（控制科学与工程专业论文）基于dsp的无刷直流电机控制系统研究.pdf

摘要 无刷直流电机是一种集电机和电子一体化的高新技术产品，它不仅具有体 积小、重量轻、效率高、惯量小和控制精度高等优点，同时还保留了普通直流 电动机优良的机械特性。因此，研究具有响应速度快、调节能力强、控制精度 高的无刷直流电动机控制系统具有十分重要的意义。 论文研究了基于d s p 的有位置传感器无刷直流电机( b l d c m ) 控制系统 的设计原理和设计过程，侧重于d s p 技术在b l d c m 控制系统中的具体应用， 搭建了无刷直流电机系统的仿真平台，利用该仿真平台验证系统的控制算法。 首先，本文深入研究了无刷直流电机的基本结构、工作原理、数学模型和 稳态运行特性。分析了无刷直流电机的换相过程，并确定了系统的控制结构、 控制芯片、控制技术及控制策略。为了提高系统的调速性能，控制结构采用了 转速、电流双闭环结构。在控制策略上，针对经典p i d 算法在无刷直流电机调 速中出现的问题，采用模糊p i d 算法，将传统p i d 控制方式与模糊控制相结合， 使系统具有良好的动、静态性能。在此基础上，建立无刷直流电机的数学模型， 搭建其仿真平台，通过实验验证了模糊p 1 d 控制的优越性。 然后，本文对系统硬件进行了设计，包括d s p 外围电路、功率驱动及其逆 变电路、采样检测电路的设计。同时还设计了必要的保护电路( 包括过流保护、 过压保护等) 。采用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 芯片作为控制核心，利用d s p 高速数字运算功能和丰富的外设，整套系统的硬件电路得到了简化。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，达到无 刷直流电机的高精度控制的目的。系统软件采用c 语言编写程序，整个控制系 统软件由主程序、中断子程序组成。主程序完成芯片初始化、变量的初始化等。 服务子程序完成a d 转换、数字p i d 控制、软件换相、p w m 产生等。 最后，在论文结尾对整个设计进行了总结，对后续的工作给出了自己的见解。 关键词：无刷直流电机，p i d ，d s p a b s t r a c t b r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) ，w h i c hh a sm a n yg o o dp e r f o r m a n c e s ，s u c ha s s m a l lv o l u m e ，l i g h t ，e f f i c i e n t ，s m a l li n e r t i aa n dh i g hc o n t r o lp r e c i s i o n ，i sak i n do f m e c h a t r o n i c sp r o d u c t s b l d c mr e s e r v e sm a n ye x c e l l e n tm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s o fd cm o t o r s o ，i ti sv e r ys i g n i f i c a n tt os t u d ys u c hac o n t r o ls y s t e mw i t hq u i c k r e s p o n s e ，p o w e r f u lr e g u l a t i o nc a p a b i l i t ya n dh i g hp r e c i s i o n t h i sd o c u m e n tp r e s e n t st h et h e o r ya n dp r o c e s so ft h ed e s i g nf o ras e r s o rb l d c m u s i n gd s p r e g a r dh o wt os t r u c t u r et h ec o n t r o ls y s t e mw i t hd s pc h i pa st h ec e n t e r i n t h i sp a p e r w es e tu pt h es i m u l a t i o ns y s t e mo fb l d c ma n dv e r i f yt h ec o n t r o l a l g o r i t h mu s i n gt h i ss y s t e m f i r s t l y , t h eb a s i cc o m p o n e n tp a r t s ，t h eb a s i cr u n n i n gp r i n c i p l e ，t h em a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h eb l d c ma r ed e t a i l e da n a l y z e d f o l l o w e d ，t h ec o u r s eo fc h a n g i n gp h a s e