硕士学位论文-油田专用螺杆泵无位置传感器无刷直流电动机控制器的研究.doc

工学硕士学位论文油田专用螺杆泵无位置传感器无刷直流电动机控制器的研究宋宏明哈尔滨理工大学2011年3月国内图书分类号：TM301工学硕士学位论文油田专用螺杆泵无位置传感器无刷直流电动机控制器的研究硕士研究生：宋宏明导师：高晗璎教授申请学位级别：工学硕士学科、专业：电机与电器所在单位：电气工程及其自动化学院答辩日期：2011年3月授予学位单位：哈尔滨理工大学Classified Index：TM301A Dissertation for the Degree of Master EngineeringStudy on the sensorless control system of Brushless DC MotorCandidate：Song HongmingSupervisor：Professor Gao HanyingAcademic Degree Applied for：Master of EngineeringSpecialty：Electrical Machine and ApparatusDate of Oral Examination：March, 2011University：Harbin University of Science AndTechnology哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文无位置传感器无刷直流电动机控制系统的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书无位置传感器无刷直流电动机控制系统的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于 保密，在 年解密后适用授权书。 不保密 。(请在以上相应方框内打)作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日哈尔滨理工大学工学硕士学位论文油田专用螺杆泵无位置传感器无刷直流电动机控制器的研究摘 要本文首先就螺杆泵在油田开采中的应用概况作简要介绍，同时阐明了无刷直流电机作为螺杆泵驱动装置的优越性，并且展望了它的应用前景。随着控制理论的不断发展，新型电力电子器件和新型永磁材料的出现，无刷直流电机在国民经济各个领域中的应用也越来越广，在此过程中人们发现无位置传感器检测方法的优势也日趋明显。本文通过对无刷直流电动机的结构的阐述、基本工作机理的分析，围绕无刷直流电机无位置传感器控制技术的核心问题，即怎样通过硬件的合理设计、软件的合理编程来达到间接获取可靠的转子位置信号，进而对无位置传感器无刷直流电动机控制系统进行了深入的探讨。首先，深入分析了谐波电势法检测原理。其次，针对电机静止或低速时反馈信号较低的现象，提出了以三绕组预定位为前提的三段式启动方法。然后，使用MATLAB7.1/Simulink对所提出的控制系统方案进行建模仿真，以确定其可行性，为系统软硬件的设计提供依据。设计了以TMS320F2812 DSP为核心的系统硬件电路，编制了软件流程图。最后，通过试验平台，对整个电机控制系统进行了相关实验，给出了实验结果和实验分析。同时证明了本文所研制的直流无刷电机无位置传感器控制器运行良好。关键词无刷直流电动机；谐波电势检测； 三绕组预定位；Matlab仿真Research into Screw Pump Position-sensorlessBrushless DC Motor Controller in OilfieldAbstractThis paper first introduces briefly the application of screw pump in oilfield, clarifying the advantages of brushless DC motor as screw pump driving and predicting its application prospects.With the continuous development of control theory and the appearing of new power electronic devices and new permanent magnetism materials, brushless DC motor has found more and more application in various areas of national economy. In this process, the advantages of position-sensorless