（电力电子与电力传动专业论文）舵用无位置传感器无刷直流电机控制器研究.pdf

西北t 业大学顺i + 学位论文 a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o np r o p o s e sas p e e d a d j u s t i n gc o n t r o l l e ro f al o wp o w e r s e n s o r l e s sa n db r u s h l e s sd cm o t o r ( s l b l d c m ) c o m p o s e do fr a r ee a r t hp e r m a n e n t m a g n e tw h i c hs u p p l ym o t i v i t yf o rf i s ht o r p e d o sh e l m t h ed i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e s t h ed e v e l o p i n gs t a t eo fs l b l d c ma n dt h ep r o b l e mf o rm o r es t u d i e d c o n s i d e r i n g t h ef e a t u r eo ft h et o r p e d om o t o rf o rh e l ma n dt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，t h e o p e r a t i o n a lt h e o r yo f s l b l d c mw o r k i n gi nt h e2 - p h a s ef e e du p ，a l lb r i d g es t a r s t y l e3 - p h a s e6s t a t e sa n dt h ep w ms p e e d a d j u s t i n gt h e o r yi sp a r t i c u l a r l ya n a l y s e d t h e n t h em a t h e m a t i c sm o d e la n dt h em a t l a bs i m u l a t i o nm o d e lo fs l b l d c ms y s t e m a r ee s t a b l i s h e d ，a n dt h ew a v e f o r m so fc u r r e n t 、s p e e da n dt o r q u ea r ec o m p a r e d a d d i t i o n a l ，b a s i n go no t h e ra p p r o a c ht od e t e c tr o t o rp o s i t i o n ，ir e s e a r c ht e c h n o d e t a i l o fd i r e c tb a c ke m f sz e r o o na c c o u n to fh i g hs p e e d ，t h ed i s s e r t a t i o nc h o o s e sa n e wa p p r o a c ht oc o m p e n s a t el a r g e rs c o p ep h a s e f i n a l l y , h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fa s p e e d a d j u s t i n gc o n t r o l e ra r ed e s i g n e d ，w h i c h u s et h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 k e y w o r d s ： s l b l d c m b l d c m r o t o rp o s i t i o nd e t e c t p w m m a t l a b p w m m o d e t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 西北工业大学倾 ：学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍 及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之巾。常见的类型主要有同 步电动机、异步电动机和直流电动机三种。其中，直流电动机自十九世 纪四十年代出现以来，以其运行效率高和调速性能好等诸多优点在相当 长的一段时间里，在运动控制领域中占据主导地位。但由于传统的直流 电动机均采用电刷以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由 此带来了噪声、火花、电磁干扰以及制造成本高、维修困难、寿命短等 缺点，从而大大地限制了它的应用范围。 