i sa l s or e s e a r c h e da n dt h ec o n t r o ls t r u c t u r e ，t e c h n o l o g y , s t r a t e g ya n dc h i pa r c c o n f i r m e d i no r d e rt oi m p r o v et h es p e e d i n gp e r f o r m a n c e , w ea d o p tt h et w o c l o s e d l o o pc o n t r o ls t r a t e g yo fs p e e da n dc u r r e n t i no r d e rt oo v e r c o m et h ep r o b l e m s i nt h ec l a s s i c a lp i da l g o r i t h m ，f u z z y - p i da l g o r i t h mi sp r e s e n t e da n da p p l i e di nt h e d e s i g ns y s t e m f u z z y - p i da l g o r i t h mi n t e g r a t e sc l a s s i c a lp i dc o n t r o lw i n lf u z z y c o n t r o l 。s ot h ec o n t r o ls y s t e mp o s s e s s e sn i c ed y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h es u p e r i o r i t yo ft h ef u z z y - p i dc o n t r 0 1 t h e n , t h eh a r d w a r ec i r c u i ti sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gd s pp e r i p h e r a lc i r c u i t ，p o w e r 航v i n gc i r c u i t , i n v e r t e rc i r c u i ta n dp r o t e c t i o nc i r c u i t t h em c uo fs y s t e mi st h e t m s 3 2 0 f 2 812d s pc h i p i nv i r t u eo fp o w e r f u lp r o c e s s i n gc a p a c i t ya n dp l e n t y p e r i p h e r a l so fd s p , t h eh a r d w a r ec i r c u i ti ss i m p l i f i e d t h es y s t e ma d o p t sm o r e r e a s o n a b l es o f t ：w a r es t r u c t u r e , t h u se n h a n c i n gt h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e ms oa st o a c h i e v eh i g h - p r e c i s i o nc o n t r o lo fb l d c m t h ecp r o g r a mi so f f e r e dh e r e t h e s o f t w a r es t r u c t u r e so ft h ew h o l e d e s i g nc o n t a i nm a i np r o g r a ma n di n t e r r u p tp r o g r a m m a i np r o g r a mf i n i s h e st h ei n i t i a t i o no ft h ec h i pa n dv a r i a b l eo ft h ep r o g r a m t h e i n t e r r u p tp r o g r a mf i n i s h e st h et a s k so fa dt r a n s f o r m ，d i g i t a lp i dc o n t r o l ，t h e c o n v e r t i n go ft h ep h a s ea n dp w mg e n e r a t i n ge t c a tl a s t , s u m m a r i e sf o rt h ew h o l ed e s i g na r eg i v e na n do p t i o n sf o rs u b s e q u e n t i i w o r ka lep u tf o r w a r d k e yw o r d s ：b l d c m ，p i d ，d s p i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。