（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的直流无刷电机控制系统研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eb r u s h l e s sd cm o t o rc o n t r o ls y s t e mi san o v e ls p e e d - v a r i a b l es y s t e m i t o f f e r se x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c so fo p e r a t i o n ，c o n t r o la n de c o n o m y , a n ds h o w sg r e a t d e v e l o p i n gp o t e n t i a l i t y t h ed e s i g n u s eb r u s h l e s sd cm o t o r 嬲a no b j e c t , c o m p l e t i n gt h ed e s i g no fh i 曲p e r f o r m a n c ec o n t r o ls y s t e mo fb l d cb a s e do n d s et h es y s t e mh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fd i g i t a lm o t o rc o n t r o l ，v i aa s s e m b l e d d s pa n da n a l o g u ec i r c u i ta c c o m p l i s h i n gt h ed i g i t a lc o n t r o lo fm o t o r ad u a lc l o s e dl o o pb l d c mc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ai s d e i g n e da n di m p l e m e n t e d t h et h e o r yo ff u z z yp i dc o n t r o li sa n a l y z e di s t h i s p a p e r a l s o ，f u z z yc o n t r o ls y s t e mo fb l d c m i sd e s i g n e da n ds i m u l a t e d r e l a t i v e t oc l a s s i c a lp i dc o n t r o l l e ro fw h i c ht h r e ep a r a m e t e r sa r ef i x e df u z z yp i d c o n t r o l l e rc a nr e g u l a t et h et h r e ep a r a m e t e r si nt h ed y n a m i cc o n t r o la c c o r d i n gt o o b j e c tc o n t r o l l e d t h eh a r d w a r eo ft h e s y s t e m u s e st h et m s 32 0 l f 2 4 0 7 aa st h e m i c r o p r o c e s s o r ；t h ec o n v e r t e ri sm a d eo ft h ei p m t of o r mt h eb r i d g ec i r c u i ta n d t h ed r i v ec i r c u i ti sm a d eo ft h eo p tc o u p l e t h i sc o n t r o ls y s t e md e s i g n se l e c t r i c c u r r e n t ，v o l t a g es i g n a lg a t h e rt h ec i r c u i t i no r d e rt oa v o i dt h ed i r e c ts h o o to ft h e b r i d g et h ed e s i g n sa l s oc o n s i d e rt h ep r o t e c t i o no fi ta n dt h ep r o t e c t i o nc i r c u i ti s o f f e r e di nt h ed e s i g n m a n ye m cm e t h o d sa r ea d o p t e dt h r o u g h o u tt h ed e s i g no f h a r d w a r e t h ed e s i g no fs o f t w a r ea d o p t st h em o d u l a rm o l d t h es t r u c t u r eo ft h e s o f t w a r eo ft h ew h o l ed e s i g ni sm a d eo ft h em a i np r o g r a m s u b p r o g r a ma n d i n t e r r u p tp r o g r a m m a i np r o g r a mf i n i s ht h ei n i t i a t i o no ft h ec h i pa