一种无刷直流电机调制方法及驱动的研究.pdf

浙江大学硬士学位论文 摘要 本文在对无刷直流电机发展及应用综述的基础上 详细的介绍了无刷直流电机工作 原理和数学模型 并根据数学模型搭建了m a t l a b s i m u l i n k 的仿真模型进行仿真实验 进行验证 接着以hp w m lo n 控制模式为典型 详细的介绍了整个控制系统在稳定 时无刷直流电机在一个周期内不同阶段时电路的详细工作状态 并分析hp w m lo n 控制模式的优缺点 以此为基础再分析对比其它控制模式所存在的优缺点 最后提出一 种基于改进型的p w m o n p w m 控制策略 不但可以减少电机在换相时候的转矩脉动 抑制换相时非导通相的续流 还能有效的提高系统的效率和稳定性 最后基于改进型p w m o n p w m 控制策略进行实验样机设计 选定主电路拓扑 设 计辅电路及信号处理电路 根据工程设计方法设计了系统的控制参数 再设计软件程序 的流程 编写控制程序对样机进行实验 对实验进行总结和分析 实验证明基于改进型 的p w m o n p w m 控制程序的有效性 最后对本课题进行了总结和进一步的展望 关键字 无刷直流电机d s pa c s 7 1 x 转矩脉动续流 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e rt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fb r u s h l e s sd cm o t o ra r er e v i e w e d t h e a r t i c l ed e s c r i b e di nd e t a i lt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eb r u s h l e s sd c m o t o r a n db u i l tam a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o nm o d e lb ym a t h e m a t i c a lm o d e l a n d s i m u l a t i o nt h em o d e lt o v a l i d a t et h ep r i n c i p l e t h e nu s et h ec o n t r o lm o d eo fh p w m l o na s ae x a m p l e d e s c r i p t i o nt h ec y c l ec i r c u i tw o r k i n gs t a t u si nd i f f e r e n ts t a g e sw h e nt h ee n t i r e b r u s h l e s sd cm o t o rc o n t r o l s y s t e mh a sb e e ns t a b l e a n da n a l y z et h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so ft h eh p w m l o nc o n t r om o d e a n db a s eo nt h i s a n a l y z i n ga n dc o m p a r i n g t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h eo t h e rc o n t r o lm o d e s a tl a s t p r o p o s ean o v e lc o n t r o l s t r a t e g y t h ei m p r o v e dp w m o n p w m b a s e d w h i c hc o n t r o ls t r a t e g yn o to n l yc a nr e d u c et h e t o r q u er i p p l eo ft h eb l d c m i n h i b i tt h ef r e e w h e e l i n gc o m m u t a t i o n b u ta l s oi m p r o v et h e e f f i c i e n c ya n ds t a b i l i t yo ft h eb l d c ms y s t e m e x p e r i m e n t a lp r o t o t y p eh a sb e e nd e s i g n e db a s e do nt h en e wc o n t r o ls t r a t e g y f i r s t s e l e c t e dt h et o p o l o g yo ft h em a i nc i r c u i t t h e nd e s i g no ft h ea u x i l i a r yc i r c u i ta n ds i g n a l p r o c e s s i n gc i r c u i t d e s i g nt h ec o n