（电工理论与新技术专业论文）基于cpld和avr无刷直流电机控制器的研究.pdf

萋于c p l d 和a v r 无刷直流电机控制器的研究 r e s e a r c ho f t h ec o n t r o li n s t r u m e n to f b r u s h l e s sd cm o t o rb a s e do n c p l da n d a v r a b s t r a c t b m s h l e s sd i r e c tc u r r e n t ( b l d c ) f f l o t o r , 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 c m o t o i sa n d i n v e r t e r s ，h a s t h e v i r t u e s o f n o t o n l y t h es i m p l i c i t y i n t h e i r c o n t r o l o f d c m o t o r , b u t a l s ot h eh i g h e f f i c i e n c y a n dm f i a h i f i 哆o fa cm o t o r r e c e n t l yb r u s h l e s sd cm o t o ri s i n c 陀a s i n g l y b e i n g u s e d i n t h e m d l 城i y a r e a w i d e l y , e s p e c i a l l y i n h i g h - p e r f o 咖a n c e a p p l i c a t i o n s f i r s t l y ，t h eb a s i c e l e m e n t sa n dt h e o p e r a t i n gp r i n c i p l e o ft h ec o n t r o l s y s t e ma r e a n a l y z e d t h em a t h e m a t i cm o d e lo fb r u s h i e s sd c m o t o ri sa l s or e s e a r c h e di nt h i st h e s i s b e c a u s eo fb r n s h l e s sm o t o r sl a r g et o r q u er i p p l ed u r i n gl o ws p e e da n dd i r e c td r i v i n g ，i ti st h e s t u d yf o c u so fb m s h l e s sd c m o t o ra p p l i c a t i o n sh o wt or e d u c et o r q u er i p p l e sa n dc u n 协t r i p p l e s f u r t h e r m o r e ，o nt h eb a s i so f t h ec h a r a c t e r so fc o m p l e xp r o g r a m m e dl o g i cd e v i c e ，t h e p a p e r h a sr e a l i z e ds o m e s p e c i a lc k c u i t sw i t hv e r i l o gh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e b a s e do n t h ep r i n c i p l eo ft h ec o n t r o ls y s t e m a n di td i s c u s s e st h ed i s a d v a n t a g e sw h e nu s i n gas i n g l e c o m p l e xp r o g r a m m e dl o g i cd e v i c ec h i p ，an e ws t r a t e g yu s i r l gc o m p l e xp r o g r a m m e dl o g i c d e v i c e c h i p s a n dm c ut oc o n t r o lb m s h l c s sd cm o t o ri sa n a l y z e d f i n a l l y , t h ep a p e r h a sd e s i g n e da n df i n i s h e dm o w rc o n t r o l l e rw i t hc o m p l e xp r o g r a n u n e d l o g i c d e v i c e c h i p s m a d ei