近几十年来，随着电力电子技术j 微电子技术、计算机技术的飞速 发展和先进控制理论的应用，一种既具备交流电动机的结构简单、运行 可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、调速 性能好、无励磁损耗等诸多优点的电动机出现了i 这就是无刷直流电动 机( b r u s h l e s sd cm o t o r ) 。 1 2 无刷直流电机的发展概况与趋势陋川 早在1 9 1 7 年，b o l i g e r 就提出了用整流管代替有刷直流电机机械式 电刷的无刷直流电动机的基本思想，但由于各方面的限制，使得这种电 机只能停留在实验室阶段，而无法推广使用。直到1 9 5 5 年，美国的 d h a r r i s o n 等人首次申请了通过晶体管换相电路代替有刷直流电动机机 械式电刷结构的专利，现代无刷直流电动机方具雏形。之后，经过人们 多年的努力，1 9 6 2 年，借助丁霍尔元件来实现换相的无刷直流电动机终 于出现，从而开创了无刷直流电动机产品化的新纪元。1 9 7 8 年，原西德 m a n n e s m a n n 公司i n d r a m a t 分部，在汉诺威贸易博览会上e 式推出 m a c 无刷直流电动机系统，表明无刷直流电动机技术进入实用化阶段。 1 9 8 6 年，h rb o l t o n 在一篇论文中对无刷直流电动机进行了较为系统的 研究，分析了相数、极对数和永磁材荆等对无刷直流电动机特性的影u 虮 标志着无刷直流电动机前：f t u 论j 二走向成熟。 西北工业大学硕j ：学位论文 在无刷直流电动机的发展过程中，作为机电体化的典型产品，无 刷直流电动机的发展在很大程度上依赖于永磁材料、功率电子器件和控 制技术的发展。在永磁材料方面，继二十i u ：纪五十年代出现铁氧体永磁 ( 最大磁能积4 0 k j m 3 ) 之后，1 9 6 7 年k j s m a r t 发现了第一代稀土永 磁r c o ；( 1 9 9 4 k j m 3 ) ，1 9 7 3 年又出现了第二代稀土永磁r ，c o 。 ( 2 5 8 6 k j m 3 ) ，而1 9 8 3 年出现的第三代稀t 永磁材料n d f e b ( 4 3 1 3 k j 埘3 ) ，使永磁式电机达到了电励磁电机难以达到的高性能。在 功率电子器件方面，继二十世纪五十年代品闸管( s c r ) 出现之后，相 继出现了门极可关断品闸管( g t o ) ，功率场效应管( m o s f e t ) ，绝缘 栅双极型晶体管( i g b t ) 和m o s 门控晶闸管( m c t ) 等，它们具有通 态电压低、耐压高、承受电流大、速度快、热稳定性好等优点。二十世 纪九十年代以来，随着电力电子技术、微电子技术、微机和稀土永磁材 料的发展为无刷直流电动机的研究和制造奠定了基础。目前无刷直流电 动机的发展已经与门极可关断品闸管、功率场效应管、绝缘栅双极型晶 体管等高性能半导体大功率丌关器件、专用集成电路、稀土永磁材料、 微机、新型控制理论及电机理论的发展紧密结合，使无刷直流电动机相 对于传统直流电机而言具有可靠性高、维护方便、结构简单、特性、散 热容易、转速彳i 受机械换向限制、噪声小等优点。稀土永磁材料( 如钐 钴、钕铁硼) 的出现使无刷直流电动机具有更多的优点，对无刷直流电 动机的发展起到了强有力的推动作用。在当今国民经济各个领域，如医 疗器械、仪器仪表、化工、轻纺、武器装备以及家用电器等方面的应用 日益普及。据资料分析，近年来，无刷直流电动机的应用以每年大约15 的比例在增长。 永磁无刷直流电动机根据永磁体在气隙中产生的磁场波形不同，可 分为方波永磁无刷直流电机( b l d c m ) 和正弦波永磁无刷直流电机 ( p m s m ) 。p m s m 的气隙磁密为正弦波分布，反电势和相电流波形皆为 正弦波；而b l d c m 的气隙磁密为方波分布，反电势波形为梯形波，相电 流波形为方波。本文所研究的无刷直流电动机指的是b l d c m 。 1 3 无位置传感器无刷直流电机研究现状凹1 传统的无刷直流电动机都需要一套复杂的位黄1 擘感器，以检测转了 的相对位置来进行币确的换相，这对电机的可靠性、制造二 艺要求等带 西北工业人学硕士学位论文第一章绪论 来了不利的影响。主要表现在以下几个方而：增大了电机尺寸；信 号传输线多，容易引入干扰；高温、低温、污浊空气等恶劣工作条件 会降低传感器；传感器的安装精度直接影u 阿电机的运行性能。因此， 无位置传感器无刷直流电动机必将成为无刷直流电动机今后的发展趋 势。 所谓的无位置传感器，正确的理解应该是无机械的位置传感器。在 电机运转过程中，作为逆变桥功率器件换向导通时序的转子位置信号仍 然是需要的，只不过这种位置信号不再由位置传感器来提供，而应该由 新的位置信号检测措施来代替。所以，目前无位置传感器无刷直流电动 机控制研究的核心和关键就是架构一转子位置信号检测线路，从软硬件 两个方面来间接获得可靠的转子位置信号，借以触发导通相应的功率器 件，驱动电机运转。 国外早在7 0 年代末就开始研究同步电动永磁机的无位置传感器控 制问题。8 0 年代中期，日本学者提出了基于“反电势法”原理的、完全 实用化的无刷直流电机无位置传感器控制方案。“反电势法”的基本原理 是：无位置传感器无刷直流电动机运转时，由于永磁体励磁比电枢反应 大很多，所以电枢反应可以被忽略。