据我所知，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过的研究成果，也不包含为 获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中明确的说 明并表示了谢意。 研究生签名： 耸途 日期；兰殳l q ! 皇：兰q 学位论文使用授权书 本入完全了解武汉理工大学有关保留、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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 一雏硷导师( 签名) ： 武汉理工人学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及选题意义 近年来随着电力电子技术的发展、新型永磁材料的出现，无刷直流电机得 到了快速的发展。无刷直流电机的换相是通过电子换向代替机械电刷和换向器 来实现的，既具备交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备 直流电动机运行效率高、调速性能好等诸多特点，同时还克服了有刷直流电机 由于机械电刷所带来的噪声、火花、寿命短以及无线电干扰等缺点。无刷直流 电机还具有许多独特优点，如体积小、重量轻、输出力矩大、动态性能好、设 计简便等特点，因而其应用遍及各个领域n 吲。 由于电力电子技术、计算机技术和控制理论的快速发展使得电机调速技术 得到迅猛的发展，电机调速的方式也越来越多元化。新的电力电子器件、高性 能的数字集成电路和先进的控制理论的推广及应用，使得电机控制系统所需的 控制部件功能日益完善，使用较少的控制器就能完成所需的控制功能。与此同 时，控制器件也做得更加小巧美观，控制器的可靠性提高而成本却在逐渐降低， 无刷直流电机正在逐渐替代有刷直流电机时1 。随着家用电器的竞争越来越激 烈，消费者对其性能、质量的要求也在不断提高，对电动机提出了低噪声、高 性能、小型化、高效节能、长寿命等要求，这也使得无刷直流电机代替性能差、 效率低的异步电机成为必然。无刷直流电机的发展已经与专用集成电路、大功 率开关器件、计算机技术、稀土永磁材料、新型电机控制理论的发展紧密结合， 充分体现了当今应用科学领域的许多新成果新技术，因而具有广泛的应用前景 以及强大的生命力舯，。 自7 0 年代能源危机爆发后，世界各国的专家都在研究如何提高电机的效 率，而无刷直流电机具有上面介绍的一系列优点，非常适用在对性能、体积重 量要求都较高的场合，如计算机外围设备、办公自动化设备、医疗器械、音像 设备、机器人、新型家用电器、数控机床、航空航天等领域。随着自动化控制 技术的不断发展，实际应用领域对无刷直流电机控制系统的性能提出了更高的 要求。我国是世界上拥有稀土资源最多的国家，因此发展无刷直流电机对我国 武汉理一i ：人学硕士学位论文 具有非常重大的意义碡1 。 无刷直流电动机控制器经历了从分立元件的模拟电路，专用集成电路到以 微型计算机为核心的数模混合控制电路和全数字化控制电路等阶段。从目前的 发展趋势来看，无刷直流电机的控制器将采用以数字信号处理器( d s p ) 为核 心的控制电路。针对电机控制所设计的d s p 芯片由于具有高速的运算速度，片 内集成的模数转换器、数字i o 以及p w m 脉冲发生器等诸多优点，使它们从 硬件机制上能够较好地满足电机控制系统的要求。另外，d s p 强大的事件管理 器可以实时执行一些高精度的复杂控制算法。由此可以看出，基于d s p 的电机 控制系统不仅具有传统单片机控制系统和专用芯片控制系统的优点，同时又克 服了它们各自的缺点。并且，d s p 芯片的成本也在随着电子技术的发展在不断 地降低，目前t i 的c 2 0 0 0 系列芯片的价格已经与普通的单片机的价格不相上下 8 】 o 纵观无刷直流电机的发展与现状，我们可以看到采用以d s p 为核心的数字 控制技术，运用现代控制理论为代表的控制策略，实现数字化、智能化是今后 无刷直流电机控制的发展方向阻1 。 1 2 无刷直流电机的发展概况 无刷直流电机主要由电机本体、功率驱动电路和位置传感器三部分组成， 其控制涉及电机技术、电力电子技术、检测与传感器技术和控制理论技术。因 此，新电子技术、新器件、新材料及新控制方法的出现都将迸一步推动无刷直 流电机的发展和应用。 1 2 1 电力电子及微处理器技术对无刷直流电机发展的影响 ( 1 ) 小型化和集成化 微机电系统( m e m s ) 技术的发展将使电机控制系统朝控制电路和传感器 高度集成化的方向发展，如将电流、电压、速度等信号融合后在进行反馈，可 使无刷直流电机控制系统更加简单而可靠。另外，由于无刷直流电机采用稀土 永磁材料制作转子，转子侧无热源，故电机内部温升较传统直流电机小很多， 使无刷直流电机逆变器控制电路装入电机内部成为可能。逆变器与电机二者融 为一体，使无刷直流电机与电子技术结合得更紧密，产品的附加值更高，整个 2 武汉理工人学硕士学位论文 控制系统也将朝小型化、集成化方向发展。 ( 2 ) 控制器全数字化 无刷直流电机性能的改善和提高，除了与电机转子永磁材料及电子驱动电 路密切相关外，更与其控制器密切相关。