n dv a r i a b l eo f t h ep r o g r a m t h ei n t e r r u p tp r o g r a ma n ds u b p r o g r a mf i n i s h e dt h et a s k so fa d t r a n s f o r m ，c a t c ht h ep o s i t i o ns i g n a lo fr o t o r t h ec o n v e r t i n go ft h ep h a s ea n dp w m g e n e r a t i n ge t c t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mm a k e sg o o du s eo fr e s o u r c e so nc h i pa n dh i g h d a t a - p r o c e s s i n ga b i l i t y o fd s p ，i n s t e a do ft h ef o r m e rc o m p l i c a t e dh a r d w a r e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 昌暑暑宣；宣；宣i i ；i i i i i i 宣i i i i 暑i 暑i 昌宣i ；i i i i i i i i i ；宣i i il i e_i i i 宣；宣；宣；宣i i j 暑i i i i i i 暑i i i 葺嗣 c i r c u i t ，w h i c hs i m p l i f i e st h eh a r d w a r es t r u c t u r eo f t h es y s t e m k e yw o r d s ：b m s h l e s sd cm o t o r ( b l d c ) ；d s p ；i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ； b a c k e m f ；p u l s e - w i d t hm o d u l a t i o n 。 哈尔滨工程大学 学位论文原创性j 声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。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。 作者( 签字) ：垒盔生 日期：纠d 占年刁月10 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 课题研究的背景 电动机作为机电能量转换装置，已有一个多世纪的发展历史，其应用范 围已遍及国民经济以及人们日常生活的各个领域。直流电动机具有运行效率 高和调速性能好等诸多优点，在相当长一段时间内曾一直是调速系统的首选 电机。但传统的直流电动机均采用电刷，以机械方法进行换向，因而存在机 械摩擦，由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命等致命弱点，换向器 和电刷限制了直流电机向高速大容量发展。再加上制造成本高以及维修困难 等缺点从而大大地限制了它的应用范围。 早在2 0 世纪3 0 年代，就有人考虑用电力电子器件取代机械换向器，并 提出了“无刷电机的概念u 1 。1 9 5 5 年，美国的d h a r r i s o n 等人首次申请了 用晶体管换向线路代替有刷直流电动机机械换向器的专利，标志着现代无刷 直流电动机的诞生。1 9 7 8 年，原联邦德国m a n n e s m 趟州公司的i n d r a m a t 分部在汉诺威贸易展览会上正式推出其m a c 永磁无刷直流电机及其驱动系 统，标志着永磁无刷直流电机真正进入实用阶段。 随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是 大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展，如今的永磁无刷直 流电机系统已经成为集特种电动机、功率驱动器、光或磁检测元件、控制软 件与硬件于一体的典型的机电一体化产品。稀土永磁无刷直流电机既具有直 流电机运行效率高，无励磁损耗，调速性能好，重量轻，体积小，动态性能 好的优点，又具有结构简单，运行可靠，维护方便，散热性能好，噪声小等 优点。 按照电动机工作方式的不同，永磁无刷直流电动机大致可以分为两类， 即方波型永磁无刷直流电动机和正弦波型永磁无刷直流电动机。有文献把这 两类电机统称为自控式永磁同步电动机口1 。 方波型永磁无刷直流电动机，习惯上称为b r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) ， 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 其电机本体的反电势( 即激磁电势或空载电势) 设计成梯形波，而逆变器输 出方波电压或方波电流并且与电机反电势保持适当的相位关系，从而产生有 效电磁转矩，在这种情况下，转子位置传感器只需要提供转子的若干个关键 位置的离散信号就可以了。方波电机结构简单、控制方便、成本较低，一般 用于对转矩波动要求不太高的调速传动。一 正弦型永磁无刷直流电动机，由于源于同步电动机，国外许多文献习惯 称为p e r m a n e n tm a n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) ，其电机本体的反电势设 计成正弦形，而逆变器采用s p w m 技术或滞环控制技术等调制出正弦电压或 电流并与电机反电势保持适当的相位关系，从而产生比较平滑的电磁转矩； 在这种情况下，位置传感器需要提供连续的转子位置信号。