在此前提下，转子旋转时感应的反 电势大小除了与电机参数有关外，其幅值主要与转子转速成正比，而相 位与转子位置有关。当某相绕组的反电势过零时，转子直轴和该相定子 绕组轴线重合，因而转子位置可以通过定子绕组中的反电势波形检测出 来。9 0 年代，i e e e 的多部期刊上仍在发表有关文章。国内在这方面的 研究起步较晚。到目前为l h ，反电势法仍然是最成熟可靠、方法简单且 应用成本较低的转予位置信号检测方法。 1 4 无刷直流电机控制器的发展川6 叭”7 无刷直流电动机的控制器，当前主要有专用集成电路( a s ；i c ) 控制 器、微处理器( m c u ) 和数字信号处理器( d s p ) 等三种方式。 对于专用集成电路( a s i c a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 现在几乎所有先进工业国家的半导体厂商，都能提供自己丌发的电机控 制专用集成电路，但使用时受到的限制过多。 现在市面 。的无刷邕流电动机控制器人多采用单片机来实现，础用 较多的是8 0 9 6 系列产品。但单片机的处理能力有限，特别是需要处理的 西北王业大学倾士学位沧文筇一章绪论 数据量大、实时性和精度要求高时，单片机往往不再能满足要求。因此， 目前人们最普遍的做法是使用高性能的数字信号处理器( d s p ) 来解决 电机控制器不断增加的汁算量和速度需求。将模数转换器( a d ) 、脉宽 调制发生器( p w m ) 和数字信号处理器( d s p ) 集成在一起，就获得一 个既功能强大又非常经济的电机控制专用d s p ：艺：片。 与单片机相比，d s p 器件具有较高的集成度。d s p 有更快的c p u ， 更大容量的存储器，内置有波特率发生器和f i f o 缓冲器，提供高速、同 步串口和标准异步串口，有的片内集成了a d 和采样保持电路，可提供 p w m 输出。更为不同的是，d s p 器件为精简指令器件，大多数指令都能 在一个周期内完成，并且通过并行处理技术，使一个指令周期内可完成 多条指令。同时d s p 采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数掘空间， 允许同时存取程序和数据。还配有内置高速硬件乘法器、多级流水线， 使d s p 器件具有高速的数据计算能力。而单片机为复杂指令系统计算机 ( c i s c ) ，多数指令要2 3 个指令周期来完成。单片机采用冯诺依曼结 构，程序和数据在同一空间存取，同1 一时刻只能单独访问指令和数据、 a l u 只能做加法，乘法需要由软件来实现，凶此占用较多的指令周期， 也就是说处理速度比较慢。所以，结构上的差异使d s p 器件比准1 6 位单 片机单指令执行时间快8 1 0 倍，完成一次乘法运算快1 6 3 0 倍。d s p 器 件还提供了高度专业化的指令集，提供了f f t 快速傅立时变换和滤波器 的运算速度。此外，d s p 器件提供了j t a g ( j o i n t t e s t a c t i o n g r o u p ) 接 口，具有更先进的开发手段，生产测试更方便。 其次，基于d s p 芯片制造的电机控制器可以降低对传感器等外围器 件的要求。通过复杂的算法达到同样的控制性能，降低了成本，提高了 可靠性，有利于专利技术的保密。现各大d s p 生产厂家都在推出自己的 内嵌式d s p 电机控制专用集成电路。如占d s p 市场股份4 5 的美国德州 仪器公司，凭借自己的实力，推出了电机控制器专用d s pt m s 3 2 0 c 2 4 x 采用t i 的t m s 3 2 0 c 2 x l p l 6 位定点d 即核心，并集成了一个电机事什管理 器，后者的特点是可以最佳方式实现对电机的控制。该器件利川t i 的可 重用d s p 核心技术，显示出t i 的特殊能力一通过存单一芯片上集成一个 d s 尸和混合信号外设件，制造出而向各种运用的d s p 方案，t m s 3 2 0 c 2 4 x 作为第一个数电机控制器的专用d s p 系列，可支持用于电机控制的指 令产生、控制算法处理、数据交流和系统监控等功能。集成化d s p 核、 最佳化r u 机控制器事什管理器羽l 单片式a i d 设计等诸多功能块加在一 4 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 起，就可以提供个单芯片数字电机控制方案。系列中的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 包括一个3 0 m i s 核，二个事件管理器、3 2 位的中央算术逻辑单元、双 1 0 位a i d 转换器、6 4 k 的i 0 寻址空间和一个3 2 k 字的f l a s h 程序存 储器，可使电机控制领域的研发人员方便地调试控制器和脱机使用。 第三，d s p 运算速度快，控制策略中可以使用先进的实时算法，如 自适应控制、卡尔曼滤波、状态预估等，大大提高了控制系统的品质。 而且d s p 控制软件可用c 语言、汇编语言或者二者嵌套编写。因此，采 用d s p 芯片制造的电机控制器便于用户的调试和应用。 