（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的无刷直流电机控制系统研究(1).pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y t h eb l u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) h a sb e e n q u i c k l yd e v e l o p e d i th a sn o to n l y s o m ev i r t u e so fd cm o t o r ，b u ta l s ot h em e r i t so fa cm o t o r s m o r e o v e r , i th a su n i q u e c h a r a c t e r i s t i c st h a no t h e r s ，s u c ha s h i g he f f i c i e n c ya n dg o o dc o n t r o l l a b i l i t y a tp r e s e n t ， b l d c mh a sb e e n a p p l i e d t ot h e i n d u s t r y a r e a w i d e l y , e s p e c i a l l y i n s p e e d v a r i a b l e a p p l i c a t i o n sa n d s e r v os y s t e m s t h e p a p e rh a sd e d u c e d t h em a t h e m a t i cm o d e la n dt h ed y n a m i cd i a g r a mo fb l d c m m a n yc o n t r o ls t r a t e g i e s a r ec o n c e r n e d ，e s p e c i a l l yi n e m p h a s i z i n gt h ed o u b l e c l o s e l o o p c o n t r o ls t r a t e g y 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 ir e g u l a t o r s - - c o n v e n t i o n a lp i ，i n t e g r a l s e p a r a t e dp ia n dn e r v ec e l la d a p t i v ep i a r ed i s c u s s e d t h e i rs i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e n i nt h ee n d ，an e wr o t o rp o s i t i o ne s t i m a t i o na l g o r i t h mu s e dk a l m a nf i l t e ri sp r o p o s e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l ti sa l s op r e s e n t e d an e wd s p b a s e d s p e e d - c o n t r o ls o l u t i o ni s p u t f o r w a r df o rb l d c m i ta d o p t s t i m e - s h a r e d c u r r e n t f e e d b a c kt e c h n i q u e t oe x c h a n g er e a l t i m ed a t aw i t hu p p e rm a c h i n e ， t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o ni sa l s o d e s i g n e d i na d d i t i o n ，p r e c i s i o n o fs p e e d m e a s u r e m e n ti sd i s c u s s e d f i n a l l y , t h er e l i a b i l i t yi sd i s t i n c t l ye x p o u n d e d t h ee x p e r i m e n t a l s e t u pi sa c c o m p l i s h e d ，i n c l u d i n g h a r d w a r ea n ds o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tp w m m e t h o d s ，t h r e eg r o u p so fe x p e r i m e n t sa r ed o n et h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa b o u tt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si sg i v e no u t a n da l s o ，an e wm o d