正弦型永磁无刷 直流电机的结构比较复杂且成本较高( 尤其是位置传感器) ，控制方法灵活， 一般转矩波动较小，因此往往用于对转矩脉动要求比较严格的驱动与控制系 统中。 通常，无刷直流电动机是指方波型永磁无刷直流电动机，在本论文中不 做特殊说明的地方均指这类电动机。 1 1 2 课题研究的意义 现代电机控制的发展，一方面要求提高性能，降低损耗，另一方面又不 断地要求技术指标的提高。随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，以及 控制理论的完善，各种工具的日渐成熟，微处理器越来越多地用在控制系统 中，使许多复杂但有效的控制算法能迅速用于实际中。但是，通用单片机信 号处理速度慢，电机的性能不能得到充分发挥，单片机的性能制约着研究工 作深入，许多设计思想和控制算法不能付诸实施。2 0 世纪8 0 年代，d s p 芯 片的诞生后，其技术迅猛发展，基于d s p 控制系统的研究也进入了新的阶段， 许多复杂而有效的控制策略和算法在各种电动机中得到实现，给直流电机控 制系统带来了很多新的发展契机，使无刷直流电动机的控制策略和方法不断 得到改进和完善。 目前，在许多要求高的电力驱动系统中永磁无刷直流电动机得到越来越 广泛的应用，在舰艇高性能驱动方式电力推进系统中正逐步占据核心地位， 在船舶电力推进系统领域前景广阔，已成为国内外船舶设计者和推进技术专 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 家的研究焦点。但是国内的研究和国外相比还有较大的差距，研究上作也主 要集中在一些科研院所和高等院校，相关理论和实践相结合的程度还比较低。 因此结合目前国内外的最新研究成果，从工程实践出发，研究设计实用的永 磁无刷直流电机控制系统，对国内的永磁无刷直流电机的研究能够起到一定 的借鉴作用。 鉴于上述情况，本文选择了基于d s p 技术的永磁无刷直流电动机控制系 统的作为研究方向。这些问题的深入研究，对促进大功率永磁同步电动机控 制理论的发展，对其推进系统的研究和工程开发将具有重要指导作用，对我 国造船事业、海洋开发和海军的发展，缩小与世界先进水平的差距具有重要 意义。 1 2 直流无刷电机的研究与发展现状 由于无刷直流电动机所具有的优点和特点，从工业领域到家电、信息产 品等消费品领域，无刷直流电动机正得到越来越广泛的应用，并具有十分巨 大的发展潜力。然而，由于无刷直流电动机是近年来随着微处理器技术、新 型电力电子器件、新型控制理论的发展，以及低成本、高磁能积的永磁材料 的出现而发展起来的，相对于其它类型电动机来说还是一种新型电动机，对 其设计、控制方法等方面的研究仍处于不断的探索之中。因此，对无刷直流 电动机本体及其控制方法进行系统、深入的研究有着十分重要的理论和现实 意义。 1 2 1 直流无刷电机本体结构的研究 我国的稀土资源丰富，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4 倍左右， 号称“稀土王国 。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了世界先 进水平。因此，充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以 稀土永磁电机为代表的各种永磁电机，对我国社会主义现代化具有重要的理 论意义和实用价值。 世界上第一台永磁电机诞生于1 9 世纪2 0 年代，当时使用的是天然磁铁 矿石，磁能密度低，电机体积庞大。由于电机发展的需要和电流充磁器的发 明，人们对永磁材料的机理和制各技术进行了深入研究。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 一方面，新型永磁材料不断出现h 舻1 。1 9 6 7 年美国教授k j s t m a t 发现了 钐钴永磁，被称为第一代稀土永磁材料，最大磁能积超过1 9 9 k j m 3 ；1 9 7 3 年 性能更高的新一代稀土永磁材料出现，最大磁能积超过2 5 8 k j m 3 ；1 9 8 3 年日 本住友特殊金属公司和美国通用汽车公司各自独立研制成功钕铁硼永磁材 料，现最大磁能积超过8 0 0 k j m 3 。钕铁硼稀土永磁材料不仅性能好，而且便 宜，极大的推动了永磁电机制造业的发展。 另一方面，直流电机的设计工艺技术发展也极为迅速，主要表现为【7 】： ( 1 ) 设计手段不断完善 随着计算机技术的发展以及电磁场数值计算、优化设计和仿真技术的不 断完善，形成了以电磁场数值计算、等效磁路解析求解、场路结合求解等一 整套分析研究方法和计算机辅助分析的设计软件。 ( 2 ) 分数槽技术应用日益增多 分数槽绕组技术在永磁无刷电动机中的应用已逐渐增多。如在电动自行 车电机中采用三相、4 0 极、3 6 槽； ( 3 ) 无槽、无铁心结构电机 无铁心无刷电动机的出现是采用新材料、新工艺的结果。电枢采用耐热 性能优越的材料制成刚性整体，可以在高温及高速情况下长期稳定运行；由 于电枢无铁心，电感小，完全消除了铁心中的磁滞损耗和涡流损耗，消除了 由齿槽效应带来的转矩波动，具有优异的控制性能；运行效率高、温升低、 转速范围广；电机的电枢中无齿槽且采用全塑封结构，负载动行时，噪声及 振动都很低。 ( 4 ) 工艺不断革新 在电机制造方面，通过对传统工艺的不断革新，出现了分割型定子铁心 结构和连续绕线工艺方法。采用多极集中绕组，减少绕组端部长度，以适应 生产自动化，使产品向低成本、低价格方向发展。