1 5 工作难点 目前，国内外研究人员都在不同角度和侧重点上对s l b l d c m 进行着 有益的探索，对电机换向过程中续流对电压和电流的影响、换向转矩脉 动的分析及其补偿方法、转矩控制技术、电枢反应对换向电动势相位的 影响、s l b l d c m 的起动分析、转子位置检测技术、降低s l b l d c m 的铁 损、减小s l b l d c m 的运行噪声等问题的研究取得了一一定的成果。在此基 础上，论文研究过程中仍需要解决的关键问题如下【l o 】： l 、无位置传感器的转子位置检测问题 b l d c m 需要转子位置传感器提供转予在运动过程中的位置信号，并 将其转换成电信号，为逻辑开关电路提供证确的换相信息，用以控制功 率开关管的导通和截止，使电动机电枢绕组中的电流随着转子位置的变 化按次序换相，形成气隙中步进式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断 的旋转。无位罨传感器的转子位置检测技术是利用电动机本身的某些电 气参数为转子位置的函数，来间接得到转子位置信号。目前较常采用的 无位置传感器的转子位置检测方法主要有：反电动势法、定子反电动势 ，三次谐波法、实时电感检测法、续流二极管：1 二作状态检测法、转子永磁 体表面粘贴非磁性材料法及状态观测器法。鉴于反电动势过零检测法成 熟可靠、方法简单且应用成本低，在本课题的研究中，拟定于将该方法 应用在原理样机上。 2 、自起动问题 对具有代表性的建立在电机定了绕组反电动势检测基石f f 上的 s l b l d c a i ，由于反电势大小和电机的转速成l f 比，当电机起动或转速很 低时，反电势为零或很小，很难通过反电势过零检测来得到正确的换相 西北t 业火学硕1 学位论文 筇一章绪论 信号，使得电机不能白起动。因此，反电动势过零检测法需要采取特殊 的起动技术。目前流行的起动方法主要有四种：三段式起动法、预定位 起动法、升频升压同步起动法、短时检测脉冲转予定位起动法。 每种子起动方法都有各自的优缺点和适用场合，选用哪种方法应视 电机的使用情况而定，这还需要做大量的工作。 3 、最佳换相问题 最佳换相是为了使s l b l d c m 的输出转矩最大，脉动最小，实现效率 最高的机电能量转换。最佳换相包括最佳换相逻辑和最佳换相位置两方 面的含义。前者解决如何换相，后者解决什么时候换相。目前，在对最佳 换相逻辑的研究中，大多是采用一套固定的有关转子位置信号和功率开 关管的真值表，而缺乏系统的概括性更强的理论研究。要实现最佳换相， 就需要对s l b l d c m 最佳逻辑解析结构做进一步的研究。当前尽管对在理 想状态下的最佳换相位置已经研究得比较透彻，但是在电机实际： 作过 程中最佳换相位置的研究还不够。实际运行的电机不同于理想电机。在理 想电机中所忽略掉的次要因素实际上都会不同程度她影响最佳换相位 置。因此，需要通过理论分析、仿真和试验，研究s l b l d c m 实际工作过 程中的最佳换相位置。 4 、提高动态性能和控制策略问题 为了保证s l b l d c m 作为鱼雷舵机有较好的快速性，实际上就是要舵 电机动态响应快，过渡时间短，这对控制器的设计提出了一定的要求。 为了使系统响应快，机械特性硬，采用了转速、电流双闭环调速系统。 由于没有转速反馈信号，常用电枢端电压信号代替转速反馈信号。根据 负反馈闭环原理，设置一个电流闭环，就可以对电流进行调节。对于转 速、电流双闭环系统，在系统中要设置两个调节器，分别调节电枢电压 和电流，二者之间实行串联方式。这里，电流和转速调节器控制算法的 优劣直接影响到系统的性能指标，为此，应合理设计两个调节器的控制 算法。 卜6 论文研究的主要内容 本论文主要研究鱼雷舵机用小功率无位置传感秣无刷直流电机 ( s l b l d c m ) 凋速控制器。调速器与小功率稀土永磁无位置传感器无刷 西北工业人学硕士学位论文 第一章绪论 直流电机本体共同组成机电一体化系统。其中调速控制器的主要功能是 根据鱼雷控制系统的指令来操纵鱼雷的舵面，使舵面的偏转符合控制指 令的要求，从而达到控制鱼雷按有约定战术弹道航行的同的 5 1 。 为了达到这一目的，本论文研究的主要内容如下： 一，确定无位置传感器无刷直流电机的系统方案。 二，建立无位置传感器无刷直流电机的m a t l a b 仿真模型，选择合适 的调速方法。 三，为无位置传感器无刷直流电机选择合适的转子位置检测方法以 及可靠的起动方式。 四，用d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 实现对无位置传感器无刷直流电机调速 控制。 两北1 = 业大学颁一| ：学位论文第二章s l b l d c m 的组成、工作原理及系统方案 第二章s l b l d c m 的组成、工作原理及系统方案 2 1s l b l d c m 的组成及各部分的作用 无位置传感器无刷直流电机主要由电动机本体、位置信号检涮线路 和控制器三部分组成，其原理图如图2 一j 。 出 图2 - 1 无位置传感器无刷直流电动机原理图 同其它类型的电动机一样，s l b l d c m 本体也是由定子和转子两大部 件构成。转子是指电动机在运行时可以转动的部分，通常由转轴、永久 磁钢及磁轭等部件组成，其主要作用是在电动机的气隙内产生足够的磁 感应强度，并同通电后的定子绕组相互作用产生转矩，以驱动自身运转。 定子是指电动机在运行时不动的部分，主要由硅钢冲片同分布在它们槽 内按一定的规律连接的绕组及机壳、端盖、轴承等部件组成。