因此，也可以从提高电机控制器的性 能着手来提高无刷直流电机控制系统的整体性能。高速微处理器及高密度可编 程逻辑器件技术的出现，为此提供了可行的方案和可靠的保证。例如，在一些 对控制成本和空间要求严格的应用中，增加位置传感器不太实用或无法接受， 而d s p 等芯片固有的高速计算能力正可被用来实现无刷直流电机的无位置传感 器控制。许多硬件工作，如传统的p i d 模拟电路，信号处理电路和逻辑判断电 路等都可以由软件来实现，从而进一步减少了系统硬件电路的体积、提高了系 统的可靠性和效率。另外一些相对复杂的控制算法也可以通过d s p 、c p l d 或 者f p g a 等芯片来实现，这不但可以提高无刷直流电机控制系统的可靠性，也 为其朝接口的通用化和控制的全数字化方向发展提供了坚实的基础。控制器的 全数字化将使系统的硬件结构更加简单，促使柔性控制算法在电机控制中的应 用，同时还易与上层和远程控制系统进行数据传输通信，便于系统故障的监视 和诊断。 ( 3 ) 绿色p w m 控制及其高效化 无刷直流电机控制系统采用双极性功率晶体管驱动时，驱动电路的开关频 率一般在2 - 5 k h z ，该频率范围内引起的噪声在人耳声频范围之内，不利于人的 身心健康。同时，在绕组电感不够大时，绕组电流波形不太平滑、波动较大。 采用m o s f e t 和i g b t 之后，开关频率可达几十千赫兹以上。这样，不论是电 磁噪声还是电流波形都能得到改善。因此，在利用软开关等新技术来降低开关 损耗、增加开关寿命，并保证系统效率不变或提高的前提下，提高驱动电路的 开关频率可实现无刷直流电机系统控制的绿色化p w m 控制。而在器件开关频 率受限条件下，则可采用新的调制模式来提高p w m 调制的工作频率，从而达 到降低无刷直流电机转矩波动，提高系统效率的目的。另外，电机驱动功率管， 尤其是m o s f e t ，在大电流下管压降大，功率管的损耗也大。因此，在允许范 围内，控制时宜选用高电压、低电流功率管或采用高电压、低电流供电方式， 则功率管压降占母线电压的比例会较小，这样可进一步提高系统的效率。 3 武汉理t 人学硕士学位论文 1 2 2 永磁材料对无刷直流电机发展的影晌 我国是稀土元素矿藏大国，有着丰富的资源优势，近年来稀土产品的产量 占世界稀土产品的9 0 以上。特别是第三代稀土永磁材料钕铁硼的磁钢性能不 断提高，为我国无刷直流电机等永磁电机的大规模生产提供了可靠的基础。我 国钕铁硼矿产资源丰富，但是在钕铁硼的生产加工和技术管理等方面还明显落 后于日本等发达国家。可喜的是，北京大学、中科院金属所、钢铁研究总院等 单位在新型稀土永磁材料的研发上已经取得了不错的成绩，相信不久的将来中 国不但会是稀土材料的生产大国，也将成为其加工和应用的强国。 纵观电机发展史，每当出现一种新型的永磁材料，就会使电机的结构和功 能出现新的变革，促进电机的设计理论、计算方法和结构工艺研制水平提高到 一个新的台阶。今后，随着新的永磁材料的继续出现及其性能的进一步提高， 无刷直流电机的理论研究和产品开发将会得到深层次的发展，电机性能会更好， 功能将更完善，其在工业和民用产品中的应用将会更加广泛。采用新型导电和 绝缘材料，从本体上提高无刷直流电机的性能也是今后发展的一个重要的方向。 同时，与材料科学密不可分的黏结永磁、永磁材料定向和充磁等加工工艺技术 也丞须发展。 1 2 3 新型无刷直流电机的开发 在无刷直流电机控制系统中，速度和转矩波动一直是需要进一步解决的问 题，尤其是用于视听设备、航空电器、计算机中的无刷直流电机，更要求其具 有运行平稳、精度高、噪声小能特点。在这些应用场合的电机，大多为小功率、 小尺寸的电机，他们结构紧凑，改动较为困难。为了改进电机的性能，可以利 用遗传算法小生境算法等对电机进行优化设计，通过计算机进行模拟、分析和 比较，研究气隙磁场结构，选择合适的极对数、齿数和槽形尺寸，从而满足功 率、转速和效率等特定要求。目前，已经涌现出多种新型无刷直流电机：无槽 式与无铁芯式无刷直流电机、轴向磁场盘式无刷直流电机和其他类型的无刷直 流电机n 州。总之，从结构上去研究和开发新型电机必然是今后无刷直流电机 发展的方向之一。 4 武汉理r 大学硕士学位论文 1 2 4 先进控制策略的应用 现代工业中对电机性能的要求越来越高，无刷直流电机性能的改善可以通 过电机本体优化设计及电力电子装置的控制来实现，也可以利用各种先进的控 制策略来完成。无刷直流电机控制系统是典型的非线性、多变量耦合系统，传 统的p i d 控制算法简单、易于实现，但不易满足高精度伺服控制系统的控制要 求，很难实现电机的高精度运行。基于现代控制理论和智能控制理论的非线性 控制方法为实现被控系统高质量的动态和稳态性能奠定了基础，在无刷直流电 机控制上得到了充分的应用。模糊控制、神经网络控制、变结构控制、鲁棒控 制、参数自适应控制等多种先进控制策略已被用于无刷直流点的控制n 纠射。这 些控制方法存在的问题是控制相对复杂，实现较困难，但随着数字控制技术的 发展和d s p 处理速度的加快，各种先进控制策略将会被更多地用在无刷直流电 机控制系统中，使控制系统的性能大幅提高。同时在d s p 处理速度一定的情况 下，应着力于控制算法的实用化研究，从而全面推进无刷直流电机控制系统朝 小型化、轻量化、智能化和高效节能的方向发展。 