na l t e r aa n da v rm c um a d ei na t m e l i no r d e rt og n a r a n t c c t h e v e l o c i t ym o d u l a t i o n sp r e c i s i o na n dq u i c k - r e s p o n s e ，a d o u b l ec l o s e d l o o pc o n t r o lf o rc u r r e n t a n dv e l o c i t yh a sb e e na d o p t e da n dt h ec o n t r o l s t r a t e g y i sr e a l i z e d b ys o f t w a r eu s i n g p i a l g o d t h r n t h e w h o l es y s t e m s h a r d w a r e a n d s o r w a r e h a v e b e e n d e s i g n e d b a s e d o n t h e s y s t e m s c o n t r o l s t r a t e g ya n d t h e r e l i a b l e - d e s i g n i n gq u e s t i o n h a sb e e nd i s c u s s e di nt h e p a p e r t h er e n a u l to f t h e e x p e r i m e n t s h o wt h e p r o p o s e d c o n t r o ls 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 s t 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 yw o r d s ：b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r ；c o m p l e xp r o g r a m m e dl o g i c d e v i c e ； h a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ；t o r q u e - r i p p l e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大学 或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 无刷直流电机控制技术的发展 运动控制系统是以机械运动的驱动设备一电动机为控制对象，以控南4 器为核心，以 电力电子器件及功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自 动控制系统。这类系统控制电动机的转短，转速和转角，将电能转换为机械能，实现运 动控制的运动要求。从以上的描述中可以看出，控制技术的发展是通过电动机实现系统 的要求，电动机的进步带来了对驱动和控制的要求。电动机的发展和控制、驱动技术的 不断成熟，使运动控制经历了不同的发展阶段。 2 0 世纪3 0 年代起，开始使用直流调速系统。由最旱的旋转变流机组控制发展为放 大机、磁放大器控制，再进一步，用静止的晶闸警交流装鼍和模拟控制器实现直流调速。 单片机的出现，代替了模拟控制器。使系统的快速性、可靠性、经济性不断提高，童流 调速系统得到广泛应用。然而，由于直流电机具有电刷的换向器，制造工艺复杂且成本 高、维护麻烦、使用环境受到限制等缺点。早在1 9 世纪末，出现交流电并制成了经济适 用的鼠笼异步机，这就使交流电气传动在工业中逐步得到广泛应用。但是由于逆变技术 不成熟，交流调速无法实现，在2 0 世纪的大部分时间基本是直流调速交流不调速的格 局。 交流电机驱动简单可靠、易维护，但使用效率低。对占传动总量三分之一的风机、 水泵设备而言。如果恒速改为调速，就可节电3 0 左右，加之世界能源危机，人们开始 研究交流电机调速技术。近三四十年来。随着电力电子技术、微电予技术、现代控制理 论的发展，使交流调速逐步具备了宽调速范围、高稳定糟度、快速动态响应和四象限运 行等良好的技术性能，并实现了产品系列化。 永磁无刷直流电机的出现，又带动了调速应用的新的革新。永磁电机结构上与笼型 异步电动机类似，坚固可靠，转短控制又和有刷直流电机类似，机械特性与他励直流电 机几乎一样。永磁电机由永磁材料提供励磁，不必像异步电机那样从电网汲取无功电流， 转子上只有杂散损耗，没有转子铜耗，其效率比同容量、相同有效材料的异步电机提高 2 。1 3 。正是由于永磁电机的这些优点，从早期的低压小功率应用，如声像设备、航空 航天，到计算机外设、办公自动化设备，向高压大功率发展，如家用电器和工、监自动化、 交通、环保等领域发展。