转速n = 6 0 0 0 r m i n ，额定 t = 0 8 n m ，极对数p = 2 ，定子绕组r 。= 1 1 9 q ，定予绕组自感l - - 2 m h ，互感 m = 0 6 m h ，转动惯量j = o 7 k g c m 2 ，阻尼系数b = 0 。 给定转速= 6 0 0 0 r p m ，进行仿真，得到无刷直流电动机三相电流响应曲线如图 2 1 2 所示，转矩响应曲线如图2 1 3 所示，转速响应曲线如图2 1 4 所示。 从仿真波形可以看出，电流基本是1 2 0 。方波，转速很平稳。在启动初始阶段，转 矩有较大的峰值，这是因为在b l d c m 启动时，电机的反电势还没有来得及建立起 来，相电流较大，造成了转矩峰值，在反电势建立后，转矩迅速下降到稳态值，大致 维持在o 8 n m ，但转矩有脉动。转矩大致维持在0 8 n m ，但有脉动。引起转矩脉动的 原因有：( 1 ) 齿槽效应和磁通畸变引起的转矩脉动，由于定子齿槽的存在，定子铁 2 1 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = ：= = ；= = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= ；= = = = 心磁阻的变化产生的磁阻转矩( 即齿槽转矩) 是交变的，与转子位置有关，因此是电 机结构和永磁磁场的函数；( 2 ) 谐波引起的转矩脉动，在实际电机中，定子绕组中 的电流不完全是矩形波，因为电机电感限制了电流的变化，这就造成反电动势与理想 波形的偏差，产生转矩脉动，同时，非理想的磁链波形也对转矩脉动产生影响： ( 3 ) 相电流换相引起的转矩脉动。其中换相是引起转矩脉动的主要原因。 80 0 60 0 40 0 20 0 00 0 20 0 _ 4 呻 图2 1 2 三相电流仿真波形( u = 6 0 0 0 r m i n ) j 、厂、 。m ： 阻二 f ：姗血卫 f ：= ：吼妈卫卫 一，十一十一一 t i m e ( m s ) 图2 一1 3 转矩仿真波形 华中科技大学硕士学位论文 6 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 4 0 0 0 3 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 1 0 0 0 o o o 0 0 厂 | r o 0 05 0 01 0 o o1 5 0 02 0 0 0 t i m e ( m s ) 图2 1 3 转速仿真波形 7 3 华中科技大学硕士学位论文 3 无刷直流电动机制动方式研究 【概要】本章介绍了无刷直流电动机的三种制动方式，详细分析了三种制动方式的原 理、制动过程和能量转换关系，并进行了仿真研究。 3 1 制动方式综述 为了满足生产技术的运行要求或者为了安全，往往需要把电动机尽快地停转，或 者由高速运行很快地进入低速运行，为此需