基于STM8S903的无刷直流电机控制系统的研究-电力电子电子传动硕士论文

分类号 U D C T M 3 5 1 6 2 1 3编号! Q 2 窆窆S ! Q Q 迦 江薛大擎 硕士学位论文 基于S T M 8 S 9 0 3 的无刷直流电机控制系统的研究 R e s e a r c ho nB L D CM o t o rCo n t r o lS y s t e mB a s e do n S T M 8 S 9 0 3 申请学位级别亟学科( 专业)皇力皇壬皇皇垄笾动 论文提交B 期2 Q ! 圣生垒旦论文答辩日期2 Q ! 三生鱼旦 学位授予单位和日期江菱太堂2 Q l 圣生鱼县 答辩委员会主席座差查 评阅人 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：刃研 拿口一多年6 月平日 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子 杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被查阅和 借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据库并 向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘舨) 电子杂志社将本论文编入中国优秀博 硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学 研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名：t 研 a 。- 弓年6 月，千日 指导教师签名啶注辟 纱弓年 7 具f 乒日 江苏大学硕士学位论文 摘要 无刷直流电机具有控制简单、运行效率高、调速性能好、无励磁损耗及换向 火花等优点，在工业、民用、军事及航空航天等领域得到了广泛的应用。因此， 研究高性能的永磁无刷直流电机控制系统具有十分重要的理论和现实意义。 无刷直流电机是一个多变量、非线性、强耦合的高阶系统，应用传统的控制 方法难以得到满意的控制效果。智能控制方法不依赖于系统精确的数学模型，具 有自适应、自学习和自组织等功能，能够解决非线性、模型不确定等较为复杂的 问题，因此基于智能控制方法的研究，将会是无刷直流电机控制的发展方向。本 文以电动自行车用轮毂永磁无刷直流电机为控制对象，以意法半导体公司的 S T M 8 S 9 0 3 为主控芯片，建立无刷直流电机的控制系统。具体研究内容如下： ( 1 ) 详细分析了无刷直流电机的基本结构和运行原理，在此基础上建立了无 刷直流电机的数学模型和等效电路。 ( 2 ) 按照模块化设计思想，建立无刷直流电机的控制系统，并进行基于 S T M 8 S 9 0 3 的外围电路设计，如：电源电路、功率驱动电路、转子位置检测电路、 电流采样和过流保护电路等。 ( 3 ) 齿槽效应、空间磁场分布非正弦、电流检测误差及换相等因素引起无刷 直流电机的转矩脉动，严重影响了系统的控制效果。本文改进了传统的重叠换相 法，能较好地抑制无刷直流电机的转矩脉动。 ( 4 ) 研究了代数算法的基本思想，建立基于代数算法神经网络P I D 控制器， 将其应用到无刷直流电机双闭环的转速环中。运用M A T L A B S i m u l i n k 建立无刷 直流电机仿真系统，对比传统P I D 控制与基于代数算法神经网络P I D 控制的控 制效果，仿真显示其能较好地提高系统的控制性能。 ( 5 ) 搭建无刷直流电机实验平台，验证文中所提控制方法的正确性。 关键词：永磁无刷直流电机，转矩脉动抑制，代数算法，双闭环，电动车 江苏大学硕士学位论文 A B S T R A C T B r u s h l e s sD Cm o t o rh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l ec o n f o r m i t y , h i 曲 o p e r a t i n ge f f i c i e n c y , g o o ds p e e dp e r f o r m a n c e ，w i t hn oe x c i t a t i o nl o s so rc o m m u t a t i o n S o ，i ti sw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a l ，c i v i