2 0 世纪末，全球电机年销售额递增8 ，永磁电机递增1 4 以 上，2 l 世纪初全球电机销售9 0 0 亿美元，其中永磁无刷直流电机可望达到2 0 0 亿美元 基于c p l d 和a v r 弼q 壹流电机控制器的研究 在日本家用空调市场，近乎1 0 0 是永磁无刷直流电机变频控制。从2 l 世纪初，永磁无 刷直流电动机控制成为运动控制的一个新热点。 1 1 1 电力电子技术的发展 电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的物质基础，电力电子技术的迅猛发展， 促使了电机控制技术水平有了突破性的提高。从2 0 世纪6 0 年代第一代电力电子器件 晶闸管( s c r ) 发明至今，已经历了第二代有自关断能力的电力电予器件g t r 、g t o 、 m o s f e t ，第三代复合场控器件- i g b t 、s i t 、m c t 等，和如今正蓬勃发展的第四代产 品一功率集成电路( p i c ) 。但每一代的电力电子元件也未停顿，多年来其结构、工艺不 断改进，性能有了飞速提高，在不同应用领域它们在相互竞争，新的应用不断出现。 s c r 作为最早的电力电予元件自6 0 年代闻世以来，至今其功率容量已提高了近3 0 0 0 倍。许多国家已能稳定生产1 0 0 m m 、8 0 0 0 v 4 0 0 0 a 的晶闸管。尽管有自关断能力的电力 电子器件的发展使晶闸管的应用领域有所减少，但由于它的高电压、大电流特性。它在 大功率直流驱动和大功率高电压的交流变频调速驱动应用中仍占有不可动摇的地位。自 第二代g t r 、m o s f e t 至第三代i g b t 为代表的电力半导体器件的发展中，除了自关断 能力外，一个显著的特点是元件的开关频率不断提高，元件通态压降不断降低，在电机 控制中应用的结果是使电机控制性能有了很大的提高。例如采用了g t r 做成的通用型变 频器，o t r 的开关频率约为2 k h z 左右，变频器输出的最低工作频率约为3 1 - 1 z ，最高频 率1 2 0 h z 左右。而采用i g b t 做成的通用型变频器，i g b t 的开关频率约达2 0 1 d - l z 左右， 变频器的最低输出频率可达0 5 h z ，最高工作频率可达4 0 0 5 0 0 1 - i z 用它控制电机运行， 则噪声更小，电机运行更平稳。功率m o s f e t 的特点是开关频率高，最高可达几百k h z 。 但其初期产品的最大不足是通态压降高，电流、电压容量低，故早期它主要在一些低电 压、小容量的电机控制场合使用。但近年来该类元件在结构、制造上有了重大改进，将 微电子制造工艺引入该功率元件的制造中。m 公司至今已推出了第八代功率m o s f e t 产品，性能已大为改观。自1 9 9 6 年以来，该公司的功率m o s f e t 的通态电阻以每年5 0 的速度下降，单位面积功耗己从最初的每平方厘米3 0 r o w 降至现在的每平方厘米 0 9 m w ，元件体积大为缩小，容量大大提高。本来分工明确的功率m o s f e t 和i o b t ， 现在也出现了新一轮的竞争。几年前w a r pi g b t 开关频率可达1 5 0 k h z ，逼近了m o s f e t 的频率，现在又有垂直p + 结构韵m o s f e t 来夺取更 氐的正向电阻( c o o l m o s ) ，新一 代的n p t i o b t ( 非穿通型i o b t ) 以其更好的耐用度夺走了1 2 0 0 v i g b t 的市场。 这些高开关性能的元件问世是现代最新的矢量变换控制应用于中小功率、高性能交 流调速系统的保证。 大连理工大学硕士学位论文 在开关元件发展的同时，驱动电路也获得了飞速的发展，目前，对每一类功率元件 都有相应的专用驱动集成电路可供选用。这些专用驱动集成电路都是经过优化设计而定 型的，它的使用可大大提高整机的可靠性，为整机设计者也带来极大的方便。现在已可 以做到使用一片驱动电路，一个驱动电源来驱动三相逆变器的六个开关管，而不必为每 个开关元件单独提供电源、隔离驱动等，大大简化了外围电路特别是驱动电路的设计。 进入2 1 世纪后，可以预期新的更高性能电力电予器件还会出现，已有的各代电力电 子元件还会不断地改进提高。除此以外，一个新的发展动向值得注意，这就是大功率半 导体元器件向集成化、智能化方向发展，智能功率模块( m ) 是向第四代器件功率集 成电路( p i c ) 发展的过渡产品，它是微电子技术和电力电子技术相结合的产物，它不但 提供一定的功率输出能力，并且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能。 它内含驱动电路、保护电路，可实现过滤、短路、欠压和过压等保护，还可实现电机的 再生制动。外界只需提供p w m 信号给智能功率模块，就可以实现以往复杂的主电路及 其外围电路的功能。由于采用了隔离技术，散热更均匀，体积更加紧凑。如果与单片控 制芯片结合则可以实现两片式系统。