1 3 无刷直流电机控制技术的发展概况 永磁无刷直流电机相对比与传统的永磁直流电机有着更好的动、静态特性， 除此之外，还具有结构简单、运行可靠、易于控制等优点，所以永磁无刷直流 电机的应用领域一直在不断的扩大，现在不仅仅用于军事工业领域，在医疗、 家电、信息以及工业自动化都有着较广泛的应用。永磁无刷直流电机不是单纯 意义上的电子换相的直流电机。而是指具有有刷直流电机外部特性的电子换相 电机。 随着科技的日益进步，自动控制技术、永磁材料以及电力电子技术，特别 是高频、大功率开关器件的迅速发展，使得永磁无刷直流电机以及其控制技术 都有了显著的进步。2 0 世纪3 0 年代，h a r r y n y q u i s t 发表了一篇关于反馈放大 器稳定性的论文，至今控制技术经历了经典控制理论阶段和现代控制理论阶 段。经典控制理论的研究对象是线性单回路系统，现代控制理论的研究对象则 是多变量线性系统。目前，永磁无刷直流电机运用的都是基于线性系统的分析 与设计，并且形成了一套完整的理论体系，取得了一定成就。永磁无刷直流电 机是一个多变量、非线性的系统，然而，在一定的范围和程度上，对永磁无刷 5 武汉理工人学硕士学位论文 电机又是进行线性分析的。对永磁无刷直流电机进行线性化的分析是在对无刷 直流电机控制系统的精度以及性能要求不是很高的场合，或者是在局部线性化 后，还能满足控制要求的场合。 经典的p i d 控制算法的优点为：简单紧凑，运行可靠，并且控制器一般可 以通过模拟电路来进行实现，所以工业以及现场中应用较广。现代控制理论， 比如最优控制、自适应控制等这些控制理论的应用能够更好的提高电机的运行 性能。最近几年，无刷直流电机的控制技术有了显著进步，但是还存在着许多 的挑战，最显著的就是永磁无刷直流电机的非线性特性，并且无刷直流电机的 运动范围较大，所以对于这种运动控制问题不适宜运用线性模型。许多高校以 及工程单位都开始研究基于永磁无刷直流电机的非线性控制理论，从而使研究 推向了一个新的高度。数字信号处理器和可编程逻辑器件技术的不断发展，也 为无刷直流电机的非线性研究提供了控制基础。基于无刷直流电机的 线性和非线性研究已经做到同时进行，并且已经将相平面方法、描述函数方法、 微分几何方法、微分代数方法、滑动模态的变结构控制方法、逆系统方法、模 糊控制方法、神经网络控制方法以及混沌动力学方法等应用于无刷直流电机的 控制中。这其中智能控制，比如矢量控制、模糊控制、模糊算法、专家系统是 研究的热点。目前，智能控制的研究主要有以下几个方向：将经典p i d 控制与 模糊控制相结合，形成f u z z y - p i d 控制；人工神经元网络和模糊控制相结合成 复合控制；人工神经元网络与数字滤波结合成自适应控制。 电动机的d s p 控制系统大都是数字部件和模拟部件组成的混合系统，而全 数字控制系统则是当前发展的方向。在电动机的d s p 控制系统中，通常存在模 拟信号和数字信号，既有连续信号，又有离散信号。例如：电动机的电流和电 压为连续模拟信号，它们经过采样保持后成为离散模拟信号；利用键盘输入的 给定信号是数字信号，绝对编码器检测的位置信号也是数字信号。虽然d s p 有 模数转换接口，但是模数转换需要花费芯片的计算时间，而且d s p 操作运算 时只能识别和处理数字量，只能依次处理，所以d s p 与外界信息传递和处理总 是一个采样过程，电动机的d s p 控制系统也必然是一种离散系统。 传统的数字控制系统一般以单片机作为其控制核心，采用d s p 作为无刷直 流电机的控制核心则有单片机无法比拟的优势：运算速度快、精确度高、存储 量大，并且具有逻辑控制功能以及各种中断处理能力，丰富的数字输入输出端 口，以及电机专用的p w m 输出口。d s p 将这种控制硬件集成在一个芯片之中， 芯片的功能也会随着集成电路技术的不断进步而变得越来越强大。基于d s p 的 6 武汉理工人学硕士学位论文 电机控制主要有以下特点： ( 1 ) d s p 芯片采用哈佛结构或者采用改进的哈佛结构，其数据与程序运用相互 独立的总线结构，从而计算能力有效提高。d s p 芯片具有丰富的逻辑判断功能 以及大容量的存储单元，一些复杂的控制规律，比如参数识别、优化控制、智 能控制等现代控制理论和算法，将能够更容易的应用n 引。 ( 2 ) d s p 的应用使得电机控制器的硬件能够设计得更小，重量也更轻，并且 功耗也下降。 ( 3 ) d s p 的应用使得系统运行的可靠性增强，主要是由于d s p 芯片设计保证 了元器件在额定工作状态下平均无故障时间远远超过分立元器件构成的模拟电 路。 ( 4 ) 数字电路不存在温漂问题，不存在参数变化的影响。内部计算精度很高， 所以被控量可以较大也可以较小。 ( 5 ) d s p 将硬件的统一性和软件的灵活性有效的结合，d s p 电机控制电路硬 件可以统一，比如d s p 控制三相逆变器驱动相应的感应电动机、无刷直流电动 机、永磁同步电动机，他们的硬件结构基本上统一。软件则须根据具体的被控量 的控制规律进行具体编程，并且在不同的工作情况下，可以调试选择更适合的 参数、控制系统结构、控制策略等，从而系统具有很强的灵活性n 副。 