control detection method have become increasingly obvious.Through the analysis of the structure of brushless DC motor and its basic working mechanism, centering on the core problem of the technology of brushless DC motor position-sensorless control, namely, how to get indirect gain reliable rotor position signals by means of reasonable design of hardware and reasonable programming of software, discussing in detail the control system of position-sensorless brushless DC motor. First, we make an in-depth analysis of the harmonic potential detection principle. Second, aiming at the phenomenon of low speed feedback signals when the motor is static or at low speed, we put forward a 3-sectional startup method based on the 3-winding pre-location as a prerequisite, and then make a modeling simulation of the control system scheme, using MATLAB7.1/Simulink to ensure its feasibility, providing a basis for the design of the systems hardware and software, designing the system hardware circuits with TMS320F2812 DSP as the core, and compiling the software flow chart. Finally, through the experimental platform, we make related experiments on the whole motor control system, giving the experimental results and experimental analysis, and proving that the brushless DC motor for position-sensorless controller developed in this paper is running well.Keywords BLDCM; harmonic potential detection; three winding pre-location; Matlab simulationII目录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 螺杆泵及其驱动电机在油田中的应用11.2 无刷直流电动机发展过程及控制技术研究现状11.3 位置传感器介绍21.3.1 有位置传感器21.3.2 无位置传感器21.4 课题研究的目的、意义和内容3第2章 无刷直流电机运行机理及数学模型42.1 无刷直流电动机的基本结构42.2 无刷直流电动机的工作原理52.3 无刷直流电动机的数学模型92.4 本章小结11第3章 无刷直流电动机无位置传感器控制方案与仿真123.2.1转子预定位173.2.2外同步加速183.2.3自同步运行183.3系统控制方案183.4系统仿真模型的建立203.4.1电机本体模块203.4.2谐波电势检测模块213.4.3电机启动模块223.4.4换相逻辑模块223.5仿真结果分析233.6本章小结25第4章 无位置传感器无刷直流电机控制系统的设计与实验264.1 无位置传感器无刷直流电动机控制系统的硬件设计264.1.1 DSP2812最小系统264.1.2 系统主电路设计264.1.3 谐波电势硬件检测电路设计274.1.4 驱动电路设计284.1.5 相电流检测电路284.2 基于DSP2407控制系统软件的实现294.2.1 系统主程序流程294.2.2 系统初始化304.2.3 启动304.2.4 捕获中断304.2.5 定时器周期中断324.3 实验324.3.1实验平台324.3.2实验波形及分析334.4 本章小结35结论36参考文献37攻读学位期间发表的学术论文41致谢42第2章 无刷直流电机工作原理及其数学模型第1章 绪论1.1 螺杆泵及其驱动电机在油田中的应用大庆油田自上个世纪建成开来，已经连续开采50多年。