故当今的电机控制系统的开发者应首先考虑这种智 能功率模块的选用，可提高系统可靠性，大幅度降低开发时间和费用。 1 1 2 电机控制器的发展 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。 随着徽处理器的应用，使得控制系统由模拟式进入数摸混合式，基础电路甚至电机 控制专用集成电路被大量在电机控制中引用，这些电路大大提高了电机控制器的可靠性、 抗干扰能力，又缩短了新产品的开发周期，降低了研制费用，因而近年来发展很快。 作为专用集成电路( a s l c - a p p l i c a t i o ns p e c i f i ch l t e r g 豫m e dc i r c u i t ) 的一个重要方面， 目前世界上几乎所有的大半导体厂商都提供自己开发的电机控制专用集成电路。各厂商 之间无统一标准，因而产品极其分散，又不断有新产品出现，为满足一次设计的需要， 往往要花很大的力气和时间去收集整理资料。当前电机控制的发展越来越趋于多样化、 复杂化，现有的专用集成电路未必能满足苛刻的新品开发要求，为此可考虑自己开发电 机专用的控制芯片。复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 可以作为一种解决方案。作为开发设 备。c p l d 可以方便地实现多次修改。由于c p l d 的集成度很高，一片c p l d 少则几千 基于c p l d 和a v r 无刷直流电机控制器的研究 个等效门，多则几万等效门。所以一片c p l d 就可以实现非常复杂的逻辑，替代多块集 成电路和分立元件组成的电路。它借助于硬件描述语言( v h d l 或v e r i l o gh d l ) 来对系 统进行设计，硬件描述语言放弃了传统的从门级电路向上直至整体系统的设计方法。它 采用三个层次的硬件描述和自上至下( 从系统功能描述开始) 的设计风格，能对三个层 次的描述进行混合仿真。从而可以方便地进行数字电路设计。 1 2 论文研究的意义 从7 0 年代起，国内外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 3 论文研究的内容 ( 1 ) 分析了永磁无刷直流电动机的结构及其工作原理，建立了比较完善的数学模型。 ( 2 ) 本文还研究了无刷直流电机的转矩特性，并进一步探讨了如何消除大的转矩谐波分 量，从而达到减小无刷直流电机的转矩脉动的目的。 ( 3 ) 设计并制作了系统的硬件电路，并实现了系统的可靠性保护。 ( 4 ) 对所设计的驱动控制系统，完成了基于c p l d 复杂可编程逻辑器件和a v r 单片机的 软件设计，并进行了相关的实验研究，得到了比较满意的结果。 大连理工大学硕士学位论文 2 无刷直流电机原理及转矩脉动的分析 2 1 系统的组成 永磁同步电动机按其工作原理、驱动电流和控制方式的不同，可分为具有正弦波反 电势的永磁同步电动机( p m s m ) 和具有梯形波反电势的永磁同步电动机，后者又称为无刷 直流电动机( b l 妇均。b l d c m 和p m s m 相比，具有更昵显的优越性：反馈装置简单， 不需要采用永磁同步伺服电机( p m s m ) 中的绝对位置编码器或旋转变压器；控制结构更为 简便，能使电机和逆变器各自的潜力得到更充分的发挥。因此，永磁无刷直流伺服电机 的应用和研究受到广泛的重视。无刷直流电机的组成用装有永磁体的转子取代有刷直流 电动机的定子磁极，用具有多相绕组的定子取代电枢，用由逆变器和轴位置检测器组成 的电子换向器取代机械换向器和电刷，就得到了无刷直流电动机。无刷直流电动机的基 本构成包括电动机本体、开关电路和位置传感器三部分，如图2 1 所示“3 。 图2 1 无刷直流电动机构戒框图 f i g 2 1c o m p o s i n gb l o c kd i a g n m ao f b l d c m 在无刷直流电动机中，借助反映主转子位置的位置传感器的输出信号，控制逆变器 换向，使电枢绕组依次馈电，从而在主定子上产生眺跃式的旋转磁场，拖动永磁转子旋 转。随着转子的转动，位置传感器不断的遴出信号，以改变电枢绕组的通电状态，使得 在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变，这就是无刷直流电动机的无接触式换流 过程的实质。 应该指出，在无刷直流电动机中，电枢绕组和相应的功率开关元件的数目不可能很 多，所以，与有刷直流电动机相比，它产生的电磁转矩波动比较大。 2 1 1 电机本体 电机本体的主要部件有主转子和主定子。它们首先必须满足电磁方面的要求，保证 在工作气隙中产生足够的磁通，电枢绕组允许通过一定的电流，以便产生一定的电磁转 矩。其次要满足机械方面的要求，保证机械机构牢固和稳定，能传送一定的转矩，并能 经受住一定环境条件的考验。此外，还要考虑节约材料、结构简单、紧凑、运行可靠和 温升不超过规定的范围。 ( 1 ) 主定子是电机本体的静止部分。