l ，m i l i t a r ya n da e r o s p a c e T h e r e f o r e ，t h e d e v e l o p m e n to fh i 曲一p e r f o r m a n c ep e r m a n e n tm a g n e tb m s h l e s sD Cm o t o rc o n t r o l l e r a t t a c h e sav e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e T h et r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o di sd i f f i c u l tt oo b t a i ng o o de f f e c t ，b e c a u s e B L D C Mi sam u l t i - v a r i a b l e ，n o n l i n e a r , s t r o n gc o u p l i n gs y s t e m T h em e t h o do f i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，w h i c h h a st h ea b i l i t i e so fs e l f - a d a p t a t i o n ，s e l f - l e a r n i n ga n d s e l f - o r g a n i z a t i o na n d c a l ls o l v ec o m p l e xp r o b l e m ss u c ha st h en o n l i n e a ro rt h em o d e l u n c e r t a i n t y , i sn o td e p e n d e n to nt h ea c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e l T h e r e f o r e ，t h e r e s e a r c ho nt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lm e t h o dc o m b i n e dw i t hm o t o rc o n t r o l ，p o w e r e l e c t r o n i c sa n dc o n t r o lt e c h n o l o g yw i l lb et h em a i nt o p i co ft h eb r u s h l e s sD Cm o t o r T h i sp a p e rt o o kB L D C Ma st h ec o n t r o l l i n go b j e c t i o n ，a n da d o p t e dt h em a s t e rc h i p b a s e do nS T M 8 S 9 0 3o fk a l ya n dF r a n c e ，i no r d e rt ob u i l dt h ec o n t r o ls y s t e mo f B L D C M S p e c i f i cs t u d i e sa r e a sf o l l o w s ： ( 1 ) A n a l y s i s e dt h eb a s i cs t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fo p e r a t i o no fb r u s h l e s sD C m o t o ri nd e t a i l ，o nt h eb a s i so fw h i c he s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a lm o d e la n d e q u i v a l e n tc i r c u i to fb r u s h l e s sD C m o t o r ( 2 ) E s t a b l i s h e dt h ec o n t r o ls y s t e mo fb r u s h l e s sD Cm o t o rb yt h ec o n c e p to ft