t r o lp a r a m e t e r so ft h es y s t e ma c c o r d i n gt ot h ee n g i n e e r i n g d e s i g nm e t h o d p r e p a r et h ep r o c e s s e so ft h es o f t w a r ep r o g r a m t h e nw r i t et h ec o r r e s p o n d i n g c o n t r o lp r o g r a mo ft h ep r o t o t y p ee x p e r i m e n tt ot e s t t h et e s tr e u s l t sp r o v e dt h a tt h es y s t e m w o r k sw e l l t h ep a p e ri se n d e dw i t hs u m m a r ya n df u r t h e rv i e wo nt h i ss t u d y k e y w o r d s b r u s h l e s sd c d s p a c s 7 1 x t o r q u er i p p l e f r e e w h e e l i n g 目录 致谢 i 摘要 l i l j b s t r a c t i v 第l 章绪论 1 1 1 无刷直流电机的发展概况 j 2 1 2 国内外研究现状及发展趋势 3 工 2 工元笸置带感器的控制 3 工 2 2 弱磁控制 4 工 2 3 转矩尿动抑制 4 工 2 4 控制蔗略和控制算法 5 1 3 本文的主要研究内容和结构安排 5 第2 章无刷直流电机的结构和运行原理 7 2 1 无刷直流电机的结构 7 2 1 1 雹祝本体 7 2 工 2 位置带感器 8 2 工 3 皂亏二携裙鬯謦 9 2 2 无刷直流电机的运行原理 9 2 3 无刷直流电机的数学模型 1 2 2 3 工皂压方程 工2 2 3 2 运动方程 工4 2 3 3 耕苍方程 4 2 3 4 转送方程 工4 2 4 本章小结 1 5 第3 章无刷直流电机控制系统设计 1 6 3 1 控制系统的动态数学模型 1 6 3 2 逆变器的数学模型 1 7 3 3 控制系统与电流环的分析与设计 1 8 3 3 工毪流环动态结构框图的纪筒 工9 3 3 2 毪流嬲 箩器结构的旋计 2 0 3 3 3 皂流调节器的参数计隼 以 3 4 控制系统转速环的分析和设计 5 4 1 2 2 3 4 1 毪流环的等效闭环劈递函数 2 2 3 4 2 转送谓节器的参数的计算 2 5 3 5 无刷直流电机控制系统仿真 2 6 3 5 b l d c m 本触横辨 2 7 3 5 2 转矩 转送计算模辨 3 d 3 5 3 送度与毫蒴p f 凋劳模块 3 d 3 6 仿真结果分析 3 2 3 7 本章小结 3 5 第4 章无刷直流电机高效率控制 3 6 4 1 无刷直流电机的转矩脉动产生 3 6 4 2 无刷直流电机全桥驱动工作原理及控制策略 3 6 4 3h p w m l o n 调制模式详细分析 3 7 4 4 传导区转矩脉动分析及抑制 4 6 4 5 换相转矩脉动分析及抑制 4 8 4 6 效率分析 5 0 4 6 1 开通拐壳 5 工 4 6 2 关嘶拐寿 5 2 4 6 3 开关能量掼耗 5 3 4 7 本章小结 5 4 第5 章控制系统的软硬件设计 5 5 5 1 系统硬件的整体设计 5 5 5 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片简介 5 6 5 3m o s f e t 驱动芯片i r 2 1 3 1 简介 5 7 5 4 电流检测芯片a c s 7 1 x 简介 5 9 5 4 工毪流采用鲁路 6 d 5 5 信号及处理电路 6 2 5 5 1d s p 时钟和复位电路 6 2 5 5 2 转子位置检测毫謦 6 3 5 6 控制系统的软件设计 6 4 5 6 1 控制系纺的主程序旋计 6 4 5 6 2 转子位量售号肟慰理 6 4 5 6 3 裁据定理程序 6 5 5 7 本章小结 6 5 第6 章实验结果及分析 6 7 6 1 转矩脉动分析 6 7 6 2 逆变器效率简单分析 6 9 6 3 小结 7 0 第7 章总结与展望 7 2 7 1 总结 7 2 7 2 展望 7 3 参考文献 7 4 附录一 7 7 附录二 7 8 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 能源是世界文明的支柱 是社会运转的动力 是国民经济发展和人民生活水平提高 的重要物质基础 传统能源的大量无节制的使用 不但造成了世界范围内的环境污染和 生态系统恶化 还严重了影响了人类赖以生存的家园 另外由于常规能源的不可再生性 造成现在世界范围内的能源短缺 严重的制约人类社会可持续发展 减少温室气体和污 染物排放 减轻由化石能源开采引起的生态破坏和燃煤发电造成的水资源消耗等问题 在不断开展新能源的同时节约能量消耗已是全球范围内推进节能减排的主要措施 1 1 无刷直流电机 b m s h l e s sd cm o t o r 简称b l d c m 是在有刷直流电机的基础上发展 