绕组通电 后，与转子磁钢所产生的磁场相互作用，产生力或转距，驱使转予带动 负载一块转动，从而决定了电动机的运动过程。转子磁钢转动后，其磁 力线又切割定子绕组，在定子绕组中产生感应电动势，反过来又影l i 向了 电动机内电动势的平衡关系。通电绕组和磁场之间相互作用，是电动机 内部机电能量转换的主要媒介。 转子位置信号检测线路通过获取转子位簧的信号，来控制定子上各 柑绕组通电的顺序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位嚣信号处理单 元两个部分组成。功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电 源的功率以一定逻辑关系分配给直流无刷电机定子上的各相绕组，以便 使电动机产生持续不断的转距，各相绕组导通的顺序和时间主要取决予 转子位嚣信号。 控制器的主要作用是接受外部给定的转速信号，对转子位置检测线 路给出的信号进行运算，通过改变逆变电路功率丌关管的工作状态，实 现对电机的转速控制，并使电机系统具有较好的动态和静念性能。除此 之外，控制电路还县有短路、过流和欠压等故障保护功能。 西北t 业大学硕士学位论文 第二章s i j 【强d 的组成、工作原理及系统方案 2 2 系统方案 2 2 1 主要技术指标 本论文研究适用于鱼雷伺服系统的小功率舵用无位置传感器无刷直 流电机控制器，其主要功能是根据鱼雷控制系统的操舵信号，输出向前 或向后的舵杆直线位移，通过拉杆带动舵面偏转，使舵面的偏转符合控 制指令的要求，从而达到控制鱼雷按预定战术弹道航行的目的。 采用稀土永磁材料的舵用s l b l d c m 通过检测电气参数提取转子磁 极相对于电枢绕组轴线的位置信号。与b l d c m 相比，虽然在硬件上少了 位簧传感器，但在软件上增加了转子位置解算和起动控制两部分。 主要技术指标 ( 1 ) 额定功率p ：4 0 w ( 2 ) 额定电压u 。：3 6 v ( 3 ) 额定转速n 。：1 0 0 0 0 r m i n ( 4 ) 电机类型：单转s l b l d c m 2 2 2 控制系统的组成 按常规的定义s l b l d c m 的控制器主要由p w m 逆变电路、功率模块 驱动电路和控制电路组成。控制器与稀土永磁方波电动机本体和位置检 测装置组成s l b l d c m 调速控制系统( 见图2 2 ) 。 囡十一 ； i 圈ii ! 旧h _怔茎姻 s l b l d c i 系统 图2 2s l b l d c m 系统方框图 西北工业大学坝十学位论文第二章s 1 。b l d c m 的组成、工作原理及系统方案 2 2 3 系统方案确定 ( 1 ) 电动机本体结构选择 稀土永磁材料具有高磁能积、动态特性好、磁场定向性好等一系列 特点，电动机本体采用稀土永磁无位置传感器无刷直流电机( r e p m s l b l d c m ，以下简称s l b l d c m ) 。为了获得方波气隙磁感应强度，转子 上装配的稀土永磁体激磁方式为瓦片径向激磁，极弧宽度大于1 2 0 0 电角 度。电枢绕组采用星形结构的三相整距集中绕组，可获得梯形波反电势， 电枢电流为方波。 ( 2 ) 功率逆变电路选择 1 ) 逆变电路元器件的选择 由于本课题所研制的电机功枣为4 0 w ，综合考虑安全、成本、可靠 性等方面，选用的功率开关管是适用于中小功率电机的n 沟道增强型功 率场效应晶体管( p o w e rm o s f e t ) 从尸5 4 0 。衄f 5 4 0 最大漏源电压为 1 0 0 v ，导通时的漏源电阻为o 0 5 2 q ，最火工作电流约为1 9 a 2 7 a ，最 大耗散功率9 4 w 。实际标准件中内带快恢复二极管，硬件原理图中选有 的快恢复二极管型号为3 0 d f l ，承受的最大反向电压为1 0 0 v ，最短恢复 时f i j 为2 0 0 n s o 2 ) 逆变电路结构及工作方式的选择 功率逆变电路的主要功能是保证电动机定子绕组准确换相。常见的 逆变电路有半控和全控两种。虽然半控电路较全控电路简单，但电动机 本体利用率低，并且在运行过程中转距的脉动较大，所以在要求比较高 的场合，一般均采用全控电路。由于电动机的定子绕组是三相星形联结， 因此，本课题所选用的逆变电路为三相星形联结全控电路。 对于三相星形联结全控电路，它的通电方式又可分为两两导通模式 和三三导通模式两种。所谓两两导通模式是指每一瞬间逆变电路有两个 功率管导通，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。所谓三三导通模式是指每一瞬f a j 逆变 电路有三个功率管同时通电，每隔6 0 0 换相一次，每个功率管通电l8 0 0 。 文献“”分析了这两种通电方式下合成转距的大小，在同样的电枢电压和 相电流下，两两通电模式的输出转矩是三二通r 巳模式输出转矩的1 15 5 倍。而且，当逆变电路以兰三导通模式工作时，对于p w m 驱动信号若不 西北工业火学硕士学位论文 第：章s l b l d o , t 的组成、工作原理及系统方案 人为插入死区( “死区”是指在某一时问段里强制性令同一桥臂上的上下 两管都关断) ，从原理上看存在同一桥臂的上下两个功率管发生直通的可 能性。