h e m o d u l a rd e s i g na n dd e s i g n e dt h ep e r i p h e r a lc i r c u i t sb a s e do nS T M 8 S 9 0 3 ， s u c h a s ：p o w e rc i r c u i t ，t h e d e t e c t i o nc i r c u i to fr o t o rp o s i t i o n ，c u r r e n t s a m p l i n ga n d o v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o nc i r c u i t ( 3 ) T h ep r o b l e m ss u c ha sc o g g i n g ，n o - s i n u s o i d a lm a g n e t i cf i e l d ，e r r o ro fc u r r e n t d e t e c t i o na n dS Oo nc a u s e dt h et o r q u er i p p l eo fb r u s h l e s sD Cm o t o r , w h i c h m a d eab a d l ye f f e c to nt h ec o n t r o l l i n gp r e c i s i o n T h i sp a p e ri m p r o v e dt h e m e t h o do ft h et r a d i t i o n a lo v e r l a p p i n gc o m m u t a t i o na n dt h es i m u l a t i o n ，w h i c h c o u l ds u p p r e s st h et o r q u er i p p l eo fb r u s h l e s sD Cm o t o n I l l 基于S T M 8 S 9 0 3 的无刷直流电机控制系统的研究 ( 4 ) R e s e a r c h e dt h eb a s i ci d e ao ft h ea l g e b r a i ca l g o r i t h r n E s t a b l i s h e dt h en e u r a l n e t w o r kP I Dc o n t r o l l e rb a s e do nt h ea l g e b r a i ca l g o r i t h m ，a n da p p l i e di tt ot h e d u a lc l o s e d 1 0 0 pc o n t r o ls y s t e mo fb r u s h l e s sD Cm o t o r B yt h eM A T L A B S i m u l i n ks i m u l a t i o ns y s t e m ，e s t a b l i s h e dt h eb r u s h l e s sD Cm o t o r , c o m p a r e d t h et r a d i t i o n a lP I Dc o n t r o l l i n gs y s t e m sw i t ht h ec o n t r o l l i n gs y s t e mw h i c h b a s e do nt h ea l g e b r a i cn e u r a ln e t w o r kP 1 D ，w h i c hs h o w e di t sa b i l i t yo f i m p r o v i n gt h es y s t e mp e r f o r m a n c e ( 5 ) E s t a b l i s h e dt h ep l a t f o r mo fc o n t r o ls y s t e ms i m u l a t i o nm o d e lo f b r u s h l e s sD C m o t o rb a s e do nM A T L A B S i m u l i n k ，a n dc o m p a r e dt h ee f f e c tb e t w e e nt h e t r a d i t i o n a lP I Dc o n t r o la n dt h