u l a t i o n s o l u t i o n 一3 0 u p w m s t r a t e g y - - i sp r o p o s e d t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t ss h o wt h ep r o p o s e ds p e e dc o n t r o ls o l u t i o nf o rb l d c m i sf e a s i b l e i th a se x c e l l e n to p e r a t i o np e r f o r m a n c ea sw e l la sh i g hr e l i a b i l i t y , d e b u g g i n g e a s i l y , a c o u s t i cn o i s er e d u c i n g a n dc o n v e n i e n c ef o r u p g r a d e i tp r o v i d e st h eg o o db a s i sa n d u s e f u 】r 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 cm o t o r ，s p e e dc o n t r o ls y s t e m ，d s p , n e r v ec e l la d a p t i v ep i ， k a l m a n f i l t e r , r e l i a b i l i t y , 3 0 0p w ms t r a t e g y 华中科技大学硕士学位论文 1 绪言 1 1 无刷直流电机特点与应用概述 1 1 1 无刷直流电机的特点 有刷直流电机以其优良的机械、控制特性在运动控制领域曾经得到了广泛的应 用，但机械电刷是其致命弱点。在1 9 1 7 年，b o l i g e r 提出了应用整流管代替有刷直流 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电刷 的专利，标志着现代无刷直流电机的诞生。 无刷直流电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，转子上放置永久磁钢。无刷直流电机的 电枢绕组像交流电机的绕组样，采用多相形式，经由逆变器接到直流电源上。定子 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( 在方波电流驱动时，电枢磁势的轴线是脉动的，会在转子铁心 内产生一定的铁损) 。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。 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i 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 列出了工业上常用的几种驱动电机，其中， 无刷直流电机效率最高。 表1 - 1 工业常用电机性能对比【1 i - t 3 1 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 窒太 交流异 软小难较差 较 小易长大低低 步电机大 有刷直 硬大易较好大严重难短 较较较 流电机小高高 无刷直 硬大易好小小易长小高 较 流电机高 从表1 1 中，也可以看出，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 ，1 2 无刷直流电机的应用分类 1 1 2 1 定速驱动机械 一般工业场合不需要调速的领域以往大多是采用三相或单相交流异步和同步电 机。随着电力电子技术的进步，在功率不大于l o k w 且连续运行的情况下，为了减少 体积，节省材料，提高效率和降低能耗，越来越多的电机正被无刷直流电机逐步取代， 这类应用有自动门、电梯、水泵、风机等。而在功率较大的场合，由于一次成本和投 资较大，除了永磁电机外还要增加驱动器，因此目前较少有应用。 1 1 2 2 调速驱动机械 速度需要任意设定和调节，但控制精度要求不高的调速系统分为两种。一种是开 环调速系统，另一种是闭环调速系统( 此时的速度反馈器件多采用低分辨率的脉冲编 码器或交、直流测速等) 。通常采用的电机主要有三种：直流电机、交流异步电机和 无刷直流电机。这在包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械和交 通车辆中有大量应用【0 3 1 。 调速应用领域最初用得最多的是直流电机，随着交流调速技术特别是电力电子技 2 华中科技大学硕士学位论文 ! ! ! ! ! m 一 i i m l n i _ - l _ _ _ _ _ _ - - _ - - 术和控制技术的发展，交流变频技术获得了广泛应用，变频器和交流电动机迅速渗透 到原来直流调速系统的绝大多数应用领域。近几年来，由于无刷直流电机体积小、重 量小和高效节能等一系列的优点，中小功率的交流变频系统正逐步为无刷直流电机系 统所取代，特别是在纺织机械、印刷机械等原来应用变频系统较多的领域，而在一些 直接由电池供电的直流电机应用领域，则更多的由无刷直流电机所取代。 1 1 2 3 精密控制 伺服电动机在工业自动化领域的高精度控制中扮演了一个十分重要的角色，应用 场合不同，对伺服电动机的控制性能要求也不尽相同，在实际应用中，伺服电动机有 各种不同的控制形式：转矩控f # t j 电流控制、速度控制、位置控制。