起来的一种典型的机电一体化产品 它既保留了有刷直流电机的运行的高效率 无励磁 损耗 调速性能好等诸多优点 又具备交流电机的结构简单 维修方便 运行可靠等特 点 从而在现代国民经济的许多领域中得到了极其广泛应用 是新一代电气传动的发展 的主要方向之一 近年来 随着新型控制理论 电力电子技术 徽处理器技术和新能源 汽车的发展 以及高磁能积 低成本的永磁材料的发展 无刷直流电机的使用成本逐步 降低 现在无刷直流电机的应用己渗透到当今国民经济的各个领域乜q 制 并已经越来越广 泛的应用于中小功率高性能调速电机和军用民用伺服控制系统中n 别 工业先进的国家里 工业自动化领域中的有刷直流电机己经逐步被无刷直流电机所替代 在高控制精度和高 可靠性的场合 如医疗器械 航空航天 电动车辆 数控机床 计算机外围设备和家用 电器等方面获得广泛应用 此外 在新农业 现代军事科技 体育设备 金融 公共消 防 公安 物业管理与仓库 食品加工制及轻工业等 其应用领域不断扩大 日新月异 遍及国防和国民经济以及人们日常生活的所用领域 甚至可以说凡有运动与驱动要求的 场合 均有无刷直流电动机的应用 因此提高无刷直流电机的效率和可靠性不仅能大大 的节能减排 还能推动技术革新与社会进步n 制 随着研究的日益深入 无刷直流电机的开发和应用进入了一个新的时期和阶段 以 d s p 等数字控制芯片为核心的数字控制技术 以现代控制理论为基础的控制策略 实现 智能化 全数字化是将来无刷直流电机控制的发展主要方向 我国近年来在无刷直流电 机的控制方面也投入了许多的研究 但是与国际水平相比 仍然存在很大的差距 加之 我国是稀土大国 稀土材料又是目前永磁体材料最主要的来源 如何利用好我国的本身 浙江大学硕士学位论文 方面做出积极研究是很有现实意义和战略意义 其应用范围已经遍及国民经济的各个领域以及人们的 电机以其宽的调速范围 优秀的线性机械特性 简单 长期以来在运动控制领域占据主导地位 但其采用 时由于存在相对的机械摩擦而带来火花 噪声 电磁 干扰等许多问题 再加上其制造成本高 维修困难等缺点 而大大地限制了它的应用范 围 1 5 无刷直流电机5 0 年代由国外研发和生产 我国在6 0 年代开始研究然后渐渐开始有 产品出现 因为控制器价格昂贵 所以主要用于国防装备和军事武器中 直到7 0 年代初 西安徽电机所为降低摄影机噪音研制生产过进无刷直流电动机 1 7 1 早期的无刷电机因电 子元器件技术发展非常缓慢 进入9 0 年代以后 随着电机控制理论 集成电路控制技术 计算机技术的进步 而且无刷电机良好的工作性能也逐渐为用户所认识 因此发展速度 极快 目前已成为微特电机中最具发展前途的机种 在2 0 1 0 年全球微特电机产量为已经 超过1 6 0 多亿台 其中我国总产量高达全球的7 0 并且以每年5 的速度增长 其中 以无刷直流电机的增长最为迅速 近年来以每年大约1 5 的比例增加 1 8 可见无刷直流 电机的发展之迅速 无刷直流电动机正在高性能的应用领域内逐步取代其它类型电机n 引 宇航和军事装 备领域属于高科技产业 且技术含量高 在航空航天领域 由于高真空 无刷直流电动 机的优势是最明显的 在民用上 目前我国变频家用电器正在由 交流变频 向 直流 变频 转变 比如现在市面上热销的直流变频空调就是采用无刷直流电机 且采用无刷 直流电机可以获得更好的节能效果和节省材料 无刷直流电动机的应用增长迅速 另外 电子元器件技术的发展和工艺的提高 使无刷直流电动机成为一种十分理想的驱动源 应用量也逐年增多 例如信息技术的发展和智能机器人等发展也越来越迅猛 这些领域 和产业的快速发展和需求 大大拓宽无刷直流电动机的市场 也大大推动了无刷直流电 机控制技术的革新和发展 各种高性能高效率的控制方法 控制策略和控制电路相应的 被提出和发现 能量反馈控制 2 旧3 也成为研究的热点 3 0 3 2 1 淅江大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状及发展趋势 近年来 由于国际市场 稀土价格持续下跌 无刷直流电机制造成本也跟随着下降 另外由于材料科学的发展 永磁材料性能也得到了很大的提高 加上新材料和新器件的 不断涌现和电力电子技术的发展等 使得永磁无刷直流电机的应用领域也迅速的扩展 如数控机床 激光加工 制造设备 精密电子仪器及大规模集成电路等 伴随着无刷直 流电机的在国民经济中的应用而越来越普遍 人们对无刷直流电机的性能要求也相应越 来越高 因此 永磁无刷直流电机的控制系统现在已经成为一项普遍关注的研究课题 3 2 1 1 2 1 无位置传感器的控制 在传统的永磁无刷直流电机中一般都有位置传感器装置 然而位置传感器非常脆弱 在电机中添加位置传感器不但增加了电机的复杂性和成本 还降低了系统的抗扰动性能 和可靠性 为此 无位置传感器无刷直流电机控制近年来也已经成为的一个研究热点 2 1 4 1 其次 通过检查无刷直流电机绕组的反电动势的来判定无刷直流电机的位置的方法 是目前最成熟 最易实现 最为实用也是研究最多的方法 该方法是通过检测无刷直流 电机中关断相的反电动势过零点 然后通过逻辑关系来求取永磁体转子的位置 这种方 法的缺点是电机在静止或低速时 反电势信号为零或很微弱 很难以检测到有效的反电 动势信号 因此很难准确的判定转子位置信号 因此不能自启动 6 7 9 1 2 1 4 3 3 有文章提出 