与此相比，以两两导通模式工作时，同一桥臂的i ：下两个功率管 的开通时间相差6 0 。电角度，所以p w m 驱动信号即使不插入死区也不存 在上下两个功率管直通的危险。综合考虑后，确定调速控制系统工作模 式为两两导通模式。 综合电动机的结构、功率逆变电路的拓扑结构及其作方式，确定逆 变电路为三相全控电路，工作方式为两相导通星形三相六状态，其原理 图如图2 - 3 所示。 1 t 2 - 3 星形联结全桥逆变电路原理图 ( 3 ) 驱动电路及隔离电路的选择 1 ) 驱动电路的选择1 5 i d 6 i 2 5 】 2 9 1 4 0 l 驱动电路是将控制电路的输出信号进行功率放大，并向功率丌关管 送去使其饱和导通和可靠关断的驱动信号。单从原理上讲，驱动电路主 要起功率放大作用，但其重要性在于功率开关管的丌关特性与驱动电路 的性能密切相关。同样的功率开关管，采用不同的驱动电路将得到不同 的开关特性。设计优良的驱动电路能改善功率开关管的丌关特性，从而 减小开关损耗，提高整机的效率及功率器件工作的可靠性。因此，驱动 电路的优劣直接影响逆变电路的性能。随着开关工作频率的提高，驱动 电路优化设计显的越来越重要。 由于功率丌关电路是由m o s f e t 全控器件构成的三相桥式逆变电 路，因此，驱动电路选用的是美围困际整流器( i r ) 公司生产的专用驱 动芯片1 r 2 1 3 0 。六路集成芯片i r 2 1 3 0 具有集成度高，可靠性高、速度快、 调试方便等特点。其驱动信号延时为纳秒级， ：关频率高达2 0 k h z ，且 价格便宜、体积小、外围走线简便，可用来驱动工作在母线电压不高于 6 0 0 v 的l b 路叶】的功率m o s 门器件，其可输山的最大矿向峰值驱动电流 为2 5 0 m a ，而反向峰值驱动电流为5 0 0 m a ，丌通关断时州为6 7 0 4 2 5 1 1s ， 西北_ _ ：i = 业火学烦十学位论文第二章s l b l d c i 的组成、工作原理及系统方案 并具有2 u s 的典型死区，其内部有过流、过压及欠压保护、封锁和指示 网络，可方便的用来保护被驱动的m o s 门功率管，加之内部白举技术 的巧妙运用，还可仅用一一路15 v 供电电源驱动三相桥式逆变电路的6 个 m o s 功率管，这对缩小控制器体积、提高可靠性具有显著的优势。 2 ) 隔离电路的选择【川 在使用驱动电路时，常常要解决控制电路和主电路之间的隔离问题。 一般来说，在测控系统中对被控设备的驱动常采用模拟量输出驱动和数 字量( 开关量) 输出驱动两种方式。模拟量输出驱动的方法，由于其输 出受模拟器件的漂移等影响，很难达到较高的精度；而数字量输出控制 由于采用数字电路和计算机技术，对时间控制可以达到很高精度，因此， 在许多场合开关量输出控制比一般的模拟量输出控制精度高，而且利用 数字量输出控制往往无须改动硬件，只需改变程序就可用于不同的控制 场合，所以数字量输出驱动方式已逐渐取代了模拟量输出的控制方式。 为了防止现场电磁干扰或工频电压通过输出通道反串到测控系统中造成 系统误动作或损坏，通过驱动芯片给出的低压直流如t t l 电平信号，一 般不能直接驱动外设，而需采用通道隔离技术。本调速器隔离电路采用 最常见的是光一电隔离法，这是因为光信号的传送不受电场、磁场的干扰， 可以有效的隔离电信号。 驱动电路和隔离电路结构图见图2 4 。 西北工业大学硕士学位论文 第二章s l b l d c i 的组成、工作原理及系统方案 图中u g l u g 6 为控制电路来的导通信号，v 1 v 6 和s 1 s 6 是分别送 到m o s f e t 栅极和源极的驱动信号。光电隔离电路将控制电路与功率主 电路隔开。为了保护m o s f e t 栅极不被高压击穿，在驱动电路每一路的 输出端，即m o s f e t 栅极和源极之问并联一个稳压二极管和一个2 0 k q 的电阻。栅极电阻r 1 r 6 为无感电阻，用于降低振荡和减小尖峰电流。 自举电容c 3 c 5 、自举二极管d 3 d 5 构成悬浮偏压源。过流保护通过 r ，、g 、哆组成的过流检测电路实现。利用取样电阻咒。采样开关主电 路直流侧电流，通过c 8 、凡，、过流检测电路的输出电压与i r 2 1 3 0 内 部o 5 v 参考电压比较，以确定是否封锁i r 2 13 0 的所有输出信号。改变彬 的大小可调整电流保护值的大小。 ( 4 ) 控制电路的设计【2 1 1 本调速器的控制电路基于t i 公司推出的专用电机d s p 控制芯片 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 。该芯片以1 6 位定点d s p 为内核，配置了完善的外围设 备，两个事件管理模块e v a 和e v b ，分别包括两个1 6 位通用定时器、 8 个1 6 位脉宽调制( p w m ) 通道。它们能够实现：三相反相器控制；p w m 的对称和非对称波形；可编程的p w m 死区控制以防i 七上下桥臂同时输出 触发脉冲；3 个捕获单元；1 6 通道a d 转换模块( a d c ) 等。另外， t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 片内还集成了高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器和1 5 k 字的数据程序存储器，可以实现一个单片系统。