无刷直流电机由于 其良好的控制性能，在高速、高精度定位系统中逐步取代了直流电机与步进电机，成 为其首选的伺服电机之一。目前，扫描仪、摄影机、c d 唱机驱动、医疗诊断c t 、计 算机硬盘驱动及数控车床驱动中等都广泛采用了无刷直流电机伺服系统用于精密控 制l o l l 。 1 1 2 4 其他应用 家用电器、大型同步电机启动等。 1 2 无刷直流电机技术发展概况 无刷直流电机的发展与电机的制造工艺、电力电子技术以及控制理论与技术的进 步息息相关，下面详细介绍了这些方面的发展概况 1 2 1 电机制造工艺发展概况 高效率是无刷直流电机制造工艺的永恒追求，在具体的应用中，根据不同场合， 还有很多要求，例如体积小、重量轻等，这些要求都和磁性材料的发展紧密联系在一 起m 】。发展最早的磁性材料是铝镍钴，这种材料磁能积低，合金中含钴，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。再后来是钐钴合金，这种磁性材料很快将 传统磁能积数值提高数倍，但合金元素钐价格昂贵，而且是战略控制物资，比黄金贵 3 华中科技大学硕士学位论文 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。 无刷直流电机，应该进一步改进的问题中首先是转矩脉动，尤其是用于视听设备、 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。为此，应采用计 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。 为了满足各种不同需要，也应该开发各种不同类型的无刷直流电机。如无槽电机、 盘式电机、力矩电机等。 1 2 2 电力电子技术发展 既况 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施可靠的换流，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1 0 5 】一【0 7 】。 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 t o ) 、大功率 晶体管( g t r ) 、功率场效应晶体管( m 0 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0 5 卜【0 7 1 。但这些器件本身也存在缺点，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；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， 警 另外开关速度慢，影响了逆变器的工作频率和输出波形。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。 八十年代中期发展起来的种新型复合器件绝缘栅双极晶体管l o ”( 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 的优点与一身，具有电 4 华中科技大学硕士学位论文 压性控制，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 o b t 模块的生产水平已 达1 7 0 0 v 4 0 0 a ，研制水平达2 0 0 0 v 1 0 0 0 a ，它的出现正将调速系统的性能提高到一 个新的水平。 集成门极换向晶闸管0 7 】( i g c t ) 是在g t o 的基础上发展起来的，在g t o 结构 里引入缓冲层和透明发射极，实现了开通时相当于晶闸管，关断时相当于晶体管，有 效地协调了通态电压和阻断电压的矛盾。i g c t 的商品化水平是4 0 0 0 a 4 5 0 0 v 和 18 0 0 a 5 5 0 0 v ，工作频率可达几千赫兹。 电子注入增强栅晶体管【o7 l ( i e g t ) 兼有i g b t 和g t o 两者的某些优点：低的饱 和压降，宽的安全工作区( 吸收回路容量仅为g t o 的1 1 0 左右) ，低的栅极驱动功率 ( 比g t o 低2 个数量级) 和较高的工作频率。加之该器件采用了平板压接式电极引 出结构，可望有较高的可靠性，较好地解决了大电流、高耐压的矛盾。目前该器件已 达到4 5 0 0 v 1 0 0 0 a 的水平。 m o s 门极控制晶闸管【o7 】( 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( b r d 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。 目前，发达国家正在向第三代功率半导体器件功率集成电路( p i c ) 发展进 军。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。这种器件的应用，将会使装置性能、可靠性得到进一步提高。 5 华中科技大学硕士学位论文 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! ! ! 竺! 竺烹! ! 苎! 烹1 11 1 1 1 1 1 竺竺竺! 曼! ! 鼍! ! 1 2 3 控制技术发展概况 控制技术的发展与微处理器的发展息息相关，可以说每一次微处理器的进步都推 动了控制技术的一次飞跃。 