ea l g e b r a i ca l g o r i t h mn e u r a ln e t w o r kP I D c o n t r 0 1 K e yW o r d s ：B L D C M ，T o r q u eR i p p l eR e d u c t i o n ，a l g e b r a i ca l g o r i t h m ，d o u b l e c l o s e dl o o p ，E - b i k e 江苏大学硕士学位论文 目录 摘要I A B S T R A C T 一I I I 目录一V 第一章绪论1 1 1 无刷直流电机发展历史及现状l 1 2 无刷直流电机的特点与应用2 1 2 1 无刷直流电机的特点2 1 2 2 无刷直流电机的应用2 1 3 无刷直流电机控制技术的发展现状3 1 4 本文研究的主要内容3 第二章无刷直流电机的原理及数学模型5 2 1 无刷直流电机基本结构和特点5 2 2 无刷直流电机的数学模型6 2 2 1 定子电压方程7 2 2 2 电磁转矩方程8 2 2 3 状态方程9 2 2 4 运动方程9 2 2 5 传递函数1 0 2 3 无刷直流电机的控制原理1 0 2 。4 无刷直流电机的控制方式1 3 2 4 1 有位置传感器控制方式13 2 4 2 无位置传感器控制方式13 2 5 本章小结1 4 第三章无刷直流电机转矩脉动分析及抑制方法。1 5 3 1 无刷直流电机转矩脉动的分类和形成原因1 5 3 1 1 电磁因素引起的转矩脉动1 5 3 1 2 齿槽引起的转矩脉动1 5 3 1 3 电流换相引起的转矩脉动1 5 3 1 4 电枢反应引起的转矩脉动1 6 3 2 无刷直流电机换相转矩脉动原因分析。1 7 3 2 1 无刷直流电机换相转矩脉动产生的原因1 7 3 2 2P W M 调制方式对换相转矩脉动的影响2 0 3 3 换相转矩脉动抑制分析2 l 3 4 一种改进的重叠换相法2 2 3 5 改进的控制策略仿真波形一2 4 3 6 本章小结2 6 第四章无刷直流电机双闭环控制系统一2 7 4 1 无刷直流电机双闭环控制系统设计2 7 4 1 1 无刷直流电机双闭环控制方案2 7 4 1 2 电流调节器的设计2 8 4 1 3 采样频率的选择2 8 V 基于S T M 8 S 9 0 3 的无刷直流电机控制系统的研究 4 2 无刷直流电机双闭环调速系统的性能2 9 4 2 1 静态特性的改善一2 9 4 2 2 动态特性的改善一3 0 4 3 代数算法的基本原理3 1 4 4 基于代数算法神经网络P I D 控制器的设计3 3 4 5 无刷直流电机双闭环控制系统仿真3 4 4 5 1 仿真模块简介3 5 4 5 2 基于代数算法的控制系统仿真结果4 1 4 6 本章小结4 2 第五章无刷直流电机控制系统软硬件设计一4 3 5 1 控制系统硬件基本结构4 3 5 2 控制芯片S T M 8 S 9 0 3 简介4 4 5 3S T M 8 S 9 0 3 芯片管脚和功能接E l 介绍4 6 5 4 控制系统电源设计4 7 5 5 功率驱动电路设计4 9 5 6 转子位置传感器电路设计5 1 5 7 电流采样与过流保护电路设计51 5 8 控制系统软件设计5 3 5 8 1 控制系统软件整体结构5 3 5 8 2 主程序模块5 4 5 8 3 双闭环调速系统程序设计5 5 5 8 4 转速计算程序设计5 6 5 8 5 电流调节器设计一5 7 5 8 6 过流保护子程序设计5 8 5 9 本章小结。5 9 第六章实验结果及分析6 0 6 1 实验平台的搭建6 0 6 2 实验结果分析6 0 6 2 1 启动过程A 相电流波形6 0 6 2 2 稳态运行时A 相电流波形6l 6 2 3P W M 信号波形6 2 6 2 4A 相端电压波形6 4 6 3 系统动态性能测试结果及分析6 5 6 4 本章小结6 6 第七章总结与展望6 7 7 1 总结6 7 7 2 展望6 7 参考文献6 9 致谢7 2 攻读硕士期间发表的论文7 3 V I 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 无刷直流电机发展历史及现状 一百多年以来，电机作为重要的机电能量转换装置，其应用范围已经遍及人 们的日常生活中以及国民经济的各个领域。据统计9 0 以上的动力源来自于电 机，并且我国生产的电能有7 0 用于电机。电动机的主要类型有同步电动机、异 步电动机和直流电动机三种，其容量小到几毫瓦，大到上兆瓦【3 1 。