的 三段式启动方法 可以使得启动问题得到较好的解决 1 5 1 续流二极管法是通过不断 的检测逆交器功率管的本征二极管的工作状态来确定转子位置 这种方法改善了无刷直 流电机的低速性能 提高电机的调速范围 3 6 1 但电路较为复杂 且在静止时 电路没有 工作 反并联二极管无续流 因此无法获得转子位置无法检测 还需开环启动 因此此 方法应用并不广泛 由于无刷直流电机的反电动势波形为典型的梯形波 反电势波形含 有三次谐波分量 列 获取此三次谐波的分量并对进行积分 当积分值为零时即可确定相 应的转子位置 且该方法检测位置是的移相误差小 对滤波器要求低 并且当永磁无刷 直流电机工作在低速时三次谐波信号依然可以检测到 所以低速性能和起动性能都要好 些 调速范围也更宽 3 5 1 这种方法的思想都是在软件上对反电势进行处理从而获得转子 位置信息 没有增加电路硬件 所以实现起来相对容易 浙江大学硕士学位论文 1 2 2 弱磁控制 随着应用领域越来越广 人们希望无刷直流电机有更好的性能和更广的调速范围 这时就需要进行弱磁升速 l5 1 但无刷直流电机采用永磁体转子励磁 磁场的不可调节给 无刷直流电机弱磁调速带来了一定的难度 国内外学者也对此倾入了大量心血进行的研 究 弱磁控制一般从电机控制和电机设计这两方面着手解决 文献 3 8 3 9 借鉴了成功应用 于永磁同步电机恒定功率运行中的永磁段中加如磁阻段的复合转子结构 同理 将这种 结构引入永磁无刷直流电机中 可以增大了无刷直流电机的升速倍数 现阶段被认为是 最具潜力的弱磁调速方案 但该方法增加了电机结构 使电机交得更加复杂 文献1 4 0 1 提 出了一种适用于普通表贴式无刷直流电机的双模型逆变拓扑结构 作者进行了建模和仿 真研究 文章称可以达到很好的弱磁升速效果 文献 4 1 介绍了一种基于瞬时无功功率理 论的弱磁调速的控制策略 通过对无刷直流电机的无功分量的控制 从而达到弱磁调速 效果 此控制策略与传统的弱磁调速方法相比时 该方具有更高的升速范围 1 2 3 转矩脉动抑制 转矩脉动是衡量无刷直流电机系统性能的一项非常重要指标 也是无刷直流电机的 固有缺点 转矩脉动抑制也是国内外学者研究最多的内容之一 3 无刷直流电机转矩 脉动产生的原因主要有 机械制造工艺引起的转矩脉动 电机定子齿槽引起的转矩脉动 电枢反应引起的转矩脉动 换向引起的转矩脉动 电磁因素引起的转矩脉动 功率器件 续流引起的转矩脉动等池 针对无刷直流电机的转矩脉动产生的机理 抑制无刷直流电 机的转矩脉动主要从无刷直流电机的控制策略和无刷直流电机本体设计两方面着手解决 从控制策略来看 主要是通过控制电机定子绕组电流 使其电流波形保持为方波 从而 抑制转矩脉动 如采用斩波法和电流反馈法等补偿电流幅值的变化 从而抑制换相转矩 脉动等m j 3 刮 本文也着重从电机的控制策略方法入手来减少无刷直流电机的转矩脉动 在电机本体设计上 主要采用分数槽 斜槽 无槽和虚拟齿电机等设计 削弱齿槽引起 的转矩脉动h 刭 另外 还可以选择合理的极弧的设计方案和电机磁极 来改变磁极形状 通过定转子结构 绕组形式 气隙磁场等合理设计来消除齿槽误差 使反电动势波形接 近理想波形 从而减少电机的转矩脉动 浙江大学硕士学位论文 1 2 4 控制策略和控制算法 随着模糊控制和神经网络控制理论的发展 新的控制策略不断被提出 控制策略的 选取是无刷直流电机系统整体性能的关键 无刷直流电机是一个典型的非线性 多变量 强耦合的控制对象 4 9 1 针对这一特点 国内外学者对无刷直流电机控制技术新的控制策 略进行大量的研究 随着高性能的d s p 技术的发展和进步 d s p 的性价比越来越高 计 算能力也越来越强 许多先进的控制理论己经能成功的应用到无刷直流电机控制系统中 并且取得了令人满意的成果 另外 由于控制理论的发展 越来越多的新的控制策略可 以更好的控制无刷直流电机 如最优控制理论 状态观测器理论 神经网络控制 模糊 控制 滑模变结构控制理论和自适应控制理论等先进控制算法非常适合用来控制电机 5 0 1 将其应用在无刷直流电机控制系统中 可以有效提高整个控制系统的性能 1 3 本文的主要研究内容和结构安排 本文以电动自行车用轮彀式永磁无刷直流电机为研究对象 采用a l l e g r o 公司生产 的单电源供电芯片a c s 7 1 x 系列电流检测芯片 t i 公司t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 高性能数字信 号处理器为控制芯片及m 公司的三相驱动芯片i r 2 1 3 1 进行控制系统的设计 所做的工 作如下 第一章在阅读了大量相关文献资料的基础上 阐述了无刷直流电机的发展概况 特 点与应用领域 并对国内外对无刷直流电机的研究现状进行了综述 分析现阶段国内外在 无刷直流电机的主要研究方向以及主要研究成果 第二章介绍了无刷直流电机本体结构及各个结构的特点 并详细的分析了无刷直流 电机的运行原理 并推导了无刷直流电机的数学模型 分析了永磁无刷直流电机的运动 特性 转矩特性和转速特性 第三章给出了无刷直流电机控制系统参数的设计步骤和过程 并结合第二章的推导 的无刷直流电机的数学模型在s i m u l i n k 环境下搭建了无刷直流电机的控制系统的仿真模 型 对无刷直流电机控制系统进行了仿真 并无刷直流电机的数学模型进行仿真验证 第四章以hp