油田生产已进入中晚期，从地下采出的原油中伴有大量的天然气、水、沙子、岩屑及各种固态盐类，原有的采油设备不能很好的适应这种工况。螺杆泵具有无阀、转动部件少、流道简单、过流面积大、油流扰动小，在开采高含沙、含气量较大和高粘稠度的原油时具有灵活可靠、抗磨蚀及容积效率高等优点，因而得到越来越广泛的应用。螺杆泵根据原动机不同，其驱动装置可分为电动机机械驱动，内燃机驱动和气动驱动三种方式，目前大庆油田主要应用的是电动机机械驱动。通常情况下采用的是异步电动机，但是异步电动机调速困难（尤其是在低频下工作）、效率低、功率因数低已经越来越不适应当今的节能要求，而无刷直流电动机以其优异的性能将最终取代异步电动机。1.2 无刷直流电动机发展过程及控制技术研究现状有刷直流电动机诞生于19世纪40年代，由于其优异的转矩控制特性，在很长一段时间内一直统治着。但是，由机械换向装置组成的电刷一直是有刷直流电动机的一个致命弱点，它限制电机的极限容量，降低了系统的可靠性，因而它已逐渐淡出运动控制领域。上世纪的1917年Bolgior就提出了采用整流管取代有刷直流电机的机械换向装置，从而产生了无刷直流电机的基本思想。1955年，美国的D. 哈里森等人首次申请了利用晶体管换向代替机械换向器的专利，这，标志着无刷直流电机的诞生1。由于永磁材料和功率器件的的限制，无刷直流电机一直无法推广使用。此后又经过人们多年坚持不懈的努力，1962年，借助于霍尔元件来实现换向的永磁无刷直流电机终于试制成功，从而迈向了了永磁无刷直流电机产品化的道路。1978年，原联邦德国MANNESMANN公司的Indramat分部在汉诺威贸易展览会上正式推出其MAC永磁无刷直流电机及其驱动系统，至此永磁无刷直流电机才真正走向实用阶段2,3。同电励磁直流电动机相比较，无刷直流电动机在工作原理及运行特性等方面基本是相同的。但是在结构差异较大，电励磁直流电机的转子是电枢，定子是磁极；无刷直流电机定子是电枢，转子是磁极。高性能的无刷直流电动机控制系统一般采用闭环控制。为了减小转矩脉动，拓宽调速范围部分研究人员提出了多种控制方式，主要有：锁相环(Phase Locked Loop)控制、三角载波PWM(Ramp Comparison PWM)控制、滞环PWM(Hysteresis PWM)控制、预测控制(Predictive Control)等57。二十一世纪是信息的时代，微电子技术迅猛发展，各种高速数字信号处理器(Digital Signal Processor)和工业单片机层出不穷，使得无刷直流电机由传统的模拟技术向微处理器控制的数字技术转变，大大简化了系统结构，提高了系统性能，并且已出现了全数字化“软件伺服”的实用系统8,9。数字控制系统技术不但使系统获得高精度、高可靠性，还为新型控制理论（如矢量控制、直接转矩控制、磁场加速控制、参数自适应控制、滑模变结构控制和非线性解耦控制等）的应用提出提供了物质基础。1.3 位置传感器介绍在无刷直流电动机控制系统中，逆变器驱动信号的输出取决于转子位置信号，因而位置检测势必不可少的。磁极位置检测可分为有位置传感器和无位置传感器两种。下面就国内外现阶段常用的有位置传感器和无位置传感器加以介绍。1.3.1 有位置传感器在无刷直流电动机中，常用的位置传感器有以下几种类型：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、铁磁谐振电路等多种类型10。2. 磁敏式位置传感器 常见的磁敏式位置传感器是由霍尔组件或霍尔集成电路构成的。霍尔组件式位置传感器由于结构简单、性能可靠、成本低，是目前在无刷直流电动机上应用最多的一种位置传感器11。3. 光电式位置传感器12,13等 1.3.2 无位置传感器无位置传感器的无刷直流电动机控制中，在电机本体上没有专门的转子位置传感器。但在电动机旋转过程中，仍然需要转子位置信号，以控制电动机换相。因此，间接获取转子位置信号是此项技术的关键。为此，人们提出了多种转子位置信号检测方法，基本上是利用检测定子电压、电流等容易获取的物理量实现转子位置的估算14,15。归纳起来，可以分为反电势法、电感法、状态观测器法、电动机方程计算法等几大类14,15。1.4 课题研究的目的、意义和内容无刷直流电动机的工作特性与有刷电励磁直流电动机基本相同，调速性能较好。