和异步电机相 比，同步电机具有控制性能好、效率高，定转子气隙大等优点。传统的直流电机 具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，但其采用电刷结构，以机械方式进行 换向，因而存在机械摩擦，由此带来了火花、噪声、电磁干扰等致命弱点，限制 了其在高精度场合的应用【6 】。 随着生产需求的不断提高，迫切需要研制各种新型电机。由于科技的进步和 新材料的出现，推动了电机的不断发展。针对以上传统直流电机的弊端，人们做 了长期的研究。1 9 1 5 年，美国人L a n g m i l l 研制出控制栅极的水银整流器，实现 了由直流变交流的逆变装置。1 9 1 7 年，B o l i g e r 提出了用整流管替代机械电刷换 向，为后来无刷直流电机的诞生提供了理论基础。二十世纪3 0 年代，有人开始 研究以电子换向替代机械换向的永磁无刷直流电动机，但由于当时的大功率电子 器件还处在初始发展阶段，未能找到理想的换向元件，致使这种电机仅停留在实 验室研究阶段，无法推广使用。1 9 5 5 年，美国的哈利森等人首次运用开关器件 晶体管代替直流电机的电刷，标志着无刷直流电机的诞生。它由晶体管、开关电 路、功率放大和信号检测等部分构成。但受限于当时的技术，该电机尚无起动转 矩而无法产品化。1 9 6 2 年，借助霍尔元件实现电子换向的B L D C M 终于研制成 功，从而开创了无刷直流电动机产品化的新纪元。2 0 世纪7 0 年代以来，微电子 技术、电力电子技术的迅速发展以及一些高性能磁性材料的出现，极大地推动了 B L D C M 的发展。1 9 7 8 年，联邦德国M A N N E s M A N N 公司I n d r a r n a t 分部在汉诺 威贸易展览会上推出M A C 及其驱动系统，从此B L D C M 正式进入实用阶段【3 J 。 B L D C M 的发展与永磁材料密不可分。永磁材料可以产生恒定的磁场，其磁 性几乎不随时间变化。永磁材料可以替代电机的直流励磁，从而既能减小电机体 1 基于S T M 8 S 9 0 3 的无刷直流电机控制系统的研究 积又能节能环保。永磁材料的发展大致经历如下三个阶段：铝镍钴、铁氧体、钕 铁硼。其中稀土材料钕铁硼具有矫顽力高，最大磁能积大等优点，它的出现使得 体积小、重量轻的永磁电机变为现实。据有关数据显示，我国稀土资源约占世界 蕴藏量的8 5 ，所以在研究开发永磁材料方面具有得天独厚的条件。目前，我国 研究的稀土永磁材料的最大磁能积已达到世界先进水平，对促进我国永磁电机的 发展具有很大的推动作用。 我国对无刷直流电机的研究起步较晚，八十年代前，国内对无刷直流电机的 研究近乎空白。1 9 8 7 年，S I E M E N S 和B O S C H 两家公司推出了永磁自同步伺服 系统和驱动器，引起了国内学者的广泛关注【3 】。经过多年的努力，国内已经有了 无刷直流电动机的系列产品，形成了相当的生产规模。但是从整个无刷直流电机 的设计和制造水平来看，我国与国际水平还有很大差距。 1 2 无刷直流电机的特点与应用 1 2 1 无刷直流电机的特点 无刷直流电机克服了传统有刷直流电机机械换向的弊端，而且还保留了其调 速性能好、运行效率高的特点。在结构上，普通直流电机电枢绕组放在转子上， 定子产生固定不动的磁场。而无刷直流电机电枢绕组放在定子上，转子制成永磁 体。通过位置传感器获取转子位置信号，驱动电路依此信号使功率管按一定的顺 序导通和关断。无刷直流电机按其绕组反电动势波形可分为方波型无刷直流电机 ( B L D C M ) 和正弦波型无刷直流电机( P M S M ) 。 1 2 2 无刷直流电机的应用 由于无刷直流电动机不仅具备交流电动机的结构简单、运行稳定、维护方便 等优点，而且还具备直流电动机调速性能好、运行效率高等诸多优点。因此，在 国民经济的各个领域应用十分广泛。总的来说，可以分为以下两种主要用途： ( 1 ) 恒定负载：主要是需要一定转速但对转速精度要求不高的领域，如吹风 机、风扇、抽水机等，这类应用成本较低且控制简单。 2 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 可变负载：主要是转速要求在某个范围内变化，对电动机动态响应时间 和转速特性有更高需求的场合。如家用电器中压缩机和甩干机等。这类应用的系 统成本相对更高些。 1 3 无刷直流电机控制技术的发展现状 无刷直流电机的控制经历了从模拟控制到数字控制的发展过程。目前，无刷 直流电机控制器的选择有三种方式：专用集成电路控制器( A S I C ) 、单片机控制器 f M C U ) 、数字信号处理器( D S P ) 。 