w m l o n 控制模式为例 详细的分析了无刷直流电机在一个周期内 电路的工作状态 从而分析现阶段无刷直流电机存在不同的控制模式下的优缺点 并综 合各种控制方法的优缺点 提出一种改进型p w m o n p w m 控制策略 浙江大学硕士学位论文 第五章用1 1 公司的电机控制专用d s p 芯片喇s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为核心控制芯片 i r 2 1 3 1 为驱动芯片 a c s 7 1 0 和a c s 7 1 2 为电流检测芯片 搭建无刷直流电动机驱动系 统的试验平台 本章分别详细论述了功率主电路 驱动电路 检测电路的设计等 最后 介绍无刷直流电机高效控制控制系统的软件设计流程 第六章在第五章搭建的实验平台下进行实验 并对实验平台进行软硬件调试 最后 对实验结果进行了分析 与理论计算进行了比较验证 实验结果验证了第四章提出了改 进型p w m o n p w m 控制策略的优越性 第七章对全文所做的工作进行了总结和展望 对后续的研究提出了一些建议 行原理 一种典型的机电一体化产品 同步电机或自控式变频同步电 在结构上和永磁同步电机相 似 但是没有笼型绕组和其他起动装置 定子绕组一般为多相 转子由永磁材料按一定 的极对数组成 位置检测器检测转子磁极的位置 控制器对转子位置信号进行逻辑处理 并产生相应的驱动信号 驱动信号驱动逆变器中的对应的功率开关器件开通或关断 使 电机产生持续的转矩 1 9 5 1 1 2 1 1 电机本体 图2 1 无刷直流电机控制系统框图 无刷直流电机最开始的设计思想来源于普通的有刷直流电机 不同的是将直流电机 的转子 定子位置进行了互换 转子结构为永磁材料 产生气隙磁通 定子为电枢 多 相绕组对称结构 原直流电机的机械换向器装置和电刷被转子位置检测器 有位置传感 器无刷直流电机 和逆变器所代替 所以无刷直流电机本体本质上仍然是一种永磁同步 电机 故又称无刷直流电机为永磁无刷直流电机 7 浙江大学硕士学位论文 目前 无刷直流电机中多采用钕铁硼 n d f e b 和钐钴 s m c o 等高剩磁密度 高矫顽 力的稀土做永磁体 常见的转子结构有三种 如图2 2 所示 其中图 a 所示为表面式磁 极 它的结构是在铁心外表面粘贴径向充磁的瓦片形稀土永磁体 图 b 所示为嵌入式磁 极 它的结需在转子外表面套一个0 3 加 8 m m 的非磁性紧圈 以防止离心力将永磁体甩 出 同时在盐雾等恶劣环境中保护永磁体不被腐蚀 紧圈通常采用不导磁的不锈钢材料 也可用环氧无纬玻璃丝带扎 图 c 所示为环形磁极 它的结构是在铁心外套上一个稀土 永磁体磁环 使得环形磁体径向充磁为多极 适用于功率和体积要求都功较小的无刷直 流电机系统 且该结构的制造工艺性较好 除了普通的内转子结构的无刷直流电机外 还常常采用外转子结构 即将无刷直流电机本体直接装在轮毅里面 直接驱动电动车辆 这种结构的电机其位置传感器引线和定子绕组出线都从电机的轴上引出 2 1 2 位置传感器 图2 2 电机转子形式 n c 环形磁极 使用电子换相装置取代传统的机械电刷换向装置 需要知道无刷直流电机准确的位 置来控制电机换相 常用的有位置传感器无刷直流电机通过位置传感器确定转子磁极相 对于定子的位置 来控制逆变器上的开关管的导通和关断 从而实现定子绕组的正确换 相 位置传感器的种类很多 常见的有三种 光电式位置传感器 电磁式位置传感器和 磁敏式位置传感器 在无刷直流电机系统中安装机械式霍尔位置传感器虽然解决了转子位置检测问题 但同时位置传感器的存在增加了系统的成本和体积 对电机的制造工艺要求也变高 还 限制了它的应用范围 降低了系统可靠性 因此 近年来 国内外对无刷直流电机的无 浙江大学硕士学位论文 位置传感器运行投入了大量的研究 最常用的无位置传感器控制方法为反电动势检测法 通过绕组的感应反电动势来间接获取转子位置 与直接检测法相比 省去了机械式位置 传感器 简化了电机本体结构 降低了电机成本 因而无位置传感器控制方法得到了广 泛的研究和应用 2 1 3 电子换相电路 电子换相电路又称逆变器 它将直流电转变成交流电向电机供电 主要由功率逻辑 开关单元和位置信号处理单元组成 其主要作用是控制定子各相绕组各相通电的顺序 功率逻辑单元是整个控制系统的核心 其功能是控制开关管以一定的逻辑顺序导通和关 断 使得电机对应相产生电磁转矩 从而使电机持续不断的旋转 而各相绕组导通的顺 序和时间取决于来自位置传感器的位置信息 无刷直流电机的三相绕组中通过的电流波 形为1 2 0 电角度的方波 绕组在持续通过恒定电流的时间内产生的定子磁场在空间上 静止不动 而在换相期间 电流从一相换到另一相 定子磁场也随之跳跃了一定的电角 度 因此转子随着定子磁场连续旋转 从而保持 同步 详细解释见2 2 无刷直流电机 运行原理 无刷直流电机由于采用了这种自控式电子换相电路 使得电机输入相电流的 频率和电机转速始终保持同步 而且在负载发生突变时也不会产生失步或震荡 从而可 以更加精确的控制电机的转速 2 2 无刷直流电机的运行原理 普通直流电机是通过电刷和机械换相装置来不断地改变电机电枢绕组中电流的方向 使电机的两个磁场的方向始终保持相互垂直 从而产生恒定的电磁转矩驱动电机旋转 无刷直流电机为了实现无电刷换相的结构相对来简单 在结构上刚好与有刷直流电机刚 好相反 