但其逆变器的工作输出取决于转子位置，因此转子位置信号是必不可少的。为了得到准确的转子位置信号，通常采用外置式位置传感器进行检测。无论采用哪种外置式传感器，都存在如下共同缺点2931:使得电机体积增大、电机的成本上升、使得电机的连接线数量增加、电机的可靠性降低、电机生产的难度加大。鉴于以上原因，外置转子位置传感器在一定程度上限制了永磁无刷直流电动机的推广和应用，如果能够省去外置式传感器而采用其它方式检测转子位置，必定能够促进永磁无刷直流电动机的发展。所以，无位置传感器控制技术成为了无刷直流电机控制领域的研究热点。本论文在对BLDC的基本工作原理进行理论分析的基础上，提出了一种新型位置检测方法谐波电势法，设计谐波电势法检测电路，研究控制算法，实现基于谐波电势法检测法的无位置传感器无刷直流电动机控制系统。本论文研究工作如下：1. 在详细分析谐波电势检测法无位置传感器无刷直流电动机控制原理的基础上，对实现方法进行理论分析。2. 采用谐波电势法实现了无刷直流电动机位置检测。3. 分析无位置传感器检测法造成转子位置检测误差的原因，并提出相应的校正方法。4. 对无位置传感器无刷直流电动机启动方法进行深入的研究，并确定适当的启动方法。5. 在分析无刷直流电动机的运行原理、数学模型和控制方法基础上，采用MATLAB/SIMULINK进行了无位置传感器无刷直流电动机控制系统的仿真建模。6. 采用TMS320F2812 DSP作为控制芯片并以IR2110为驱动芯片进行无位置传感器无刷直流电动机控制系统设计、制作和调试第2章 无刷直流电机运行机理及数学模型永磁无刷直流电动机(Permanent magnet brushless DC motor)用功率开关换向电路取代了直流电动机电刷，解决了直流电动机的换向问题。它既有交流电机的优点如：结构简单、运行可靠、维护方便等，又有直流电机的优点如：起动转矩大、调速范围宽、控制电路简单以及线性机械特性等。下面是无刷直流电动机结构、原理以及数学模型。2.1 无刷直流电动机的基本结构无刷直流电动机(Brushless DC Motor，简称BLDCM)是机电一体化设备，它是由位置检测器、控制器、逆变器和电动机本体组成，如图2-1所示。图2-1 无刷直流电动机系统Fig. 2-1 Brushless DC motor system由位置检测器判断转子磁极位置，控制器根据转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的开关信号，开关信号以一定的顺序控制逆变器中功率开关器件，将电源功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子的各相绕组，使电动机产生恒定转矩。下面我们介绍无刷直流电动机各部分的基本结构32。1电机本体 图2-2所示。其作用是进行机电能量转换。由定子、转子、转子位置检测器组成。定子由定子绕组、定子铁心、机座构成，转子是电机的转动部分，由永磁体、导磁体和支撑部件组成。2转子位置检测器 见图2-2 由转子和定子两部分组成，其转子与电机转子同轴，定子则固定在电机本体端盖上，作用是将转子磁极位置转换为电脉冲信号，送给控制器。3控制器 控制器是完成无刷直流电动机一切功能的核心。根据转子的位置决定功率开关管的输出时序，实现电机的启动、停止，正、反转，并且对电机的短路、过流、过压、欠压等故障进行保护。4逆变器 逆变器是一个功率转换器件，他将直流电转换成交流电来驱动无刷直流电动机。它又是一个“自控式逆变器”，电机定子绕组输入电流的频率和电机转子转速始终保持同步，因此系统不会产生振荡和失步现象。图2-2 无刷直流电动机结构示意图Fig. 2-2 Structural diagram of the BLDCM2.2 无刷直流电动机的工作原理图2-3 三相无刷直流电动机系统Fig.2-3 Three-phase brushless DC motor system与普通直流电机不同，直流无刷电机把电枢绕组放在定子上，永久磁钢放在转子上，根据检测到的转子实际位置，按照事先编制好的程序由控制器发出电枢绕组导电时序，使得电枢磁势与转子磁势始终保持在平均值为的电角度，以产生恒定的电磁转矩。下面以一对磁极，每极每相60相带，电枢绕组A、B、C三相星形连接全桥驱动为例，说明无刷直流电动机的工作原理33 ，如图2-3。假设当转子处于图2-4 a)位置时为0，相带X、B、Z在N极下，相带A、Y、C在S极下，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使VT1、VT6导通，电流从电源的正极流出，经VT1流入A相绕组，再从B相绕组流出，经VT6回到电源的负极。电枢绕组在空间产生的磁动势为图2-4 a)中Fa，此时定子磁场Fa与转子磁场Fr相互作用，使电机的转子逆时针转动。