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，技术的进步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， 使系统的可靠性和智能化水平大大提高。全数字系统简化了硬件，缩小了装置体积， 消除了温度变化的影响，升级换代容易，控制精度提高，重复性好。 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 1 6 位单片机，在高速、高精度调速系统中，这种单片机已经不能满足要求。象实现模 型参考自适应控制和卡尔曼滤波这样复杂的算法需要更高速的微处理器。一种新型的 微处理器数字信号处理器( 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【0 8 卜 1 l 】。目前，具有代表性的d s p 是 美国t i 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；模型参考自适应控制，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；具有状态估计功能的卡尔曼滤波器可以获得 ： 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；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；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l o s 】。 6 华中科技大学硕士学位论文 1 3 课题意义及本文主要工作 1 3 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，如清华大学、 浙江大学、南京航天航空大学、华中理工大学( 现华中科技大学) 、哈尔滨工业大学、 中科院电工所、西安微电机所、兰州电机厂等单位，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。 由于无刷直流电机在工业上的应用越来越普遍，它的进一步推广将显著的提高我 国的能源利用水平，改变我国高污染，低效率的能源利用状况。我国是一个稀土资源 极为丰富的国家( 占世界稀土资源总量的6 0 以上) ，充分利用我国的资源优势。弥 补我们在能源利用水平上的差距，将是一件很有意义的工作。 1 3 2 本文所做的主要工作 ( 1 ) 分析了永磁无刷直流电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，建立了相应的控制方案； ( 3 ) 将改进的p i 控制策略用于无刷直流电机的数字控制中，另外提出了应用 k a l m a n 滤波器的转子位置估计方法，并进行了理论分析和仿真研究； ( 3 ) 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，比较了分别采用常规p i 、积分 分离p i 以及神经元自适应p i 的控制效果。 ( 4 ) 设计并制作了系统的控制部分硬件电路，完成了基于t m s 3 2 0 f 2 4 0 的软件 设计，讨论了可靠性问题； ( 5 ) 针对试验结果，分析各种调制方式的优缺点，提出了采用3 0 0 p w m 进行控 制的方案。 7 华中科技大学硕士学位论文 本章小结 本章简要介绍了无刷直流电机的特点及在工业上的应用；对于无刷直流电机，它 的发展与电机的制造工艺、电力电子技术以及控制理论与技术的进步息息相关，本章 着重介绍了这些方面的发展概况；另外，对课题意义及本文工作做了介绍。 8 华中科技大学硕士学位论文 2 1 电机结构概述 2 无刷直流电机基本原理 图2 1 无刷直流电机结构原理图 如图2 - 1 ，永磁无刷直流电 机( 简称b l d c m ) 主要由永磁 电动机本体、逆变器和转子位置 传感器组成。 2 1 1 电动机本体 电动机本体与永磁同步电机( p m s m ) 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，一般制成多相( 三相、四相、五相不等) ，转子由永 久磁钢按定极对数( 2 p = 2 、4 、6 、) 组成。对于正弦波b l d c m ，希望在绕组 中获得正弦波形式的反电势，其绕组形式采用短距、分布或分数形式，以尽可能地削 弱其它次谐波，从而保留基波。方波b l d c m 则希望在定子绕组中获得顶宽为1 2 0 0 的 方波或梯形波，因而绕组形式往往采用整距、集中或接近整距、集中的形式，以便保 留磁密中的其它谐波。 b l d c m 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 子结构和线性结构等新型结构形式。伴随着新型永磁材料钕铁硼( n d f e b ) 的实用化， 电机转子结构越来越多样化，使b l d c m 正朝着高出力、高精度、微型化和耐环境等 多种用途发展。 21 2 转子位置传感器 在b l d c m 中，位置传感器与电动机同轴安装，起着测定转子位置的作用，为逆 变器提供正确的换相信息。由于逆变器的导通次序是与转子转角同步的，因而与逆变 9 华中科技大学硕士学位论文 器一起，起着与有刷直流电机的机械换相器和电刷相类似的作用。位置传感器种类较 多，特点各异。 2 1 2 1 电磁式位置传感器 电磁式位置传感器是利用电磁效应来测量转子位置的，有开口变压器、铁磁谐振 一 电路、接近开关电路等多种类型。