它由导磁的定子铁芯、导电的电枢绕组及固定铁 芯和绕组用的一些零部件、绝缘材料、引出部分等组成，如机壳、绝缘片、槽楔、引出 线及环氧树脂等。 ( 2 ) 主转子是电机本体的转动部分，是产生激磁磁场的部件。它由三部分组成：永磁 体、导磁体和支撑零部件。永磁体和导磁体是产生磁场的核心，系由永磁材料和导磁材 料组成。 2 1 2 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。 ( 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畏9 量转子位置的，有开口变压器、铁磁谐振 电路、接近开关电路等多种种类，在无刷直流电动杌中，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 传感器体积较大，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 ) 光电式位置传感器 光电式位置传感器是利用光电效应，由跟随电动机转子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。 ( 3 ) 磁敏式位置传感器 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周围磁场变化而变 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， 大连理工大学硕士学位论文 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 i 3 开关电路 逆变器主电路有桥式( 图2 2 a ) 和非桥式( 图2 2 b ) 两种。电枢绕组与逆变器联接 形式多种多样，但应用最广泛的是三相星形六状态( 图a ) 。 驱动电路将控制电路的输出信号进行功率放大，并向各开关管送去能使其饱和导通 和可靠关断的驱动信号。 + ( a ) 图2 2 桥式与非桥式逆变电路 f i g2 2b r i d g er e c t i f y i n gc i r c u i ta n dn o n - b r i d g er e 施f y i n gc i r c u i t 2 2 无刷直流电机运行原理 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 3 ， 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 一次，每次换相一个功率管，每一功率管导通1 2 0 电角度。当功率管t i 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t 2 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 4 ( a ) 所示。其大小为3e ( 疋为同样电流在每相绕组产生的磁势大小) ，矢量方向在 f 与- f 的角平分线上。当电机转过6 0 。电角度后，由t l 配换相为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 4 ( b ) 所示，其大小同样为3 最，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5 0 。电角度，但大小始终保持3 只不变。图2 4 ( 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婀旋转磁势，而是个跳跃式的步进磁势。于是在定转子磁势的 相互作用下使转子沿一定方向旋转嘞。 图2 3 星型桥式三相无刷直流电动机原理图 f 塘2 3 - p i ed i a g r a mo f b r u s b 1 e s s - d c - m o t o r ( c ) 图2 4y 连接绕组两两导通时的合成磁势矢量图 f i g2 , 4t h e v e c t o r g r a p ho f y c o n n e c t i o nw h e nt w ot w o w i n d i n g l e a d 2 3 无刷直流电机的数学模型 永磁无刷直流电动机转子采用永磁材料，定子为电枢绕组，其三相绕组在空间上互 差1 2 0 9 度。永磁无刷直流电动机的特征是各相反电动势为梯形波，这就意味着永磁无刷 直流电动机的气隙磁场是非正弦分布的。因此将永磁无刷直流电动机的三相方程变换为 吃方程没有多大的便利，因为屯变换适用于气隙磁场是正弦分布的电动机。而直接利用 永磁无刷直流电动机原有的相变量来建立数学模型却比较方便，可以获得较准确的结果。 假设忽略磁路饱和，不计涡流和磁滞损耗，转子上没有阻尼绕组，永磁体也不起阻尼作 用，则永磁无刷直流电动机的三相绕组的电压方程可以表示为”1 ： 大连理工大学硕士学位论文 蔓 = 言吾兰 匪 + p 芝篓芝 j j ! + 薹 q m 式中，圪、圪、圪分别为三相绕组的相电压 0 、l 分别为三相绕组的相电流 疋、e 、瓦分别为三相绕组的反电势 r 、r 、凡分别为三相绕组的相电阻 l ，为a 相和v 相绕组相间的互感，其他亦然 k 、厶，、三。