各相通电波形见图2-5所示。当转过60角后，转子位置如图2-4 b)所示。 a) A+，B- b)转过60 c)继续旋转d) A+，C- e)转过60 f) B+，C-g) B+，A-图2-4 无刷直流电动机工作原理示意图Fig. 2-4 Working schematic diagram of BLDCM表2-1 三相星形联结全桥驱动的通电规律Tab.2-1 Star driving law of three-phase full-bridge linkage通电顺序正转(顺时针)转子位置电角度06060120120180180240240300300360开关管1,61,22,33,44,55,6A相B相C相通电顺序反转(逆时针)转子位置电角度36030024030018024012018060120060开关管3,21,21,65,65,43,4A相B相C相注：表中“+”表示正向通电；“-”表示反向通电。这时如果转子继续转下去就进入图2-4 c)所示的位置，这样就会使同一磁极下的电枢绕组中有部分导体的电流方向不一致，它们相互抵消，削弱磁场，使电磁转矩减小。因此，为了避免出现这样的结果，当转子转到图2-4 b)的位置时，就必须换相。使B相断电，C相通电。这样，使转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使VT1、VT2导通，电流从电源的正极流出，经VT1流入A相绕组，再从C相绕组流出，经VT2回到电源的负极。电枢绕组在空间产生的磁动势Fa如图2-4 d)示，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续逆时针转动。转子继续旋转，转过60角后到图2-4 e)所示位置，根据上面讲的道理必须要进行换相，即A相断电，B相正向通电。换相后如图2-4 f)所示。转子再转过60角，则再进行换相，使C相断电，A相反向通电，如图2-4 g)所示。图2-5 电流与感应电动势波形Fig.2-5 Force waveform of current and inductive electromotive这样如此下去，转子每转过60就换相一次，相电流按图2-5所示的顺序进行断电和通电，电动机就会平稳地旋转下去。易知转子在空间每转过60电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的磁状态就发生一次跃变。可见，电机有六种磁状态，每一状态有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120电角度。我们把无刷直流电动机的这种工作方式称为两相导通星形三相六状态。另外，按照图2-4的驱动方式，就可以得到如图2-5示的波形。下面结合2-5中电流波形来分析一下绕组相电势的波形。在图2-4 a)到图2-4 b)的60电角度范围内，转子磁场沿顺时针连续旋转，而定子合成磁场在空间保持图2-4 a)中Fa的位置静止。只有当转子磁场连续旋转60电角度，到达图2-4 b)所示的Fr位置时，定子合成磁场才从图2-4 a)的Fa位置跳跃到图2-4 d)中的Fa位置。可见，定子合成磁场在空间不是连续旋转的，而是一种跳跃式的旋转磁场，每个步进角是60电角度。以A相为例，并参照表2-1，在转子位于0120区间内，相带A始终在S磁极下，相带X始终在N磁极下，所以感应电动势eA是恒定的。在转子位于120180区间内，随着A相的断电，相带A和相带X分别同时逐渐全部进入N磁极下和S磁极下，实现换极。由于磁极的改变，使感应电动势的方向也随之改变，eA经过过零点后变成负值。在转子位于180300区间内，A相反向通电，相带A和相带X仍然分别在N磁极下和S磁极下，获得恒定的负感应电动势。在转子位于300-360区间内，A相断电，相带A和相带X又进行换极，感应电动势的方向再次改变，eA经过过零点后变成正值。因此，感应电动势是梯形波，且其平顶部分恰好包含了120电流方波。转子每旋转一周，感应电动势变化一个周期。其电流和感应电动势波形如图2-5所示。对于B相和C相，感应电动势的波形也是如此，只不过在相位上分别滞后于A相120和240。2.3 无刷直流电动机的数学模型无刷直流电机是一个强耦合、多变量、非线性和时变的控制系统。我们首先以两相导通星形三相六状态方式为例，分析它的数学模型。无刷直流电机定子感应电动势为梯形波，绕组间的互感是非线性关系。直接利用电机原有的相变量来建立数学模型比较方便，又能获得较准确的结果34。