通过调整事件管理器中 的定时器控制寄存器来设定p w m 工作方式和频率、通过调整比较值寄存 器的值来调节p w m 的占空比、通过调整死区控制寄存器来设定死区时 间、通过专用的p w m 输出口输出占空比可调的带有死区p w m 控制信号。 从上丽介绍的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 功能可能看出，以阿播3 2 0 三f 2 4 0 7 为控 制器，省去了其它控制器所用的外围p w m 波形发生电路和时间延迟( 死 区) 电路，使价格大大降低且使电机体积缩小、结构紧凑、使用便捷、 可靠性得到提高。 本控制系统基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 控制器的总体框图如图2 5 ： 两北丁业大学硕士学位论文 第二章s l b l d c m 的蜘成、工作原删及系统方案 图2 5 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 控制系统的总体框图 2 3s l b l d c m 工作原理1 以图2 3 、2 - 6 、2 7 、2 - 8 说明s l b l d c m 的工作原理：在s l b l d c m 工 作过程中，当转予位于图2 - 6 ( a ) 所示位置时，控制系统对位置信号检测 电路送出的转子位置信号进行运算处理，并给出换相信号，经驱动放大， 使功率开关管y 1 、矿6 导通，即绕组a 、b 通电，电流从a 卡日流入b 相流 出，爿、口两相电概绕组的合成磁场e 与永磁转子磁极磁场f 相互作用， 拖动转予顺时针方向转动。电流流通路径为：电源正极一一y 1 管一一a 相绕组一一口相绕组一一 6 管一电源负极。当转子相对电枢转过6 0 0 电角度，达到图2 - 6 ( b ) 中位置时，控制系统运算得到此位置，并给出开 关序列信号，使功率开关管r 6 截止，v 2 导通，电流流通路径为：电源 正极一一矿l 管一一a 相绕组一c 相绕组一一v 2 管一一电源负 极。此时y 1 仍然导通，则绕组爿、c 通电，电流从一相流入c 相流出，a 、 c 两相电枢绕组的合成磁场e 与永磁转子磁极磁场e 相互作用，使转予 继续沿顺时针方向转动。 图2 - 6s l b l d c m i ：作原理示意图 j 4 西北工业大学硕士学位论文 筇一章s l b l i ) c i k in 组成、工作原理及系统方案 在图2 - 6 ( a ) 到( b ) 的6 0 0 电角度范围内，转子磁场f 顺时针连续转动， 而电枢合成磁场e 在空问保持图2 - 5 ( a ) 巾的位置不动，只有当转子磁场 转够6 0 0 电角度到达图2 - 6 ( b ) 中的位置时，电枢合成磁场只才从图2 - 6 ( a ) 中位置顺时针跃变至2 - 6 ( b ) 中的位置。可见电枢合成磁场e 在空间上不 是连续旋转的磁场，而是一种跳跃式旋转磁场，每个步进角是6 0 0 电角度。 当转子每转过6 0 0 电角度时，逆变器功率开关管之问就进行一次换相，电 枢磁状态就改变一次。可见，在一个电周期内，电机有6 个磁状态，每 一状态都只有两相绕组导通，每相导通绕组中流过电流的时间相当于转 子旋转1 2 0 0 电角度，故这种逆变器又被称为1 2 0 0 导通型三相逆变器。 依此类推，当转子继续沿顺时针每转过6 0 0 电角度时，功率开关管的 导通逻辑为：v i v 2 、v 3 v 2 、v 3 v 4 、v 5 v 4 、v 5 v 6 、v 1 v 6 ，则 转子磁极磁场f 始终受到电枢合成磁场f ，的作用沿顺时针方向连续转 动。 三相绕组电流及反电势波形如图2 7 。 三相绕组工作情况与各功率开关管导通顺序的关系如图2 - 8 。 l 6 11 2 ；2 33 44 55 6 l 1 i i 一一 i ： i l l 、一 l ； l 、il f 32 n 3a4 l35 x l32 ：u 图2 - 7 z 相绕组电流及反电势波形 乞o 咕髟 舾北工业大学硕士学位论文第二章s l b l d c i 的组成、工作原理及系统方案 序三日j 三j 三三三王玉 电角度( 。) v 1 v 3 v 4 v 5 v 6 )6 0：1 0： o2 z0 3 0 (3 (i o 6 o1 ：! o 一；0 2 z。03 () 03 t 图2 8 两相导通星型三相六状态绕组和功率开关管导通顺序 2 4 运行特- l 生和基本公式 要十分精确地分析无位茕传感器无刷直流电机的运行特性，是非常 困难的。它涉及非线性理论及数值解法等诸多问题，在一般工程应用上 尚无此必要，故通常均作如下假定( 即抓住直流无刷电机中主要矛盾以 简化其推导) ： 电动机的感应强度沿气隙呈方波分布。 绕组通电时，该电流所产生的磁通对气隙磁通的影响忽略不计。 控制电路在开关状态下工作，功率开关管为理想丌关，功耗不计。 各相绕组对称，其对应的电路单元完全一致，相应的电气时间常 数忽略不计。 下面以三相星形联结全控电路为例，推导s l b l d c m 稳态和动念运行 时的基本公式。 