分别为三相绕组的自感 p 为微分算子 其中各反电势为梯形波。电流为方波。 对于凸装式转子结构，可以忽略凸极效应，因此定子三相绕组的自感为常数，三相 绕组间的互感也为常数，两者都与转子的位置无关。因此设 r = r ，= 凡= r l = = l = l 厶，= k 。= k 。= 厶，= l w ，= m 则电压方程可写为 因为定子三相绕组为y 型连接，且没有中线，则有 可得 十+ i ，= 0 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 。5 ) ( 2 6 ) 1j e e 玩 ，l + 1j 00， 。、。l1，j m m 三膨m三膨肘 -。l p + 1llllj l。， -。l1j 0 o 矗 o r o r o o -。l ； 1，j 吒t 圪 _。，。l m i , + 蛾= m i 基于c p l d 和a v r 无刷直流电机控制器的研究 可将上述关系代入式( 2 5 ) ，电压方程变为 可写成状态方程的形式，即 p 阡 o 三一m 0 电压方程( 2 8 ) 的等效电路如图2 5 所示。 + 圈 黝例 图2 5 永磁无刷直流电动机的等效电路 f i g 2 5r 娜d i z e dc i m u i to f t h eb r u s h l e s six 2m o t o r j 0 - ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ，0 、r一 。埘己州。o l + 、，j k00 l1，j 0 o 足 o r o r 0 0 rl l l 限m o r o r o 0 _。l 一 、j 吒k 匕 仃ii川u 。南 。南。南。 大连理工大学硕士学位论文 2 4 无刷直流电机的转矩脉动及抑制措施 虽然无刷直流电机的调速性能相当优越，但是电机低速时候的转矩波动一直是难以 解决的问题。尤其在要求平滑运行的场合下，这个问题十分令人头痛。因而在无刷直流 电机盼研究和应用过程中，转矩波动的抑制引起了众多研究和广泛关注。 一般说来，转矩脉动的抑制可以通过特殊的电机设计来实现，如增加电机的定子 相数、优化电机的反电势波形、定子斜槽等，也可以通过优化驱动控制策略来实现。 本文主要从电机设计和驱动电路的角度出发，提出合适的抑制转矩脉动的方法。 2 4 1 齿槽对转矩脉动的影晌 当电机处于非工作状态时，即断开电源，此时的电机储能主要是由永磁体产生的。 要使得电机转动，就要克服齿槽转矩的影响。此时。由于f 卸，输入功率为0 ，能量的 转换主要在磁场和力学系统中进行，可得丁= 一笔+ f 罢= 一 d z 炒- l 。- ，其中为电机 口口( 7 口v v 储能。由于一般情况下齿槽转矩的影响不能忽略，从丽也说明了电机储能的变化不能 坡忽略。 对表面磁钢式电机，齿槽转矩是由转子磁钢和定予齿槽共同产生的。将定子齿槽 或者转子磁钢倾斜一定角度，可以减小甚至消除齿槽转矩，斜槽主要用于定子槽数较 多，且轴向较长的电机，而对于槽数较少铁心较短的电机，斜槽的扭角过大，不仅工 艺性差，而且电机的有效转矩将因斜槽而损失过大。转子磁极一般采用多段斜磁钢结 构，将磁钢细分成许多段拼装而成。磁钢倾斜、定子槽不倾斜，与转子磁钢不倾斜、 定子槽倾斜对转矩抑制效果是一致的，可以根据工程实际选择合适的方案。 下面以斜磁极为例来分析其原理，假设磁钢由n 个相同的微段磁钢组成，同时假 设导体由n 个对应的微段导体串联而成，并假设碱钢共倾斜k 个齿距，k 为小于1 的正 实数，每段错开尝f ，f 为齿距，则每个磁钢位置曰下齿槽转矩为n 段齿槽转矩之和： 丁= 专菩巧= i v 舒邓+ 扣 ( 2 1 0 ) 空载时齿槽转矩以6 0 。电角度为周期，具有一定的对称性，对上式分析可以得到 当斜槽或者斜磁极一个齿距时空载转矩脉动为零唧。 基于c p l d 和a v r 无刷直流电机控制嚣的研究 2 4 2 谐波对转矩波动自影响 对于无刷直流电机反电动势与理想波形的偏差，以及定子电流从一相到另一相的 换相引起的转矩脉动，都可能使平均转矩下降，这些都严重影响到速度和位置伺服的 性能，下面对此进行定量的分析： 将无刷直流电机的反电动势表示成傅氏级数，有( 其中，只，岛为反电动势及定 子电 流初始相位角) ： 啪) = 鲁陋鲫n p + 当( s i n 3 q s i n 3 小嘉( s i n 5 q s i i l 5 咖】( 2 1 1 ) 通过a 相的磁链v o ( t ) 与电动势e o ( t ) 具有相同的波形。同理，可以将电流表示为： ( ，) = 专 【c o s 岛c o s 矽+ ；( c 。s 3 岛c 。s 3 回+ ；( c o s 5 0 2 c o s 5 0 ) + 】( 2 1 2 ) ，。