为了便于分析，现做如下简化：(1) 电动机的气隙磁场在空间呈梯形（近似为方波）分布；(2) 忽略齿槽效应，电枢导体连续分布于电枢表面；(3) 电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计；(4) 忽略电机中的铁心饱和，不计磁滞损耗和涡流损耗；(5) 三相绕组完全对称；(6)逆变器的功率管和续流二极管具有理想的开关特性。由于转子的磁阻不随转子位置的变化而改变，因此定子绕组的自感和互感为常数，则相绕组的电压平衡方程可表示为 (2-1)式中：ua、ub、uc 为定子各相绕组电压；ia、ib、ic 为定子各相绕组电流；ea、eb、ec 为定子各相绕组反电动势；r 为每相绕组的电阻；L为每相绕组的自感；M为每两相绕组间的互感。由于三相绕组为星形连接，即，因此，所以式(2-1)可以变为 (2-2)由此可以得到无刷直流电动机的等效电路如图2-6所示。图中，为直流侧电压，VT1VT6为功率开关器件，VD1VD6为续流二极管，图中标出的相电流和相反电动势的方向为其正方向。图2-6无刷直流电动机的等效电路Fig.2-6 Equivalent circuit of BLDCM无刷直流电动机的电磁转矩是由定子绕组中的电流与转子磁钢产生的磁场相互作用而产生的，电磁转矩表达式为35 (2-3)式中：、为三相绕组的反电动势；、为三相绕组的电流；为转子的机械角速度。电机的运动方程为 (2-4)式中为转子及负载的转动惯量，为负载转矩，为空载制动转矩。 对于 Y 形连接的永磁无刷直流电机，在其通电期间，其定子中的带电导体均处于相同的磁场之下，其相绕组的感应电动势幅值为 (2-5)式中n为电机的转速；为每极磁通；为电机每相绕组的串连匝数； 为极对数。 对于交直交变频器系统，永磁无刷直流电机的两相绕组串连经逆变器与直流电源相连。从逆变器的直流侧看，电机电枢绕组电动势为36 (2-6)利用式(2-6)和及，永磁无刷直流电机的电磁转矩又可表示为 (2-7)式中：，为电机的转矩常数，为逆变器直流侧电流。2.4 本章小结本章从电动机的基本结构入手，详细分析了永磁无刷直流电机的运行原理。建立了电机的数学模型，以及传递函数模型，为无刷直流电机控制系统设计提供了有力的理论依据。- 11 -哈尔滨理工大学工学硕士学位论文第3章 无刷直流电动机无位置传感器控制方案与仿真前面一章介绍了无刷直流电机的工作机理和数学模型，本章则确定其具体控制方案，下面主要讨论如何检查转子位置、电机的启动、及系统控制方案。3.1 位置信号检测方案通常情况下，无位置传感器无刷直流电机的位置检测方式有以下几种，瞬时电压方程法，续流二极管工作状态检测法，反电势积分法，观测器法，反电势3次谐波法，反电势过零点检测法等，在以上各种检测方法中以反电势过零点检测法应用较广，但是它们在工程上都存在不同的问题。以下我们介绍一种全新的检测方法。3.1.1 基于谐波电势检测法本系统为三相永磁无刷直流电动机，电枢绕组星形连接，采用120，两两导通方式，那么电枢绕组每相的反电势可以分解为基波和各次谐波之和，如图所示。图3-1梯形反电动势及其基波与三次谐波 Fig.3-1 Trapezoidal back EMF and its base wave and third harmonic generationA、B、C相反电势表示为 (3-1) (3-2) (3-3)将A、B、C三相相加得 (3-4) 式中是三相定子绕组反电动势的三次谐波之和；是三相定子绕组反电动势的三的奇数倍次谐波之和，统称为高次谐波和。根据无刷直流电机的相电压方程式，由iA+iB+iC=0,那么三相相电压之和就是 (3-5)由此可见，星形接线的无刷直流电机，它的定子三相相电压之和等于定子三相绕组反电动势之和，它由两项组成，其一为三次谐波之和，其二为高次谐波之和， 因此我们加他成为谐波电势34。因为通常情况下电机是没有中性点引出线的，因此采用如下电路，定子绕组图3-2定子绕组外接三相对称电阻 Fig.3-2 Stator winding external three-phase symmetric resistance外接星形电阻网络，其中性点为O,作如下推导， (3-6)引进直流母线负极G点，可得 (3-7) (3-8) (3-9)当逆变器处于120两两导通方式时，设V1和V2导通，有如下关系 (3-10)将3式代入1式可得 (3-11)参考点M是图中，跨接在直流母线上的两个等值高值电阻，将代入上式，得 (3-12) 上式整理后为 (3-13)上述结论在逆变器处于其他开关组合时仍然成立。通过推到得出这样的结论：在引进直流电源参考点M对称电阻网络中性点O之后，测量这两点间的电压，得到了反电势三次谐波信号与反电势高次谐波信号之和，我们称之为反电势的谐波电势简称“谐波电势”。他与相反电势的波形梯形波之间关系如下图所示。谐波电势的每个过零点与某一相的一个反电势过零点相对应，可以利用这个特征点作为换相的依据，因此我们把这个利用反电势的谐波电势过零点来检测转子位置的方法称之为“谐波电势法”。