1 4 本文的主要工作及结构安排 本文针对d s p 在无刷直流电机控制系统中的应用趋势，通过对多种d s p 芯片进行比较，采用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为控制器，设计了基于d s p 的 无刷直流电机控制系统，实现了对无刷直流电机的速度控制。整个控制系统采 用转速电流双闭环控制，针对传统p i d 算法的不足，提出模糊p i d 算法，提高 系统的动静态性能。全文分为6 章，内容安排如下： 第l 章主要叙述了无刷直流电机的发展趋势、无刷直流电机的控制技术、 研究背景及意义。 第2 章首先介绍了无刷直流电机的基本结构和工作原理，然后给出了常见 的无刷直流电机的数学模型及其推导过程，在此基础上对无刷直流电机的稳态 特性进行了详细分析。 第3 章对本控制系统的总体结构和设计进行介绍。主要包括控制系统的整 体方案，控制芯片，控制技术以及控制策略的选择。 7 武汉理t 大学硕士学位论文 第4 章对控制系统的硬件电路进行设计，包括d s p 最小系统、功率驱动电 路、采样检测电路、保护电路等的设计，并对各个部分进行了详细的分析。 第5 章以t i 公司的c c s 开发环境为开发工具，对整个控制系统的软件部 分进行了设计。 第6 章总结与展望，总结了本文的主要工作，展望了以后工作的研究方向。 8 武汉理工人学硕士学位论文 第2 章无刷直流电机的工作原理和数学模型 无刷直流电机由于用电子转向装置取代了直流电机的换向器，使得直流电 机的换向问题得以解决，与此同时它还保留了直流电机的良好特性。无刷直流 电机既具有直流电机调速性能好、起动转矩大的优点，又具有交流电机结构简 单、运行可靠、维护方便的优点n 6 1 。近年来，随着电力电子技术、永磁材料和 计算机控制技术的发展，出现了各种各样结构各异的永磁无刷直流电动机，具 有广阔的应用前景和强大的生命力。永磁无刷直流电机具有高效、高功率密度、 高可靠性的特点，在国民经济的各个领域，如电动车、医疗器械、仪器仪表、 工业自动化、精密电子仪器与设备、航空航天等方面的应用日益广泛。 2 1 无刷直流电机的基本结构 无刷直流电机的设计思想来源于利用电子开关电路代替有刷直流电机的机 械换向器。普通有刷直流电机由于电刷的换向作用，使得电枢磁场和主磁场的 方向在电机运行的过程中始终保持相互垂直，这样能够产生最大的转矩，从而 驱动电机不停地运转下去。无刷直流电机取消电刷实现了无机械接触换相，做 成“倒装式直流电机 的结构，将电枢绕组和永磁磁钢分别放在定子和转子侧。 无刷直流电机必须具有由控制电路、功率逆变桥和转子位置传感器共同组成的 换相装置以实现电机速度和方向的控制n7 1 。因此，可以认为无刷直流电机是典 型的机电一体化器件，其基本结构由电动机本体、驱动控制电路及转子位置传 感器三部分组成，如图2 1 所示。 l 直流电源卜_ 一叫驱动控制电路卜一电动机本体卜 | 器卜 图2 - 1 无刷直流电机的构成 9 转矩输出 武汉理工人学硕十学位论文 2 1 1 电动机本体 无刷直流电机本体在结构上和永磁同步电机类似，主要由电枢绕组的定子 和带永磁极的转子组成。无刷直流电机的定子结构与感应电机或普通同步电机 类似。铁心中嵌有单相或多相对称绕组，电枢绕组可以接成y 型或型。但出 于对系统性能和成本的考虑，目前应用比较广泛的是电枢绕组y 接、三相对称 且无中性点引出的无刷直流电机。无刷直流电机的电枢绕组在定子侧，这样利 于常用的内转子无刷直流电机散热。无刷直流电机的转子由一定极对数的永磁 体镶嵌在铁心表面或者嵌入铁心内部构成。目前永磁体多采用钕铁硼等高矫顽 力、高剩磁感应密度的稀土永磁材料制作而成。无刷直流电机转子的永久磁钢 与有刷电机中所用的永久磁钢作用类似，都是在电机气隙中建立足够的磁场， 不同之处在于无刷直流电机的永久磁钢装在转子上，而有刷电机的磁钢装在定 子上。 2 1 2 转子位置传感器 转子位置传感器是无刷直流电机的重要组成部分，它的作用是检测转子磁 极的位置、为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁极的位置信号转 换成电信号，然后去控制定子绕组换相，使电机电枢绕组中的电流随着转子位 置的变化按一定次序换相，通过气隙形成步进式旋转磁场，驱动永磁转子连续 不断地旋转。 位置传感器的种类很多，并且都各具特点。目前在无刷直流电机中应用较 多的位置传感器主要有磁敏式、电磁式、光电式等n 阳。霍尔位置传感器是磁敏 式位置传感器的一种，由于其体积小，使用方便并且价格低廉，故无刷直流电 机控制系统中一般将其作为转子位置检测装置。 2 1 3 驱动控制电路 驱动控制电路的功能是将霍尔位置传感器检测到的转子位置信号首先进行 处理，然后按一定的逻辑代码输出，以此触发功率开关。因为驱动控制电路的 导通顺序和转子转角同步，所以该控制电路起到了机械电刷和换向器的换向作 用。因此，无刷直流电机就其基本结构而言，可以认为是由位置传感器、驱动 控制电路以及永磁式同步电动机共同所组成的闭环系统。驱动控制电路由功率 1 0 武汉理t 大学硕+ 学位论文 控制丌关单元和位置传感器信号处理单元组成，用来控制电机定子上各相绕组 通电时间和顺序。功率控制开关单元是控制电路的核心部分，它的作用是将电 源的功率按一定逻辑关系分配给电机定子上的各相绕组，使电机产生连续不断 的转矩n 引。