在b l d c m 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 1 2 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 定不动的光源等部件组成。有绝对式编码器和增量式编码器之分，增量式编码器精度 很高，多用于精密控制中，价格昂贵，且需要附加初始位置定位装置：绝对式编码器 价格低廉，不需要初始定位，但精度不高，可用于一般的速度控制中。总之，光电式 位置传感器性能比较稳定，体积小、重量轻，但对环境要求较高。 2 1 2 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。其基本原理是霍耳效应和磁阻效应。目前，常见的磁敏式传感器 由霍耳元件或霍耳集成电路、磁敏电阻和磁敏二极管等。世界上第一台b l d c m 的位 置传感器用的就是用霍耳元件。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， b l d c m 中采用的还很少。 2 1 3 逆变器 逆变器将直流电转换成交流电向电机供电，与一般逆变器不同，它的输出频率不 是独立调节的，而受控于转子位置信号，是一个“自控式逆变器”。b l d c m 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b l d c m 的重要优点之一。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 4 本文采用电机的额定参数 本文所采用的电机是一台三相稀土永磁无刷直流电机，其三相绕组采用星型无中 性点引出接法，极数2 p 。= 6 。电机采用内定子、外转子结构，由于合理地选择了斜磁 钢和磁极宽度对槽距的比例，适当地降低了转矩脉动。 单机额定功率r = 6 k w ，最大功率= 2 5 k w ，额定电压u = 1 2 0 v ，额定电 流，= 4 8 5 a ，最高转速 一= 1 0 0 0 转份，效率r = 9 2 。 2 2 无刷直流电机的运行原理 现以三相y 连接全控桥两 两导通方式，说明无刷直流电机 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 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 0 电角度，各 图2 - 2三相全控桥两两通电电路 功率管的导通顺序是t l t 2 一 t 2 t 3 一t 3 t 4 - - t 4 t 5 一t 5 t 6 一t 6 t 1 - - t 1 t 2 。当功率管t 1 t 2 导通时，电流从 t 1 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 - 3 ( a ) 所示，其大小为3 e ( e 为同样电流在每相绕组产生的磁势大小) ，矢量方向 在e 与一只的角平分线上。当电机转过6 0 0 电角度后。由t 1 t 2 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4 3 6 ，但合成磁势矢量方向已经转过了6 0 0 电角度。而 华中科技大学硕士学位论文 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，但大小始终保持以e 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【1 4 】。 图2 - 3y 连接绕组两两导通时的合成磁势失量图 改变逆变器功率开关的导通顺序，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 和有刷直流电机一样，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，转予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”，但是瞬时速度却是有差别的，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除了平均转矩外，还有脉动分量。b l d c m 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。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 3 数学模型 b l d c m 的结构多种多样，既有气隙磁场按正弦分布，又有按近似梯形波分布的， 因此，简单的假定其为正弦分布，将b l d c m 三相方程变换为d q 方程是不恰当的。 若将电感表示为级数形式且采用多参考坐标理论，也可进行这种坐标变换，但运算繁 琐；若仅仅取其基波进行变换，则计算误差往往很大。相反，直接利用电动机相变量 建立数学模型却比较方便，又能获得较准确的结果i o s l 1 5 h 17 1 。为简化分析，以一台三 相3 对极b l d c m 为例，并假设： ( 1 ) 定子绕组为三相y 连接，无中线引出； ( 2 ) 忽略齿槽效应，绕组均匀分布于光滑定子的内表面： ( 3 ) 忽略磁路饱和，不考虑电枢反应，不计涡流和磁滞损耗； ( 4 ) 转子上没有阻尼绕组，永磁体不起阻尼作用。 f 圣 = 耄虽兰 i + p 墨兰笔 1 + 圣 c ：一- ， 其中：。、厶和三。