3.1.2换相点的确定及相位移补偿方案检测到谐波电势过零点后，再延迟30电角度即为无刷直流电动机的换相点。换相原理如图3-9所示，相应的功率开关切换顺序如表3-1所示。为防止外部信号干扰，本文所使用的为RC无源低通滤波，如图3-10所示。 图3-3无刷直流电机反电动势与谐波电势Fig.3-3 BLDCM back EMF and the harmonic potential表3-1 功率开关切换顺序Tab.3-1 Power switch commutation order过零点延时角度换相点切换开关m130n1VT6VT2m230n2VT1VT3m330n3VT2VT4m430n4VT3VT5m530n5VT4VT6m630n6VT5VT1图3-4 延迟30换相原理图Fig.3-4 Schematic diagram of lagging 30commutation 图3-5 低通滤波器Fig.3-5 First-order low-pass filter本文中取R1=10k，R2=270，C1=10F。由于螺杆泵电机转速较低滞后的影响很小，不会影响电机的正确换相，无需进行补偿。 3.2 启动过程分析由无刷直流电动机感应电动势方程： (3-14)可知无刷直流电动机的反电势大小与每极磁通量及转速有关。对于一台确定的无刷直流电动机每极磁通量不变，电机的反电势与转速成正比。当电机处于静止或低速运转状态时，反电势幅值为零或者很小，同理谐波电势也很小，无法用来检测转子磁极当前位置，所以启动时不能根据谐波电势进行换流，电机无法自起动，需要寻求其他方法来解决起动问题。常用的起动方法有以下几种：任意位置开环起动法，特定位置开环起动法，询问起动法，脉冲转子定位起动法等。本文采用“三段式”起动法,如下图图3-6所示。图3-6三段式启动方法Fig. 3-6-sectional startup method该方法把起动分三步进行：转子预定位、外同步加速和自同步切换。这样既可以使电机旋转方向可控，又可以使电机达到一定转速后再进行切换，以确保启动成功。3.2.1转子预定位本文采用了一种全新的转子预定位方法三绕组通电定位法，我们采用如下方法。 图3-7 无刷直流电机转子定位过程示意图Fig.3-7 Diagram of BLDCM rotor position course首先A、B两相先通电，A相绕组正向通电，B相绕组反向通电如图3-11(a)所示，Fa、Fb共同作用合成磁势Fr(即Fab)，经一定延时后再给C相正向通电如图3-11(b)所示,Fc与Fab共同作用合成磁势Fr(即Fabc)，那么转子将最终定位在这个位置上。由于两相绕组导通所形成的是一个脉振磁势其方向不变，仅仅改变大小。而三相导通时其合成磁势不仅改变大小同时改变其方向，在这一变化磁势Fabc的作用下转子会向合成磁势的轴线方向旋转，直到转子磁极与该合成磁场轴线重合。转子定位成功。转子到达定位平衡点以后，并不立刻静止，将在平衡点附近作震动。在粘滞摩擦和磁滞涡流的阻尼作用下，经过几次摆动后静止在预定位点。所以，为了使转子有足够的时间定位，三相通电需要保持一定的时间，同时调节PWM信号占空比保持适当的电流，以产生足够的电磁转矩保证转子转动到预定的位置。3.2.2外同步加速转子定位成功后，按照事先编号的换相程序让逆变器工作，逐步升、压升频使电机加速，直到可以准确的检测到谐波电势为止。我们利用电机厂家提供调节特性曲线，经过分析计算，以及反复试验最后得出占空比和换相频率。3.2.3自同步运行当电机升速到预定转速后，就可以切换到根据谐波电势过零信号换相的自同步运行阶段。切换也是无位置传感器无刷直流电动机运行的关键之一，本文通过实验方法来确定切换的时间。3.3系统控制方案无刷直流电动机的感应电动势和电磁转矩方程如下： (3-15) (3-16)式中：E为感应电动势；Te电磁转矩；为通电导体数；为永磁体产生的气隙磁通密度；为转子铁心长度；为转子半径；为转子的机械角速度；为定子电流。上式表明，对于一台确定的无刷直流电动机，有如下关系，因此，无刷直流电动机具有良好的线性控制特性。由于转子永磁体提供的基本磁场是不可控的，那么只能通过控制电枢电流来控制电磁转矩了。图3-12是速度、电流双闭环调速系统控制框图。（这部分是否放在软件部分）给定转速与速度反馈量形成偏差，经速度调节后产生电流参考量，它与电流反馈量的偏差经电流调节后形成PWM占空比的控制量，实现电动机的速度控制。图3-8 三相无刷直流电动机调速控制框图Fig.3-8 Block diagram of three-phase BLDCM speed control 速度环由于电动机本体和机械负载转动惯量的存在，系统时间常数大，响应慢47。