而各相绕组导通的时间和顺序则取决于位置传感器的信号。早期的 无刷直流电机的换向器大多由晶闸管构成，但是其关断要通过反电动势或电流 过零才能完成，并且由于晶闸管较低的开关频率，逆变器只能在较低的频率范 围内工作。随着新型可关断全控型器件的不断发展，i g b t 或功率m o s f e t 具 有控制容易、可靠性高、开关频率高等诸多优点，故在中小功率的电动机驱动 控制电路中应用较多咖1 。 2 2 无刷直流电机的工作原理 普通直流电机的电枢在转子上，而定子产生固定不变的磁场。为了使直流 电机旋转，需要通过换相器和电刷不断地改变电枢绕组中电流的方向，使两个 磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转啪1 。 无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上，而转子做成永磁体， 这样的结构正好与普通直流电动机相反。然而即便是这样的改变仍然不够，因 为直流电通入定子上的电枢以后，产生的不变磁场还是不能使电动机转动起来。 为了达到使电动机的转子旋转的目的，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通 电，这样才能使定子磁场随着转子位置的不断变化，使定子磁场与转子永磁磁 场始终保持9 0 0 左右的空间角，产生转矩推动转子旋转船。 为了详细说明无刷直流电机的工作原理，下面以三相无刷直流电机为例， 来分析它的转动过程。 图2 - 2 无刷直流电机原理图 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 2 是三相无刷直流电机的工作原理图。采用光电式位置传感器，电子 开关电路为半桥式驱动。电动机的定子绕组分为a 相、b 相、c 相，采用星行 连接。因此光电式位置传感器上也有三个光敏接受元件v 。、v b 、v c 与之对应。 三个光敏接受元件在空间上间隔1 2 0 0 ，分别控制三个开关管v 1 、v 2 、v 3 ，该 开关管控制对应相绕组的通电与断电。遮光板安装在转子上，安装的位置与图 中转子的位置相对应，并随着转子一同旋转，遮光板的透光部分分别占1 2 0 0 。 为了简化，转子只有一对磁极。 当转子处于图2 - 3 ( a ) 所示的位置时，遮光板遮住光敏接收元件v b 、v c ， 只有v a 可以透光。因此v a 输出高电平使开关管v l 导通，a 相绕组通电，而 b 、c 两相处于断电状态。a 相绕组通电使定子产生的磁场与转子的永磁磁场相 互作用，产生的转矩推动转子逆时针转动。当转子转到图2 - 3 ( b ) 的位置时， 遮光板遮住v a ，并使v b 透光。因此v 。输出低电平使开关管v l 截止，a 相断 电。同时v b 输出高电平使开关管v 2 导通，b 相通电，c 相状态不变。这样由 于通电相发生了变化，使定子磁场方向也发生了变化，与转子永磁磁场相互作 用，仍然会产生与前面过程同样大的转矩，推动转子继续逆时针转动。当转子 转到图2 3 ( c ) 的位置时，遮光板遮住v b ，同时使v c 透光。因此，b 相断电， c 相通电，定子磁场方向又发生变化，继续推动转子转到图2 - 3 ( d ) 的位置， 转子转过一周又回到原来位置。如此循环下去，电动机就转动起来了。 ( a ) 1 2 武汉理工人学硕士学位论文 ( c )( d ) 图2 - 3 通电绕组与转子位置关系 上面所述的过程可以看成是按一定次序换相通电的过程，或者说是磁场旋 转的过程。在换相的过程中，定子各绕组在工作气隙中形成跳跃式运动的旋转 磁场。该旋转磁场在一周内有三种磁状态，每个状态都要持续1 2 0 。，它们跟 踪转子并且与转子的磁场相互作用，产生推动转子持续旋转的转矩啪1 。 2 3 无刷直流电机的数学模型 由于无刷直流电动机的特性是绕组反电势为梯形波，所以定子与转子间的 互感是非正弦的。因为d 、q 方程适用于气隙磁场为正弦分布的电动机，因此将 无刷直流电机的三相方程变换为d 、q 方程是比较困难的。另外如果将电感表示 为级数形式并且采用多参考坐标轴理论，虽然此方法可以进行坐标变化，但是 在计算上比较繁琐；如果仅仅是取基波进行变换，那么计算结构又存在着较大 的误差。所以，采用电机原有的相变量进行时域状态方程和电机数学模型则比 较方便，并且能够获得比较理想的结果。 为满足一般工程的应用，便于分析，现作如下假设一1 ： ( 1 ) 完全对称的定子三相绕组，空间互差1 2 0 。电角度，参数相同； ( 2 ) 不计电枢反应，气隙磁场分布近似认为是平项宽度为1 2 0 。电角度的梯形 波； ( 3 ) 忽略齿槽效应，电枢导体连续均匀分布于电枢表面： ( 4 ) 驱动系统逆变电路的功率管和续流二极管均具有理想的开关特性； ( 5 ) 忽略电机铁心饱和，不计涡流损耗和磁滞损耗。 由于无刷直流电机在运行的过程中，通过每相绕组的电流不是持续不变的， 故由该电流和转子共同作用所产生的转矩，以及各相绕组上的感应电势也都不 1 3 武汉理工人学硕士学位论文 是持续不变的。因此，下面所提到的转矩和反电势都是平均值的概念。有了上 面的假设，再依据无刷直流电机的特性，便可以建立其电压方程、转矩方程以 及等效电路结构。 