一般将永磁体放在转子上 把电枢绕组放在定子上 采用一般的直流电源给无 刷直流电机的定子的各相绕组供电时 只能产生一个固定磁场 而不能与运动中转子磁 体所产生的磁场进行相互作用 产生的转矩方向恒定不变 从而无法驱动电机持续旋转 所以 无刷直流电机除了由转子 定子组成电动机本体外 还需要有控制电路 功率逻 辑开关以及电子换相电路等共同构成的无刷直流电机的换向装置 使得无刷直流电机在 运行过程中转子产生的永久磁场和定子绕组产生的磁场在空间保持在9 0 的电角度 15 1 无刷直流电机的定子绕组有两种接法 可以接成接成星型也可以三角形 而逆变器 9 浙江大学硕士学位论文 主电路拓扑也有非桥式和桥式两种 因此无刷直流电机的运行方式也因电机本体的绕组 型式和逆变器拓扑选择而有多种组合 其中两相导通星型三相六状态是无刷直流电机最 常见的一种工作方式 1 9 1 本文的高效无刷直流电机控制系统采用此种工作方式 其控制 系统原理如图2 1 所示 位置传感器获得到得转子位置信号送给控制电路进行处理 控 制电路根据处理结果控制驱动电路产生对应的驱动信号 最后驱动信号经过电路隔离放 大后控制逆变电路中对应的功率开关管开通或关断 使对应相产生电流 从而产生电磁 转矩使电机旋转 现以由b 相导通切换到c 相导通的过程为例 详细阐述无刷直流电机 的运行原理 当转子位置旋转到如图2 3 中 a 所示的位置时 霍尔位置传感器检测到 的转子位置信号后送入d s p 控制系统进行逻辑分析和处理 再由d s p 控制系统输出驱 动信号驱动逆变器 使开关管v t l v t 6 导通 即a b 两相绕组通电 电流从电源的 正极流出 经v t l 流入a 相绕组 再流经过b 相绕组流出 最后经v t 6 回到电源的负 极形成一个完整的电流回路 在此阶段内 a b 两相定子绕组在空间产生的合成磁动 势如图2 3 中 a 图中f a 所示 此时转子 定子的磁动势相互作用 使电机做顺时针 方向旋转 当转子在空间转过6 0 电角度 到达图2 3 中 b 图所示位置时 位置传感器的 输入给d s p 的信号发生改变 同时d s p 经过逻辑处理和分析 驱动信号输出也将相应 的发生改变 此时v t l v t 2 导通 使a c 两相绕组通电 电流从电源的正极流出 经v t l 流入a 相绕组 再从流经c 相绕组流出 经v t 2 回到电源的负极 a c 两相 定子绕组在空间产生的合成磁动势f a 如图2 3 中 b 图所示 此时定转子磁场相互作 用 使电机的继续按顺时针方向旋转 o a n a a b 两相导通时转子位置示意图 oa b a c 两相导通时转子位置示意图 图2 3b 相导通换相到c 相导通切换的过程 1 0 空间 场连 次跳 且两 一爿 9l v t 4 时针方 浙江大学硕士学位论文 2 3 无刷直流电机的数学模型 f 萋j 言吾三 睦 妻薹茎 丢匿 圣 鎏 c 2 山 式中 e 口 e 6 e 为电机定子的各相反电动势 v i i 6 i 为电机定子的各相电流 a 眈 u b 以为各相定子对地电压 v o 即有 2 2 2 3 l 荔j 蚕昙墨 差 j 彳三 三三 f 丢 差 圣 参 c 2 4 垒型旦立竺 2 5 昏一1 l z 一了 净 吨 4 5 分 电 j j ji 7 iil 一 l l 二 一 二 o m k n k 定子绕组电流和反电动势波形 因此制逆变器方波电流的幅值输出即可以实现无刷直流电机输出转矩的控制 浙江大学硕士学位论文 为产生恒定的电磁转矩 要求反电动势为梯形波 定子电流为方波 且在每半个周期内 梯形波反电动势的平顶部分为1 2 0 电角度 方波电流的持续时间也为1 2 0 电角度 两 者应严格同步 定子绕组电流和反电势波形如图2 5 所示 在理想的情况下 在任何时刻 定子绕组都只有两项绕组导通 从而有 电磁功率可表示为 e o i o e b i b e i c 2 e d j i 口 b c 2 6 电磁转矩可表示为 t c o 2 e d c o 2 3 2 运动方程 无刷直流电机的运动方程为 乏 乃 肋 等 式中 乙一电磁转矩 聊 乃一负载转矩 聊 b 一为阻尼系数 n m s r a d 一为转子的转动惯量 姆 m 2 c o 一为转子的机械角速度 r a d s d c o d t 一为转子的机械角加速度 r a d s 2 2 3 3 状态方程 将电压方程进行变换得到状态方程如下 2 7 2 8 丢 耋 1 三f c 三 三曼 鎏 一 莒昙量 差 一 三 c 2 9 以上方程构成了完整的三项无刷直流电机模型 2 3 4 转速方程 无刷直流电机的转速特性方程式如式 2 1 0 子所示 u 一2 坼一2 魍 咒 j o c p 5 2 l o 浙江大学硕士学位论文 其中 v 转速 u 一电机直流侧电压 l 一相绕组电流 尺一电机相绕组 坼一开关器件的管压降 e 一电机的电动势常数 j 一励磁磁通 2 4 本章小结 本章介绍了永磁无刷直流电机本体的结构 并在此基础上介绍了国内外对无刷直流 电机研究现状 以及无刷直流电机的发展趋势 本章并以两相导通星型三相六状态控制 模式为典型详细介绍了用车无刷直流电机的工作原理 然后根据无刷直流电机的模型写 出无刷直流电机的状态方程 分析了无刷直流电机的运动特性 转速特性和转矩特性 为下面章节的编写无刷直流电机的控制程序提供理论依据 浙江大学硕士学位论文 