分别为三相绕组的自感，r 。、乜和r 。为三相绕组的电阻，l 。 为a 相和b 相的互感，类似，上。、三。、三。、6 。、l 亦分别为其注明两相的互感， 足6 = r 。= 足：，。= b = 。= ，曲= 6 。= 舯= 工= 如= 曲= m ，因为三 相绕组无中线引出，则有： i 。d - i 6 + f c = o ，可导出肋。+ m i 6 = 蛾，由此得到 1 3 华中科技大学硕士学位论文 p睦2“吾mt，c工三m，h工兰膨，塞i-iic言乏0 墨 ； 一 三- 0 c z 一，； p = l o 1 ( 三一m ) o m 6i 矗。o 一i ( 2 3 ) l jl oo 1 ，( 上一膨) 肌。li o 。心hl e ：| i ： 2 3 2 转矩方程 电磁转矩为乙= p 。( e 。i a + 气i 6 + e c i 。) ， 运动方程为： j p ( 詈) ) 2 乙一瓦 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 其中：q 为转子的电角速度，瓦为负载转矩，为转动惯量，以为极对数。 2 3 3 无刷直流电机动态模型 下面推导b l d c m 动态模型，假设电机在功率管两两导通方式下运行。为简便记， 与推导电压方程类似，假定各相绕组对称，参数为常数，这样可应用式( 2 2 ) ，在a 相和b 相导通时，i o ( t ) = 一i b ( t ) ，可设( f ) = i o ( t ) ，由( 2 - - 2 ) 第一、第二行，得： i d a ( r ) = r 。1 ( t ) + ( l m ) p l ( t ) + e a ( ，)( 2 6 ) ”6 ( 1 ) = 一只。l ( t ) 一( l m ) p i ( t ) + ( f ) ( 2 6 ) 减去( 2 7 ) 得到 u ( t ) = 2 r 。l ( t ) + 2 ( l m ) p l ( t ) + e ( t ) ( 2 7 ) 这里u ( r ) = “。( f ) 一( f ) ，为逆变器输出电压，e ( f ) = e a ( r ) 一e l ；( f ) ，根据反电势与 转速n 成正比关系，e ( f ) 可近似地表示为e a t ) = t n ，e 为平均反电势。考虑到转矩 与电流的大小成比例关系，电磁转矩可近似表示成疋= k r ，( r ) ，代入上式，并取其拉 1 4 华中科技大学硕士学位论文 氏变换，可得机械特性为 吣，2 半一半k 庀七t l ( j ) 将运动方程( 2 5 ) 写成转速拧的形式，并取拉氏变换得到 案m m 吲s ) g d 2 为电动机转子飞轮力矩( n 朋2 ) ，t a s ) 为电动机的负载转矩，。 根据( 2 9 ) 、( 2 - - 1 0 ) 可画出b l d c m 的动态结构图，如图2 - 4 。 瓦 ( 2 9 ) 图2 4b l d c m 动态结构图 玎( s ) = _ 与u o ) 一j 粤t o ) 1 + t s + s 21 + s + c s 2 舯= 焉； ，2 ( l m ) g d 2 3 7 5 k r k 。 忙去 = 毪 = 等。 ( 2 11 ) 1 5 华中科技大学硕士学位论文 式( 2 1 ) 、( 2 4 ) 、( 2 5 ) 为系统的基本方程，为推导其它几组方程，均作了 些假设，而实际上，无刷直流电机是一个多变量、非线性、强耦合的系统，各绕组 电感及互感不仅是转予位置的函数，而且也是非线性的，假设其为线性非时变的必然 带来模型误差；t ，、。也是一个非线性时变的的参数，另外，如考虑阻尼转矩和换相 的过渡过程，这样，系统就不是式( 2 1 1 ) 所示的为电压、负载转矩的二阶系统， 而是个高阶非线性时变系统。但在大部分场合，做这些假设对分析是有用的，而且 模型带来的误差在大多数情况下也是可以接受的。实际上，为了消除非线性时变参数 的影响，将输出误差控制在一定范围内，常采用各种控制技术如负反馈技术、前馈控 制、自适应控制、智能控制等等，从工程观点来看，往往能达到预期的效果。 2 4 无刷直流电机调速控制方案 最简单的调速系统为开环调速系统，由式( 2 1 1 ) 可知，改变逆变器的输出电 。 压u ( f ) ，即可调节电机的转速，但是，从式( 2 1 1 ) 也可看出，当负载变化时，电 - 机的转速也会随之改变，因此这样的调速无精度可言，只能用于调速要求不高的场合。 为了保证调速的精度，常采用速度负反馈构成闭环调速系统。仅由速度闭环的调 速系统在调速过程中，例如当速度给定发生突变时，逆变桥的输出电压很大，这可能 引起电机电枢电流剧增，使逆变桥损坏，此外，电流的急剧变化也会导致转矩的剧变， 对传动系统造成冲击，为此，在调速系统中还必须采取限制电流冲击的措施。为了达 到较好的静态和动态性能，本系统采用图2 5 的电流、速度双闭环控制方案。这种 控制方式把速度调节器作为主调节器，电流调节器作为辅助调节器。 华中科技大学硕士学位论文 图2 5 无刷直流电机速度电流双闭环控制框图 如图所示，速度为外环，电流为内环，由于r o = k 7 ，( f ) ，电流环调节的是电磁转 矩。速度给定”与速度反馈h ，送给速度调节器( s r ) ，速度调节器的输出作为电流信 号的参考值o ，与电流信号的反馈值f ，一起送至电流调节器( c r ) ，电流调节器的输 出为电压参考值”，与给定载波比较后，形成p w m 调制波，控制逆变器的实际输出 电压。 双闭环调速的特点是速度调节器的输出作为电流调节器的给定来控制电机的转 矩和电流。