本系统设计是基于DSP 的三相无刷直流电动机全数字双闭环控制系统。系统控制结构图如3-13 所示。谐波电势检测信号要送到DSP捕获口，其作用有二：第一，经内部软件移相后得到控制状态字，由控制状态字来决定PWM的输出逻辑；第二，转速计算，将计算结果作为反馈量送到速度环PI调节器，同时也将结果送至显示输出。图3-9系统控制结构图Fig.3-9 Control system structure电流反馈输出通过精波整流电路连接到TMS320F2812的ADC输入端，对其中的两相进行采样，第三相由加法器来完成，采样周期期在定时器周期中断设置。3.4系统仿真模型的建立针对上节提出的控制方案现利用MATLAB/SIMULINK仿真软件建立控制系统的仿真模型，完成系统仿真。系统模型见图4-1。其中主要包括：BLDCM本体模块、反电动势检测模块、电机逻辑换相模块、电机启动模块、速度电流PI模块以及逆变模块等。3.4.1电机本体模块MATLAB中的电力系统模型库中的电机模型库带有“Permanent Manget Synchronous Machine”，只需将“Configuration” 对话框中的反电动势为“Trapezoidal”获得无刷直流电动机模型48。其中A、B、C为电动机的三相绕组，与控制器输出端相接。Tm机械负载。可测量的喜好有定子的绕组电流、反电动势、转速和转矩信号等。图3-10 系统仿真模型Fig.3-10 System simulation module 3.4.2谐波电势检测模块本文所建立的谐波电势检测模块如图4-2所示，式中MO in为谐波电势采样信号，MO out为经过处理后的换相信号。将采样的谐波电势信号经过过零比较输出给计数器，计数器再将整形后的信号送至Embedded MATLAB Function在经过软件滤波后输出给相位延迟模块，这样谐波电势过零点信号图3-11谐波电势检测模块Fig.3-11 Harmonic potential detecting module延迟30就是换相点信号。3.4.3电机启动模块前面章节已讨论过启动的问题。本文采用的是升频升压法，即不断增加控制电压的占空比同时增大电压频率。使用MATLAB Function来具体实现，程序如图4-3所示。图3-12 电机启动模块及其仿真程序Fig.3-12 Motor start module and the simulation program图中，g1为逆变器换相逻辑信号，在开环阶段g1信号来自于MATLAB Function，在闭环阶段来自于g信号。Step1控制开环向闭环切换的时间。3.4.4换相逻辑模块启动完成后，进入闭环自同步阶段。将采集到的谐波电势过零点信号经变换处理后，控制逆变器开关管幻想输出。如图4-4图3-13 换相逻辑模块Fig.3-13 Commutation logic module3.5仿真结果分析下面给出电机参数：定子绕组电阻R为2.875，定子绕组电感L为8.5mH，转动惯量J为0.0008kgm2，极对数P为4，额定转速N为1800 rmin-1，额定电压U为300V，额定电流I为2A。仿真时间均设定为0.2s，给定转速500 rmin-1时转矩从3到5条件下的转速、转矩、电流以及谐波电势检测信号的响应波形。如图4-11、图4-12和图4-13所示。图3-14为t为0.1s时刻负载从3突变至5的转矩和转速响应曲线，图4-12为三相电流响应曲线。如图3-16，上面的图形是C相反电势与谐波电势的关系图，从图中可以看出反电势的每个过零点均与谐波电势过零点相交，这个特征点向后延迟30后就是换相点。下面的图形谐波电势计数器，计数器的每一个上升沿对应着一个反电势与谐波电势过零点的焦点。n/rmin-1Te/Nmt/s图3-14 给定转速300 rmin-1时电机转矩和转速波形Fig.3-14 Torque and speed wave with reference speed at 300 rmin-1 ic/Aib/Aia/At/s图3-15 给定转速为500 rmin-1时三相电流波形Fig.3-15 Three-phase currents wave with reference speed at 500 rmin-1谐波电势计数器器谐波电势势C相绕组反电势Hall_C/Ve_C/Vt/s图3-16谐波电势计数器Fig.3-16 Harmonic potential counter由以上图4-11、图4-12和图4-13可以看出，系统启动经过不足5ms的时间，转速就达到稳定状态，说明系统转速响应速度快。转矩在负载突变的前后两个稳态的过渡时间极短，而且转矩达到5后，转矩波形几乎没有振荡。同时说明系统稳定性良好。在给定转速为 300 rmin-1时，我们看到仿真波