模拟控制电路因采用模拟元件，易老化，而且对温度变化特别敏感等缺点很 快被淘汰。数字控制技术能使许多硬件工作由软件来完成，这样，可以大大减少 硬件电路和系统的尺寸、提高系统的可靠性。最初的数字控制系统都是以单片机 为主控芯片，单片机的种类很多，其中以M C S 一5 1 系列、M C S 9 6 系列单片机最 为普遍。在单片机控制系统发展的同时，一些厂家开发出电机控制专用芯片，如 U C C 3 6 2 6 、8 7 C 1 9 6 M C 、M C 3 3 0 3 5 等。这类芯片价格便宜，运行速度快，但是所 能实现的控制功能相对简单，难以满足高性能控制场合的需要【3 1 。意法半导体公 司生产的S T M 8 S 9 0 3 运算速度远远高于普通单片机，片内集成了微控制器及嵌入 式系统中围绕微控制器周围的模拟及数字组件( 数字I O 、数字模拟转换器以及 专门用于电机控制的P W M 脉冲发生器等) ，具有成本低、使用灵活的特点，可 以很好地满足电机控制系统的要求。 1 4 本文研究的主要内容 ( 1 ) 分析了国内外无刷直流电机控制系统发展和研究现状，并对未来的发展 方向作了展望。 ( 2 ) 详细分析了无刷直流电机的的基本结构和运行原理，建立无刷直流电机 的数学模型及等效电路。 ( 3 ) 按照模块化设计思想，建立无刷直流电机控制系统，并进行单片机外部 电路如电源电路、功率驱动电路、转子位置检测电路、电流采样与过流保护的设 计。 基于S T M 8 S 9 0 3 的无刷直流电机控制系统的研究 ( 4 ) 研究了代数算法的基本思想，建立了基于代数算法神经网络P I O 控制器， 将其应用到无刷直流电机双闭环控制系统中。 ( 5 ) 搭建实验平台，对系统进行联机调试，验证本文所提算法的可行性。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章无刷直流电机的原理及数学模型 无刷直流电机具有效率高，无换向火花，控制简单，调速性能好，维护方便， 输出转矩大等诸多优点，在国民经济的各个领域得到了广泛的应用。本章详细分 析了B L D C M 的工作原理，并建立了其数学模型，为后面建立双闭环控制系统打 下理论基础。 2 1 无刷直流电机基本结构和特点 B L D C M 本体结构与永磁同步电机类似，两者不同之处在于无刷直流电机的 转子磁场是方波而不是正弦波。本课题采用有位置传感器的B L D C M 作为样机， 其控制系统由B L D C M ，电子开关电路，转子位置信号检测电路三者组成。转子 用永磁体励磁，定子由铁芯和电枢绕组组成。转子位置传感器是B L D C M 的重要 组成部分，用来检测转子的位置信号，主要有磁敏式、电磁式、光电式等几种。 电子换向线路与转子位置传感器代替了有刷直流电动机的机械换向装置。控制器 根据位置传感器提供的转子位置信号产生相应的开关状态，从而以一定的顺序触 发逆变器的功率开关，在电枢绕组中建立一定的磁场，并使该磁场和转子永磁体 产生的磁场形成一定的角度，从而产生电磁转矩，驱动电机旋转。B L D C M 系统 的基本结构框图如图2 1 所示 - - 一- - 一。一一一一一一- 一- - - - - _ - i 电子换相 I l。l I I 且训慊I rl 圳半，l 兀 7 丫叫 t 位置信号处理卜一一位置传感器l 图2 1 无刷直流电机的组成框图 F i g2 1B r u s h l e s sD Cm o t o rb l o c kd i a g r a m 基于S T M 8 S 9 0 3 的无刷直流电机控制系统的研究 2 2 无刷直流电机的数学模型 无刷直流电机的基本物理量如电枢电流、反电动势等与电机的气隙磁场分 布、绕组形式有着重要的联系。B L D C M 的气隙磁通密度波形如图2 2 ( a ) 所示， 当转子速度固定且定子绕组采用整距集中绕组时，定子反电势波形与磁通密度波 形相似，为简化分析，可将其看作梯形波。为了减小B L D C M 的转矩脉动，反电 势波形平顶宽度应大于1 2 0 0 电角度，通常把反电势看成平顶部分宽度为1 2 0 0 电 角度的梯形波，如图2 2 ( b ) 所示。 J 5 成 w t 酬2 石、 3 x 2 厂2 i L C 刀 ：石w t 。 舶叭舶3 耽卜 图2 2 无刷直流电机气隙磁密及反电动势波形 F i g2 2B m s h l e s sD Cm o t o ra i rg a pf l u xd e n s i t ya n dE M Fw a v e f o r m 无刷直流电机的反电势为梯形波，包含较多的高次谐波，而且无刷直流电机 的电感是非线性的，要想十分精确地分析其运行特性是很困难的。