第3 章无刷直流电机控制系统设计 文章的第2 覃详细描述了无刷置流电机的转速转矩特性 根据式 2 1 0 司以知道 改 变逆变器额输出电压 既可以调节电动机的转速 根据式 2 6 和式 2 7 得知 改变电机 的母线电流 就可以改变电机的输出转矩 无刷直流电机的控制也主要围绕这两个方向 最简单的控制方法为开环控制 但由于开环控制作用直接由输出量产生 控制精度 完全取决于所用元器件及环境 一 旦负载或是环境发生变化 电机的特性就会发生改变 系统没有自我校正的能力 抗干扰能力差 所以在要求比较高的控制系统中 必须采用 闭环控制 本控制系统以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为控制核心 设计以位置 速度 电流三闭环控制方 案 它具有良好的启动和抗干扰性能 完全可以满足本系统的需要 3 1 控制系统的动态数学模型 为简化分析和计算 前面已经指出 假定各相绕组对称 相应的时间常数忽略不计 在电机运行的任一时刻都只有两项导通 假设a b 相导通 则此时有i e 0 由于绕组中 性点的电流为零 则i a i b 通过图2 1 可以得到电机的电压平衡方程组如下 虬 f e o t m 尺 三一m 百d i t 3 1 乩 f 毛 力一 f 尺一 三一m 旦笋 3 2 两式相减 u o 哂 2 i f r 2 l m d i t 3 3 假定 k e 砗 车 刀 f 综合式子 2 8 与 3 3 则 t 以得到 u t 删2 2 r m h 警 3 4 l 小去警 3 5 其中 乃 三专堕 电枢回路的电磁时间常数 乙 卷 电力拖动的机电时间常数 浙江大学硕士学位论文 进行拉普拉斯变化可得 从而可以得到电机模型如下 s 1 2 r u s e s t t s l e s 2 r 厶 s 一 s 乙 5 3 2 逆交器的数学模型 图3 1 无刷直流电机传递函数模型 根据数字控制的原理可知 当脉宽调制器的控制电压u 改变时 p w m 变换器的占 空比要 放大环 周期非 递函数 式中 3 6 3 7 浙江大学硕士学位论文 k 等一脉宽调制器的放大系数 双闭环转速控制系统的转速和电流反馈环节都可以看成比例环节 同时因为反馈信 号含有交流干扰分量 故而需要添加滤波电路 其滤波时问常数按基本滤平波头进行选 择 再者 由于反馈滤波同时也会延迟反馈信号 为平衡这一延迟作用 在给定信号通 道也添加一个滤波环节 其时间常数与反馈电路的时间常数一致 以便给定信号与反馈 信号经过同样的延迟 这样 两者在时间上便达到同步 给控制程序的设计带来了方便 电流反馈通道的传递函数为 t 卢 3 9 o s 1 7 转速反馈通道的传递函数为 式中 口 兰掣一转速反馈系数 以 s p 等磐一电流反馈系数 l s 一 瓦一转速滤波时间常数 瓦一电流滤波时间常数 3 3 控制系统与电流环的分析与设计 口 乙s 1 电流环的作用是使得电机在启动时不超过允许的最大电流 从而加快系统的动态响 应 保证启动的快速性 能对电流和前向通道的扰动能及时调节 增强系统都抗扰性 并且母线电流i d 能跟随负载而变化 稳态无静差 改变电流环对象 提高电流跟随性能 5 4 1 当电机过载或堵转时 限制电枢电枢电流为最大值 可起到快速的安全保护作用 当故障消失时 系统能够自动回复正常 鉴于上电流环的基本作用 因此本转速控制系统对电流环得设计要求也应该是稳态 时无静差 而在动态过程中应保证电枢电流不超过允许值 也就是要求电流无超调或是 1 r 3 1 0 浙江大学硕士学位论文 超调量越小越好 从这个角度出发 我们将电流环设计成典型的i 型系统j 电流调节器 采用p i 调节器 3 3 1 电流环动态结构框图的化简 由上述的动态数学模型 我们可以得到电流环动态结构图如下图所示 图3 2 无刷直流电机转速控制系统电流环动态结构图 考虑到在一个实际的转速控制系统中 其机电时间常数乙远大于电磁时间常数z 转速的变化过程比反电动势变化快得多 比电流的调节过程慢得多 所以反电动势对电 流环来说相当于一个微小的扰动 根据小信号分析法 在电流调节器的快速调节过程中 可以认为e 几乎不变 也就是施 o 因此在设计p i 电流调节器时 可以先忽略反电 动势变化 而将电动势反馈作用断开 简化电流环作用 于是无刷直流电机转速控制系 统电流环动态结构图可以由图3 2 简化为图3 3 图3 3 忽略反电动势影响的转速控制系统电流环动态结构图 在图3 3 的基础上 再次将反馈滤波器和给定滤波器两个环节等效置于环内 于是 电流环结构简化为图3 4 所示单位反馈系统 浙江大学硕士学位论文 图3 4 忽略反电动势影响的简化转速控制系统电流环动态结构图 在图3 4 的基础上 考虑到反馈电路的时间常数t o 和p w m 逆变器的等效时间常数 霉都比电磁时间常数乃小的多 可以当作小惯性环节处理 并取廷 瓦 乃在经过简化 处理后 电流环的结构图最终可简化为图3 5 图3 5 最终简化后的电流环动态结构图 3 3 2 电流调节器结构的设计 首先应该考虑将电流环校正成哪类典型系统 从稳态要求上看 希望电流无静差 从而得到理想的堵转特性 由图3 5 可以看出 采用i 型系统就能满足设计要求 从动 态要求来看 实际无刷直流电机控制系统不允许电枢电流在突然施加控制信号时有很大 的超调 以确保电流在动态过程中不超过最大允许值 为此 设计电流环的时候应以考 