设电动机转子永磁体磁一盹能一致，气隙磁通在空间_ | ：呈方波分布； 电根绕组为j 相星型联结，采用集中整距绕组，三相绕组完全一致，结 西北工业大学硕十学位论文 第二章s l b ，d c h l 的组成、工作原理及系统方案 构完全对称，电阻相同，不随位置而改变；不计涡流损耗和磁滞损耗； 不考虑电枢反应：且由于电枢绕组电感很小，换相时问很短，换相时电 枢绕组电感上的电压降町忽略不汁，稳态时不考虑电感的影响 4 1 。 s l b l d c m 采用两相导通星形三相六状态工作方式。 ( 1 ) 电枢绕组感应电势 每相绕组感应电势： 2 击m m a 一( 矿) ( 2 - 1 ) 电枢感应电势( 线电势) ： 五= 2 瓦= 意鲁w 。m ，”= e 巾。竹( y ) ( 2 2 ) 式中：e = 黑w 。一一电势常数； 1 ) a p 一一极对数； 口一一计算极弧系数； 一电枢绕组每相串联匝数； 肘一一电动机转速( r m i n ) ； 吼一一每极磁通。 ( 2 ) 电枢电流 在每个导通时间闪有以下的电压平衡方程： u = e 十2 i r ( 2 3 ) 式中：u 一一电源电压； ，一一每相绕组电流； r 一一每相绕组电阻。 则电枢电流： ：_ u - e ( 爿) ( 2 - 4 ) ( 3 ) 电磁转矩 在任一时刻，电机的电磁转矩t ，。由两相绕组的合成磁场与转子永磁 场相互作用而产生： o 掣( ? ) ( 2 - 5 ) 1 一1 r ”2 j 3 j 两北工业火学硕j j 学位论文 第二章s l b l d c m 的组成、t _ j d - - - 原理及系统方案 式中： q = 百2 t e n 一一电动机角速度。 将( 2 1 ) 代入上式，则有： t 。：竺巾。，( ) ( 2 - 6 ) 7 “z 式中：c r ：! 旦一一转矩常数。 “ ( 4 ) 转速 将式( 2 2 ) 代入( 2 3 ) 得： ”：u _ - - 2 i r p i i m l n ) ”= 一i r j e m ， 。 ( 5 ) 电势系数与转矩系数 电势系数： 墨= 笔2 5 p 口_ p 呜( 砌 转矩系数： 寺札= 撇4 p w o d , 。( 砌 当电机转速以角速度表示时，电势系数为： k ：= 丢= = j 6 乃0k 。( 帅卿 6 0 s l b l d c m 的动态过程是一个非常复杂的机电瞬变过稃。 题的方便，将电动机等效成如图2 - 9 所示结构。 “ 图2 9 方波电动机的等效电路图 参照图2 - 9 ，得到s l b l d c m 的三相 乜压平衡方程 l mm h 卜 + l m m 之州 l8 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 为了分析问 ( 2 1 1 ) 0 0 i l-，_-t_l o o r o r 0 r o 0 ，l 一一 西北工业大学硕士学位论文 第二章s l b l d c m 的组成、t 作原理及系统方案 式中： “。、u h 、“。一电枢绕组a 、b 、c 三相相电压( v ) ，也是 a 、b 、c 三点相对于电机中性点的电压 、t 一一电枢绕组a 、b 、c 三相相电流( a ) ； 乞、气、e c 一电枢相绕组反电动势( v ) ： 三一一每相绕组自感( h ) ； 吖一一每两相绕组之间的互感( h ) ： r 一一每相绕组电阻( q ) ： ，= 瓦d 一一微分算子。 由于三相绕组星型连接，且没有中线，则有 i 。+ i h + i ：= 0 m k + m ：= 一m i o 且设： 0 k o ( 2 1 2 ) ( 2 13 ) ( 2 1 4 ) 乙= 去( e o i a + + 巳f c ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 15 ) 写成微分方程的形式： u ，刊，f 瓮+ e ，( 2 - 1 7 ) “b 蚓b 鸲f 瓮+ e b ( 2 - 1 8 ) “。= ，t + 厶，韭d t + ( 2 - 1 9 ) s l b l d c m 系统采用两相导通星形三相六状态工作方式，在任一时 刻，只有两相绕组导通，没功率丌关管v l 、v 6 导通，即绕组a 、b 通电， a 进b 出，有： ) 51一， ( 1，j 巳 。l + 1j ，lk0 。l p 1|，j 0 o k k 0 0 0 ll竹iiiii儿驴肌列 变0 r o h = 二、叫l叫j 0一一 程 ： 方 为 将 矩 以 转 可 磁 则 电 西北 ：业大学颂j ：学位论文 第章s l b i 。d c m 的组成、工作原理及系统方案 将( 2 1 7 ) 减( 2 f l 】 因此，( 2 - 2 1 ) 写成： i h = 一i a = ， 1 8 ) ，得： “。一“6 = 2 r i o + ( e 。一e b ) e o e 6 = e 一“62 亡 f 2 2 0 ) r 2 2 1 ) f 2 2 2 ) r 2 2 3 ) u = e + 2 r 这与稳态基本公式电压平衡方程( 2 3 ) 是一致的，同样也可以写出与 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 7 ) 致的电枢电流、电磁转矩和转速的稳态基本公式。 考虑到电机带负载后的运动平衡方程为： z 。一瓦一b q = ，i d q ( 2 - 2 4 ) 式中：z