为便于分析， 作如下假设 9 ： 1 、定子绕组三相对称星型连接、6 0 。相带集中绕组； 2 、忽略电枢反应、齿槽效应和磁路饱和的影响。气隙磁场形状近似为平顶 宽度为1 2 0 。电角度的梯形波； 3 、忽略功率开关器件和续流二极管的管压降； 4 、相绕组的等效电感视为常数； 5 、换相过程中电机的转速保持恒定； 6 2 2 1 定子电压方程 江苏大学硕士学位论文 无刷直流电机三相电压方程为【3 】： 式中： 乩， Z ， E n ， 阱 ， z B ，z C 毛， 潮+ 匠 一定子绕组端电压； 一定子绕组相电流； 巨一定子绕组反电动势； M 一每两相绕组互感； t 一相绕组自感； 当三相绕组为星型连接时，则有： 并且 令t M = L 得： 鼢 + + i c = 0 M i B + 崛= 一M i A 墨 兰 + 童 珧 + 靴 ( 2 1 ， ( 2 2 ) ( 2 3 ) 兰 p 兰 + 茎 + 参 。2 旬 由式( 2 4 ) 可得永磁无刷直流电机的等效原理图为： 7 M 厶M O R O R O O 。L d 一出 = p 子 算 分 微 为 一 P 0 L OO 尺O R O O 。L 基于S T I d 8 S 9 0 3 的无, 届E J A 流电机控制系统的研究 U 图2 3 无刷直流电机等效电路图 F i g2 3B m s h l e s sD C m o t o re q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a m 图中，虬为直流母线电压，啊嘎为功率开关器件，目前使用较多的是 M O S F E T 和I G B T 。瓯为电机中。t C A A 压, ，D l D 6 为续流二极管。 2 2 2 电磁转矩方程 无刷直流电机的电磁转矩表达式如下： t = ( e A + 岛+ e c i c ) w ( 2 5 ) 其中，为电机转子角速度( r a d s ) 。通常情况下，定子绕组任意时刻只有两 相导通，所以转矩方程可写成： r e = 2 E L Q ( 2 6 ) 其中，色为绕组反电势的幅值；L 为绕组相电流幅值； 因为电机各相反电势幅值可表示为： 邑- v B 1 v = N B 1 6 n - - 竺。- 2 胛 ( 2 7 ) 且电机主磁通表达式： 丸= 阱百2 7 ( 2 8 ) 江苏大学硕士学位论文 则式( 2 7 ) 可化成： E = 等靠咒K 咖 ( 2 9 ) 式中：n 为电机转速； N 为绕组匝数； K ：堡墨 。 6 0 为电机电势常数； 为极对数； 因此，电磁转矩方程可以转化为： M 玩L 啦詈 ( 2 1 0 ) 由上式可以看出，电磁转矩的大小与电流幅值和磁通幅值成正比。 2 2 3 状态方程 由电机的电压方程可得到状态方程为【1 1 】： 2 2 4 运动方程 O 1 L z 0 圣 一 喜昙墨 蓁 一 萎 ( 2 1 1 ) 无刷直流电机的运动方程可表示为9 ： 乙母胁，等 ( 2 1 2 ) 其中，五为电机的负载转矩( N m ) ；B 为摩擦系数； 乙为电磁转矩( N m ) ；Q 为机械角速度( r a d s ) ； J 为转动惯量( k g m 2 ) ； 9 t， “O O L = 1_ kb0 。L d 一出 基于S T M 8 S 9 0 3 的无刷直流电机控制系统的研究 2 2 5 传递函数 由于B L D C M 的运行特性与普通直流电动机类似，所以B L D C M 的动态结构 图采用普通直流电动机的结构图，如图2 4 所示【1 6 】。 图2 4 无刷直流电机传递函数框图 F i g2 4D y n a m i cs t r u c t u r ed i a g r a mo ft h eb m s h l e s sD C m o t o r 由B L D C M 动态结构图可求得无刷直流电机传递函数为： 砸，2 惫虬一恚互 亿 1 式中：墨为电动势传递系数，q3 亩，e 为电动势系数； 砭为转矩传递系数，2 ，R 为电机内阻，e 为转矩系数； 乙为电机常数，乙：堕， 为转子质量， 为转子直径。3 7 5 C 乙为电机常数，j2 ， 为转子质量， 为转子直径。 2 3 无刷直流电机的控制原理 B L D C M 的绕组连接方式有三相星型连接和三相三角形连接。三相星型的运 行方式可分为两种：三相半控方式和三相全控方式。