j 彳一i ! - 口：卜il 一 e ， 圈2 6 无刷直流电机电流和反电动势波形 f i 9 2 5 b l d c m w a v e f o r c u r r e n t a n d n e g a t i v e - v o l t a g e 已经证明，当反电动势和定子电流有如图2 6 所示的理想波形时，转矩是恒定的， 其大小为2 1 ，它是由所有同次的奇次( 除了3 次和3 次的倍数外) 谐波磁链与谐波电 流相互作用产生的。其中，基波磁链和基波电流产生的恒定转矩为： 乙。= 1 6 【s i n b 咖q f c 。s 易s i n 叫+ s i i l 岛s 砥q f 一争c 。s 岛s 姒q f 一争 大连理工大学硕士学位论文 “n b s 呱q h 孥c 鸱s i n ( o a r 十孥2 q 对于上式，日= 0 2 = 疗6 ，因此 乙l = 2 o n v , 1 , 同理可以计算出5 次和7 次谐波产生的恒定转矩： r 。5 = - 0 0 1 6 0 7 矿p lp r i 。1 = 0 0 0 5 8 5 9 i c p ip ( 2 1 3 ) f 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 可见，恒定转矩主要是由基波磁链和基波电流相互作用后产生的。更高次的同次 谐波间产生的恒定转矩可以忽略不计。不同次谐波磁链和电流间不产生脉动转矩。但 是，在实际电机中，灌入定予绕组的电流不可能是矩形波。这是因为电动机电感限制 了电流的变化率。电流的上升时间取决于电流电压和反电动势间的差值，以及定子绕 组的时间常数( 定子漏感与电阻之比) ，时间常数越大，电流上升时间越长，使基于理 想波形间的偏差越大。可以直线近似表示电流上升或下降曲线，即用梯形波来代替实 际电流波，如图2 7 所示： 0 2 ；一 可。 岛卜m 。i、 图2 7 梯形波定子电流 f i g 2 7t r a l * z i f o r mw a v ef o rs l a t o tc u r r e n t 这个梯形波电流可以表示为 基于c p l d 和a v r 无届4 直流电机控制器的研究 i o ( a ) = 赤【( s 鸲一s i l l 蛐h 唑 ( s m 3 见“n 3 8 3 ) s i n 3 0 + - - 】7 ) 可见，由于( 岛一岛) 的存在使x a t ) 产生了谐波分量，从而引起脉动转矩的产生。 另外，非理想磁链波形对转矩脉动也有影响。图2 7 中假定磁链波水平波顶是1 2 0 。， 实际上，这个角度可能在1 0 0 。1 5 0 。范围内变化。当磁链波水平波顶小于理想的1 2 0 4 对，将会产生脉动转矩。可以用增大或减小鼠，来表示波顶小于或大于1 2 0 。的非理想 电动势波。同样可以通过改交只相对岛的值来表示非理想的电流波。 另外，在无刷直流电机控制系统中，有时利用相电流超前反电动势的去磁特性来 拓宽调速范围。由于相位超前。转矩脉动明显增大，平均转矩大大减小，这是相位超 前的缺点。 总之，无刷直流伺服驱动系统中，实际电流是梯形波而不是方波，磁链波形的恒 定值部分也不一定为1 2 0 。，或者发生电流相位超前，这些都会引起转矩脉动“1 。 2 4 3 电流换向对转矩脉动的影响 电流换相也是引起转矩脉动的主要原因之一，转矩脉动基本频率是电流频率的6 倍，也就是说，转矩脉动起决定作用的是6 次谐波转矩，主要因为电流在每周期内要 进行6 次换相。平均转矩随换相角而变化，换相角度越大，转矩脉动幅值越大。 事实上，我们能将正弦电流灌入永磁同步电机p m s m ，但却不能将方波电流灌入 b l d c 电机。因此，由于电流换相引起的转矩纹波是无法消除的。特别，在低速区b l d c 电机的脉动转矩会引起转速波动，将严重影响系统的性能。如果电机做到磁场分布完全 是方波，或者满足梯形波的理想条件，则可以使转矩脉动最小。实际上，很难做到这一 点，因而在控制系统中必须采取一些有效的措施加以补偿。1 。 2 4 4 抑制转矩脉动的方法 ( 1 ) 斜槽 减小转矩脉动的最常用的方法是定子铁心斜槽。斜槽可以减小转子旋转方向上的 磁阻变化从而抑制齿槽转矩。齿槽转矩在定子一个槽距间大致呈线性变化，对无槽转 子来说，在定子一个槽距间齿槽转矩由峰值变化到零。理论上，斜槽一个定子槽距， 就可以使齿槽转矩减小到零。实际上，即使斜满一个槽距，由于边缘效应和转子不对 称，只能使齿槽转矩抑制在额定转矩的1 左右，而不能完全消除。斜槽还有改善定 子绕组分布的功能。斜槽能减少反电势的高次谐波，使反电势波形更接近正弦。在正 大连理工大学硕士学位论文 弦波电机中，斜槽能减小转矩纹波。在方波电机中，斜槽使梯形波反电势变得平滑从 而使转矩纹波稍微增加。 斜槽是一种简单有效应用广泛的方法。但也有很大缺点。斜槽能使电机平均转矩 减小，使定子结构复杂，使互感增大，杂散损耗增大。对于每极每相下有中等槽数的 电机来说，斜槽能使平均转矩降低几个百分点。然而，对槽数少的电机，斜满一个槽 距将使平均转矩降低很大，因而必须与其它方法一起使用。3 。 ( 2 ) 换相重叠法 对于1 2 0 。