这样做的好处在于可以根据给定转速与实际速度的差额及时控制电机的转 矩，在速度差值比较大时电机转矩大，速度变化快，以便尽快地把电机转速拉向给定 值，在转速接近给定值时，又能使转矩自动减小，这样可避免过大的超调，以利于调 速过程的快速性【1 8 】。 此外，电流环的等效时间常数一般比较小，当系统受到外来干扰时它能比较迅速 的作出响应，抑制干扰的影响，提高系统的稳定性和抗干扰能力。而且双闭环系统以 速度调节器的输出作为电流调节器的给定值，对速度调节器的输出限幅就限定了电枢 中的电流，起到了保护逆变桥的作用。 本系统电流调节器( c r ) 为p i 调节器，速度调节器( s r ) 为改进的p i 调节器。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 本章小结 本章概要介绍了无刷直流电机的结构；详细分析了其运行原理，讨论了产生转矩 脉动的原因：根据电压与运动方程式，推导出其数学模型与动态结构图，并分析模型 误差的根源与影响；在上述基础上，讨论了无刷直流电机的控制方案，并给出本文系 统的控制框图。 华中科技大学硕士学位论文 3 无刷直流电机控制策略研究 3 1 数字p i 控制 数字p i 控制是普遍采用的一种过程控制算法，p 是指比例项( p r o p o r t i o n a l ) ，i 指积分项( i n t e g r a l ) ，基本p i 控制算法有位置型和增量型两种【1 9 l 。 3 1 1 位置型p i 算法 设p i 调节器的输入作用e ( t ) 幻叫印，+ 渺，叫 控制作用u ( t ) ，则e ( t ) 与u ( t ) 应满足以下关系 ( 3 一1 ) 其中，k 。为比例系数：i 为积分时间常数。 为了用计算机实现p i 控制规律，需要将上式转换为离散形式。实际上，当选取 采样周期r 足够小时，式( 3 1 ) 中的积分可用和式表示，离散化后如式( 3 2 ) ， 其中丁为采样周期。 u ( k t ) = k p 【p ( 七r ) + 睾e ( _ ，7 ) ( 3 2 ) jj u 其z 变换形式为 u ( 2 ) = k ，+ k 一丁：】e ( 2 ) 3 3 ) 其中，k p 为比例增益系数，k = k ，i t 为积分增益系数。 3 1 2 增量型p i 算法 位置型p i 调节器的输出u ( k t ) 是全量输出，是执行机构所应达到的位置。数字调 节器的输出u ( k t l 跟过去的状态有关，需对e ( k t ) 作累加，计算机的运算量大，而且， 计算机的故障有可能使u ( k t ) 作大幅度的变化，这种情况在生产实践中往往是不允许 1 9 华中科技大学硕士学位论文 的，有些场合还能造成严重的事故。而增量式p 1 只对输出u ( k t ) 的增量进行运算，式 ( 3 4 ) 为增量型算法。 a u ( k t ) = q l e ( k t ) + q 2 e ( k t t )( 3 4 ) 其中g l = k p ( 1 + i t ) ：9 2 = 一k p 。 1 l 写成z 变换形式为 ( 1 一z 一) u ( ：) = ( g l + q 2 z - 1 ) e 0 ) ( 3 5 ) 增量式算法和位置型算法本质上是一样的，但相比位置型算法，增量式算法却有 很大的优点： ( 1 ) 计算机只输出增量，计算机误动作造成的影响比较小； ( 2 ) 手动一自动切换的冲击小； ( 3 ) 算式中不需要累加，增量只与最近的两次采样值有关，容易获得较好的控 制效果，由于式中无累加，消除了当偏差存在时产生饱和的危险。 3 1 3 采样周期的选择 采样周期r 的选择主要考虑以下三个因素： ( 1 ) 采样过程对保真度的影响。根据香农( s h a n n o n ) 采样定理，采样频率至少 为低通信号频谱最高频率的2 倍； ( 2 ) 采样周期的大小和计算机的性能要求的影响，采样频率的提高必然要求计 算机有足够快的运算速度，以满足在两次采样数据之间完成必须的处理计算。 + ( 3 ) 采样周期也和主电路的功率器件的承受能力有关，高的采样频率必然要求 高的p w m 的频率，一方面，p w m 频率越高，输出波形越理想，但另一方面，功率 器件消耗的功率也越高，引起发热、散热的问题，另外，高的p w m 频率可能使电磁 辐射更加严重。 综和考虑上面的因素，考虑到使p w m 频率在入耳敏感的频率范围( 3 0 0 h z 4 k h z ) 之外，在本系统中，电流环采样频率定为5 k h z ，就基本达到了预期的效果。 华中科技大学硕士学位论文 i i 3 2 p i 算法的改进 单纯的用数字p i 调节器去模仿模拟p i 调节器，由于微处理器和a d 转换字长截 断效应以及采样频率的影响，其效果一般来说不如模拟p l 调节器。但是，可以利用 微处理器逻辑判断能力强、编制程序灵活等优点，实现一些模拟控制器无法实现的控 制算法，来提高整个系统的控制性能。 3 2 1 积分分离p i 算法 系统中加入积分校正后，往往会产生过大的超调量和长时间的波动，这对某些生 长过程是绝对不允许的，引进积分分离算法，既保持了积分的作用，又减少了超调量， 使得控制性能有了很大的改善。 积分分离算法要设置积分分离阀e o 。当l e ( k t ) 1 e 。时，采用p i 控制，可保证系 统的控制精度；当i e ( k t ) l e 。，也即偏差较大时，采用p 控制，可使超调量大为降低。 积分分离p i 算法可表示为 a e ( k t ) = e ( k t ) 一e ( k t 一丁) ( 3 6 ) m 耻f u ( k t - t ) + 鬻k