三相半控运行方式电路结构 简单，控制方便，但是每个电周期只有1 3 时间通电，绕组的利用率低且转矩脉 动也较大。比较而言，三相全控桥具有绕组利用率高，转矩脉动低等优点f 2 0 】。因 此，三相全控桥得到了广泛的应用。 1 0 江苏大学硕士学位论文 三相全控桥按通电方式又可分为：两两导通和三三导通。两两导通是指在每 一时刻都有两个功率管导通，每隔6 0 。电角度换相一次，每次有一个功率管换 相，每个功率管导通1 2 0 。三三导通方式是指在任一时刻都有三个功率管导通， 同样也是每隔6 0 。换相一次，但是每个功率管导通1 8 0 。电角度，导通时间变长， 如果某一功率管导通或关断稍有延迟，就会发生上下桥臂直通的情况，从而损坏 功率管。综上所述，本文以两两导通星型三相六状态工作方式分析其工作原理， B L D C M 的控制系统结构框图如图2 5 所示【2 5 1 。 图2 5 无刷主流电机控制系统结构框图 F i g2 5B r u s h l e s sD Cm o t o rc o n t r o ls y s t e mb l o c kd i a g r a m 转子位置传感器检测的信号经控制电路逻辑变换后产生P W M 信号， 再由驱动电路放大后送至逆变电路的功率管，从而控制电机各相绕组的通 电顺序，在电机气隙中产生旋转磁场。为使电机输出最大转矩，功率管在 两两导通方式下的通电顺序为：啊、嘎专嘎、喝寸喝、j 、 啊一隅、睨一喔、啊。两相星型三相六状态有位置传感器控制方式 下的霍尔信号对应的开关顺序如表2 1 2 2 所示。 1 2 基于S T M 8 S 9 0 3 的无刷直流电机控制系统的研究 表2 1 电机正转时有位置传感器的开关顺序 HHBH c 导通的开关管 010 啊、 0l1、喝 0O1强、 10 1 喝、 1O0 嘎、睨 11 0 v r 6 、啊 表2 2 电机反转时有位置传感器的开关顺序 H A H BH C 导通的开关管 10 1 啊、 100嘎、嘎 110隅、嘎 01 O 嘎、强 011 嘎、嘿 0O 1 喔、啊 江苏大学硕士学位论文 2 。4 无刷直流电机的控制方式 无刷直流电机的运行原理是通过逆变器开关器件随转子的不同位置而改变 其不同触发状态来实现的。因此无刷直流电机正常运行的关键是准确地获取转子 的位置信息，并根据转子位置相应地切换开关器件的触发状态。B L D C M 的控制 方式按其是否采用转子位置传感器可分为有位置传感器控制方式和无位置传感 器控制方式 2 4 1 有位置传感器控制方式 有位置传感器控制是指通过传感器来检测转子的运动位置，将此位置信息转 换成电信号，从而控制开关器件的工作状态。电机电枢各相绕组不断地换相通电， 空间上产生步进式旋转磁场，驱动电机连续不断地旋转。位置传感器可分为电磁 式、磁敏式和光电式。最早的电磁式位置传感器因其笨重且结构复杂，基本被淘 汰。目前，无刷直流电机广泛使用磁敏式霍尔位置传感器。位置传感器的存在会 增加电机的体积和成本，更降低了电机运行的可靠性。针对位置传感器的诸多不 足之处，促使人们开始在无位置控制方面做了大量的研究。 2 4 2 无位置传感器控制方式 无位置传感器控制方式是指不依赖于位置传感器，通过软硬件间接获取转子 位置信号、角速度等状态量，触发相应的功率器件，从而驱动电机持续不断的运 行。无位置传感器控制方式简化了电机的结构且控制效果良好，因此得到了广泛 的应用。 目前，无刷直流电机无位置传感器控制方法有反电势法、续流二极管法、电 感法、电流法、磁链估算法、状态观测器法等。除了前述几种方法，国内外学者 还提出一种新的检测思路，即模糊控制和神经网络控制法。此种方法通过自适应 技术、模糊控制或神经网络控制来建立被测相的电压、电流与转子位置的相互关 系，从而间接获取转子位置信号。但对该种方法也仅仅局限在概念上，并未实际 应用在B L D C M 无位置传感器控制中。 基于S T M 8 S 9 0 3 的无刷直流电机控制系统的研究 2 5 本章小结 本章详细分析了无刷直流电机的结构和运行原理，给出电机的等效电路，并 从电路和机械特性两方面建立B L D C M 的数学模型。 1 4 江苏大学硕士学位论文 第三章无刷直流电机转矩脉动分析及抑制方法 无刷直流电机输出转矩大、控制简单、可靠性高、动态响应快，因此其应用 日益广泛。但是无刷直流电机普遍存在的转矩脉动问题，不但会产生振动和噪声 而且会影响整个系统的可靠性，从而限制着其在高精度、高稳定性场合中的应用。 因此，分析转矩脉动的原因，研究抑制转矩脉动的方法具有十分重要的理论和现 实意义。 3 1 无刷直流电机转矩脉动的分