2 3 1 电压方程 u ：尺f + 三军+ e ( 2 一1 ) d f 毫 = 言吾主 差 + 丢 乏乏二b 主圣 兰 + 主 + 三三 ( 2 2 ， 塞 = 莒吾墨 芝 + 尸 l m 三 - 三三二 茎 + 三 + 爱 c 2 3 ， 1 4 武汉理下大学硕+ 学位论文 2 3 2 转矩方程 z 屯 “5 “f 图2 - 4 无刷直流电机绕组等效图 无刷直流电机的电磁转矩方程与普通直流电动机相似，其电磁转矩大小与 磁通和电流幅值成正比： 互2 - 1 1 - ! - e b i b + 训( 2 - 4 ) 从( 2 - 4 ) 式可以看出，电机在调速的过程中，通过控制电枢电流便能控制 电磁转矩，从而达到调节转速的目的。在转子位置一样的情况下，改变功率开 关器件的逻辑状态，产生反向的电枢绕组电流，就能够得到反方向的电磁转矩。 由于任何时刻定子都只有两相导通，所以， 电磁功率为： e i o + e b i b + e o i c = 2 e ( 2 5 ) 电磁转矩为： z = 缈= 2 e j 砬, ( 2 6 ) 2 3 3 运动方程 无刷直流电机的运动方程为： 互一互- g a ) = j d 出攻j = 肋 ( 2 7 ) ( 2 7 ) 式中：z 为电磁转矩；互为负载转矩：b 为阻尼系数；缈为f 9 9 1 机械转速；j 为电机的转动惯量。 1 5 武汉理工大学硕十学位论文 2 3 4 传递函数 为了更好地分析无刷直流电动机的特性，实现良好的控制效果，还需要推 导出无刷直流电机的传递函数。 在此先定义下列系数： 反电势系数为疋= 兰( 2 - 8 ) 转矩系数为峰= 等 ( 2 9 ) 其中，j 为矩形波电流的平均值，兀为电磁平均转矩。对于个体的无刷直 流电动机，反电势系数和转矩系数一般为常数，其值与主电路的接法以及功率 管的换相方式有关。 假设各相绕组对称并且忽略相应的时间常数，由此可以得到电机的电压平 衡方程： u 一u = e + 豫 ( 2 - 1 0 ) 将式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 代入到( 2 1 0 ) ，由此可以得到机械特性方程为： ：u - a u 一土z(211)n= l z k ck t k t 式中：刀为电机的转速，u 为电源电压，a u 为功率管压降，尺为无刷直流电 机的内阻。 由于电机采用的是两两导通的方式，所以两相通电绕组的电压方程为： = u 一u = e + f 尺+ 犯一肘) 。石d i ( 2 1 2 ) 将式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 、( 2 9 ) 、( 2 1 2 ) 进行拉普拉斯变换可得： 互( s ) 一互( s ) = j s o ) + 召o ) ( 2 1 3 ) e ( s ) = k 行( s ) 乏= k r i ( s ) “d ( s ) = e ( s ) + 尺j ( j ) + ( 一必) j i ( s ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 由上面的关系式可得无刷直流电动机的动态结构图，如图2 - 5 所示： 1 6 武汉理工人学硕士学位论文 互( s ) 图2 5 无刷直流电机的动态结构图 分别考虑无刷直流电机在端电压( 负载转矩为零) 和负载转矩( 端电压为 零) 输入时的转速输出，可得无刷直流电机在输入端电压和负载时的传递函数 分别为： 鬻= 而酮而g t ( l - m ) sr + b ( l - m 面s + 丽( b r + k 。k r 舰= 。) 浯 ( s ) ， 2 + 1 ，) i) 八 一 鬻=币j丙丽-r+(l再-m可)s币蕊砑“=。)(2-18)j m ) s jr + b ( lm z 吒( s )( 三一2 + i 一 ) i s + ( b r + k k 7 ) 。、4 7 假设：q 。= 。( s ) 蚴( s ) ，= ：( s ) 互( s ) ，则可得到电机转速输出为： ( s ) = 绒。( s ) + 2 ( s ) = 瓯( s ) ( s ) + 吒( s ) 互( j ) ( 2 1 9 ) 在上述传递函数中，电动机的输入量为q ) ，输出量为机械角速度r o ( s ) ， 而对于负载转矩互，( 5 ) 则作为系统外部的干扰量来考虑。 2 4 无刷直流电机稳态运行特性 2 4 1 工作特性 工作特性是指在直流母线电压叻不变的情况下，电枢电流、电机效率和输 出转矩之间的关系。由于电枢电流随负载转矩的增大而增大，这样电磁转矩才 能平衡负载转矩，保证电机平稳运行。 电机输入功率为 1 7 武汉理工人! 学硕士学位论文 0 = ，2 乞，2 3 z - - 至o - k 。n i + w ( 2 2 0 ) 即 露= p c + + p r ( 2 2 1 ) 式中：刀一电机转速； 儿一绕组线电阻； 忽一线反电势系数： u 一逆变桥功率器件管压降； ，一电枢电流； 凡一电枢绕组的铜耗，凡= r d 2 ； 只一电磁功率； p r 逆变桥功率器件的损耗，p r = a u i ，其大小和电力电子器件特性以 及门极( 栅极) 驱动电压有关，可以近似认为不变。 可见，电机的输入功率由电磁功率只和损耗凡+ p t