供电方式的方波电流系统，力矩是由供电电压和电流决定的。改变电压 不会改变谷点。这些谷点的产生主要是换相引起的。当某相( 例如b 相) 绕组通电切换 到另一相( 例如c 相) 时，b 相绕组电流按如下规律减小到零。 一r + 三瓤。 ( 2 1 8 ) 其中，封为主回路电压足为绕组电阻：i 为绕组电流；三为绕组电感。而c 相 绕组按另一规律上升： 叫= 马+ 三面d ik 。 电流变化情况如图2 8 所示，在抉相时将产生一个力矩谷点。 圈2 8 换相时产生的转矩 f i g 2 8n o r m a l t o r q u ec u r v e 图2 9 采用重叠方法后的转矩脉动 f i g 2 9t o r q u ec u r v e u s i n go v e r l a p p i n gw a y ( 2 1 9 ) 基于c p l d 和a v r 无刷直流电机控制器的研究 为了消除换相时转矩产生的谷点，可以使绕组电流有一个延迟，如图2 9 所示， 即人为的在抉相点产生一个尖峰来抵消谷点。1 。 ( 3 ) p w m 技术 虽然换相重叠法比较简单，但是调试比较困难，因为最佳延迟时间必须通过多次 实验确定；实现困难。p w m 技术是一种比较有效的方法。p w m 技术在换相点附近 产生一个转矩尖峰可以有效的抑制换相时转矩产生的谷点“。 2 5 本章小结 本章从无刷直流电动机的结构组成出发，详尽的分析了无刷直流电机的运行原理，建 立了相应的数学模型。由于无刷直流电机定子电流和转子磁场的非正弦，使得其相互作 用产生的电磁转矩含有谐波转矩，造成了转矩的脉动。由于齿槽与磁钢相互作用，永磁 无刷直流电机齿槽转矩不可忽视，同时电枢反应加剧了转矩的脉动。基于以上分析可以 从电机的设计上考虑，理论证明，采用斜槽可有效抑制波动转矩。换相引起的转矩波动 是无刷直流电机的固有特性，电机设计本身无法避免但可以通过重叠换相法来抑制， 也就是说由于驱动控制带来的问题可以通过改善控制策略来解决。 大连理工大学硕士学位论文 3 基于c p l d 无刷直流电机控制系统的设计 3 1c p l d 芯片介绍 c p l d 是复杂的( c o m p l e x ) p l d ，指那些集成规模大于1 0 0 0 门以上的可编程逻辑器件。 这里所谓的“门”是等效门( e q m v a l e mg a t e ) ，每个门相当于4 只晶体管。( 美国a l t e r a 公司可使用门( u s e a b l eg a t e ) 来衡量可编程逻辑器件的集成规模，每个可使用门约等于 2 只等效门) “。 3 1 1c p l d 的基本结构和发展撅况 c p l d 是在简单( s i m p l e ) 的可编程逻辑器件( s p l d ) 的基础上发展起来的。s p l d 主体是“与阵列”和“或阵列”。前者为若干与门构成的阵列，用来产生逻辑函数的乘 积项；后者为若干或门构成的阵列，由与阵列产生的各乘积项通过或阵歹相加，成为所 需要的逻辑函数输出。由于任何逻辑函数均可用“与或”表达式描述，故此结构可以实 现任意逻辑函数( 组合逻辑电路) 。 随着微电子技术的发展，s p l d 的致命缺点也变的更加突出。一片s p l d 通常只能代 替2 - - 4 片中规模集成电路。但众所周知，在电子系统中采用高集成度的芯片，不仅使系 统体积小，重量轻，功率低，还使得系统的平均失效时间( 寿命) 延长，可靠性提高， 因此尽量采用集成度高的芯片。 c p l d 的集成度在千门，每片以上，其基本结构与g a l ( 通用逻辑阵列) 并无本质的 区别，依然是由与阵列、或阵列、输入缓冲电路，输出宏单元组成。其阵列比o a l 大的 多，但是并非靠简单地增大阵列的输入、输出端口达到，这是因为阵列占用硅片的面积 随着其输入端口数的增加而急剧增加，丽芯片的面积增加不仅使得芯片的成本增大。还 因信号在阵列中的传输延迟加大而影响其的运行速度，所以在c p l d 中，通常将整个逻 辑分为几个区。每个区相当与一个大的g a l 或者数个g a l 的组合，再用总线实现各区 之间的逻辑互连。这里指的总线和计算机中的总线不一样的，在c p l d 中，是需要依靠 编程将某组电路连在总线上，实现它们之间的互连( 此时其他的设备便不能使用此总线) ， 且连好以后就不会改变，除非将编程的内容檫去重编。 除此之外。c p l d 的电路结构与s p l d 相比，一般还有以下的不同： ( 1 ) f o 单元的设置 s p l d 的宏单元与其i o 引脚是直接相连的，一个宏单元对应个f o 引脚。c p l d 的集成规模很大，每片中的宏单元少则数十，多则数千，而其引脚数目目前最大不会超 基于c p l d 和a v r 无刷直流电机控制器的研究 过数百，不可能将每个宏单元都连到引脚上，必定有部分宏单元处于隐埋状态。( 有 些宏单元中的触发器数不止1 个，因此芯片中还有大量的触发器处于隐埋状态，它们不 与外引脚相连，只在芯片内部构成所需的逻辑电路) 。但是在设计时，任何一个宏