虑跟随性能为主 即应选用典型的i 型系统 由图3 5 可知 电流环的控制对象是双惯性型的 要把电流环校正成典型的i 型系 统 电流调节器应该采用p i 调节器 其传递函数为 式中 k 一电流调节器的比例系数 傩 s 趔 t i s 3 1 1 浙江大学硕士学位论文 所示 z i 电流调节器超前时间常数 为了使电流调节器的零点与控制对象的极点对消 则校正后的电流环结构如图3 6 其中 图3 巧校正后的电流环动态结构图 局 警 3 3 3 电流调节器的参数计算 由式子 3 1 1 我们可以看到 要计算的电流调节器的参数是k i j t 其计算方法如 下 三 r f2 l 2 一r 考虑到对电流环的设计要求主要是跟随性能好 超调量小或是无超调量 同时考虑 到在电流调节器的作用下是把电流环校正成典型的i 型系统 因此需要根据选定的性能 指标并参照典型的i 型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系表 表3 1 来 对飚参数进行计算 3 1 2 3 1 3 本系统要求电流无超调量 即 o 由表1 可得可选毒 1 墨廷 1 4 则有 局2 毒 3 1 4 将式 3 1 2 和 3 1 3 f 弋a 3 1 4 有 2 1 k k k l r p i 型g2 硒t i r 4 k f l p 1 5 k p 4 k p 码 i 强 j 表3 1 典型i 型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数关系 参数关系k t 0 2 50 3 9o 5 00 6 0 1 0 阻尼系数毫 1 0o 80 7 0 7o 6 0 5 超调量o 0 1 5 4 3 9 5 1 6 3 上升时间住 6 6 t4 7 t3 3 t2 4 t 峰值时间t p 8 3 t6 2 t4 7 t3 6 t 相角稳定裕量y 7 6 3 6 9 9 6 5 5 5 9 2 5 1 8 截止频率 i 0 2 4 3 t0 3 6 7 t0 4 5 5 t0 5 9 6 t0 7 8 6 t 3 4 控制系统转速环的分析和设计团1 扰作用 其输出限幅值决定允许最大母线电流厶 一揣2 鬻 2 菇洲 3 1 6 局廷 1 4 代入式子 3 1 6 可得 浙江大学硕士学位论文 州 2 砭南 忽略高次项 因此式 3 1 7 7 以近似为 其中近似条件为 三 j 啪卜南 l 6 廷 代入转速环内 电流环等效传递函数的输入量应该是u g f s 所以电流环在转速环 内中应该等效为 信号 成一 框图 3 1 7 3 1 8 国 加 2 焉2 学 兰2 硒1 f l p 聊 k 一 转速调节器结构的设计 浙江大学硕士学位论文 图3 8 等效成单位负反馈和小惯性环节系统的转速环动态结构图 显然 转速环的控制对象一个小惯性环节和由一个积分环节组成 根据转速控制系 统在动态时有良好的转速控制性能和转速控制系统在稳态时无静差两项要求 转速环应 该被校正成典型的i i 型系统 根据校正成典型的i i 型系统的调节器类型选择表 表3 2 可得 表3 2 校正成典型的i i 型系统的调节器的选择和参数的配合 控制 kkkk k st s1s 弼1s7 s1ts1srs1ts1s7 s1ts1 rs1 对象 7 r r 7 相近r r 都很小丁 7 i 相近 调节k p i 1 k p i 1 k p i 1 1 k p i 1 k p i 1 器 参数 囝了 叮 叮或者田 仞7 r囝rr 配合 认为卜一 一 了 或者7 认为 零一 为了把转速环校正成典型的i i 型系统 应该选择p i 调节器为转速调节器 可设计传 递函数为 这样 调速系 令转速环的开 鼍产 3 2 0 浙江大学硕士学位论文 则有 峨 历k 瓦a r f d 乙 f 3 2 2 州2 硒k u r s 1 3 2 3 不考虑电机负载产生扰动时 校正后的得到调速系统的动态结构图如下图所示 图3 9 校正成典型的 型系统动态结构框图 3 4 2 转速调节器的参数的计算 由式f f 3 2 0 我们可以看到 要计算的转速调节器的参数是k 和气其计算方法如下 1 毛计算l n 办廷 2 k 的计算 峨2 赫 j 厶 上 f k 篆砦 一 典型的i i 型系统阶跃输入跟随性能指标与参数的关系如表3 3 所示 从表3 3 可以 看出 由于过度过程的衰减振荡性质 调节时间随h 的变化不再是单调的 h 5 时的调 节时间最短 此外 h 减减少时 上升时间快 h 增大时 超调量小 把各项指标综合起 来 h 5 时动态跟随性能标较为适中 3 2 4 3 2 5 浙江大学硕士学位论文 表3 3 典型的 型系统阶跃输入跟随性能指标 h34567891 0 0 5 2 6 4 3 6 3 7 6 3 3 2 2 9 8 2 7 2 2 5 2 3 3 锰氓2 4 02 6 52 8 533 13 23 33 3 5 t s t1 2 1 51 1 6 59 5 51 0 4 5 1 1 3 1 2 2 51 3 2 51 4 2 0 k32211l11 典型的i i 型系统的抗绕性能指标与参数的关系如表3 4 所示 由表的数据可以看出 h 越小 凸l m 也越小 t m 和t v 都短 因此抗扰动性能越好 这个趋势与跟随性能指 标中超调量与h 值关系恰好相反 反映了快速性与稳定性之