同时出现了适应不同性能 参数永磁材料的瓦型、环型表面粘接结构和各种不同设计嵌入式磁体结构等 新的转子磁路结构。 1 2 2 直流无刷电机控制方法研究现状 无刷直流电动机的供电电流为方波，控制系统只需获得离散的转子关键 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 位置信号，对定子各相绕组逐次通电，在气隙中产生跳跃式的旋转磁场，与 转子磁极主磁场作用，产生电磁转矩，使电动机转子连续运转。按照获取转 子位置信息的方法划分，无刷直流电动机的控制方法可以分为有位置传感器 控制和无位置传感器控制两种。 永磁直流无刷电动机控制系统的关键问题是对转子位置或磁场的检测和 初始定位。转子当前位置直接决定着系统的控制模式、变频器的开关方式及 输出频率，是电动机正常工作的保证。转子位置的检测方法通常有两种：具 有位置传感器的位置检测和无位置传感器的位置检测。 有位置传感器的位置检测是通过将转子位置检测器安装在永磁直流无刷 电动机的转轴上。方波直流无刷电动机的方波电流输入与转子位置有严格的 对应关系，实现比较简单，只要在转子上安装三个采用接近开关或霍尔元件 的磁极位置检测器即可。对于高性能的正弦波永磁同步电动机矢量控制系统， 坐标变换中的转子位置角是否能准确、实时地检测直接影响到整个系统的性 能，一般采用检测分辨率高的光电式转子位置检测方法，如增量式光电码盘 检测方法。 无位置传感器的位置检测是通过检测电枢绕组的感应电动势( 或电压) 和电流，基于电动机的模型，采用状态观测估计转子位置的方法。由于无机 械式位置传感器，降低了系统成本，提高了系统的可靠性，因而这种技术得 到广泛研究。永磁同步电动机的转子位置估计有两种方式，一是基于定子绕 组反电势进行估计。由于电动机低速运行时反电势太小，转子估计误差较大， 因而只适合电动机中、高速运行情况。二是基于磁路的不对称特性进行估计。 这种方法适合于电动机的任意转速，甚至是静止状态。有些技术文献将两种 方法综合应用。在电机低速( 缈 0 2 ) 运行或静止状态时利用定子齿槽部分 的磁饱和特性，向定子绕组施加检测电压并监测电流变化率，得到相电感的 变化量。由于相电感是转子位置的函数，可得到转子位置角；在电机高速运 行时采用反电势模型，利用k a l m a n 滤波技术来估计转子位置。这种联合方 案收到了较好的效果。但是，由于各种状态观测方法多数都采用电动机的电 压或电流模型，观测结果容易受到模型不准确和参数变化的影响，所以不利 于提高永磁同步电动机的性能，一般只用于对系统的可靠性和精度要求不高 的系统。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目前，对无刷直流电机无位置传感器控制的研究主要集中在下述四个方 面： ( 1 ) 无位置传感器无刷直流电机转子的定位与起动。 ( 2 ) 无刷直流电机转子磁极位置的检测方法。 ( 3 ) 无刷直流电机换相转矩脉动问题。 一 电磁转矩是衡量电机性能的重要指标。相比于永磁同步电机，永磁无刷 直流电机转矩脉动较大。这不但会影响整个系统的控制特性，而且会产生噪 声和振动等问题，降低了机器的使用寿命和驱动系统的可靠性，制约了其在 高精度、高稳定性场合的应用。解决其转矩脉动问题一直是工程技术工作者 研究的重点和难点。 ( 4 ) 控制算法。 采用数字信号处理器的数字控制电路将是无刷直流电机中控制系统设计 的发展方向。以d s p 芯片为核心的控制系统并不是一个纯硬件的控制电路， 它还必须配合软件系统才能控制无刷直流电机正常工作。这也为控制系统的 设计带来更大的灵活性。软件设计就必然涉及到控制算法的研究和应用。无 刷直流电动机中速度、电流控制必须由硬件系统配合具有正确控制算法的软 件系统才能得到良好的闭环控制效果。而不同的控制算法将会直接影响控制 效果的好坏。 因此，研究先进的控制算法就成为设计无刷直流电动机控制系统的一个 重要方面。而过去难以在运算较慢的微处理器上实现的复杂的控制，现在则 可以借助d s p 实时高速的运算处理能力得以实现。 1 2 3 直流无刷电机的应用 无刷直流电动机在先进国家已大量应用于办公设备、家电业、信息业、 军事、手动工具、伺服系统、电动汽车、电瓶车、磁旋浮列车等生产生活的 各个领域： ( 1 ) 无刷直流电机在办公自动化领域的应用 计算机外设和办公自动化设备用的电机，绝大部分为先进制造技术和新 兴微电子技术相结合的高档精密永磁无刷电动机，是技术密集化和高投资类 产品。 6 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 ( 2 ) 无刷直流电机在家用电器中的应用 随着人们生活水平的提高，许多家用空调压缩机和洗衣机内的电机都选 用了无刷直流电机。吸尘器、搅拌机和家用电风扇也有望采用无刷直流电机 代替目前使用的电机，这样不仅能克服目前所用电机的缺点，还能降低能源 损耗。 ( 3 ) 无刷直流电机在工业上的应用 由于永磁无刷电动机驱动控制系统集有刷直流电动机和交流异步电动机 驱动控制系统的优点于一体，并随着稀土永磁材料和电力电子元器件价格不 断降低，性能不断提高，目前工业中使用永磁无刷电机驱动控制系统越来越 多，该系统将是主要的发展方向。 ( 4 ) 无刷直流电机在军事上的应用 无刷直流电机以其在效率、重量和体积、噪音和振动、电磁兼容性 ( e m c ) 、可靠性、故障排除以及造价等各方面的优势，已大量应用于作战 舰艇的电力推进系统。 1 3 课题研究的主要内容 本课题研究设计了一套以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ( d s p 芯片) 为控制核心， 以p s 2 2 0 5 6 ( i p m 智能功率模块) 为主电路的直流无刷电机驱动系统，主要 内容包括以下几个方面： ( 1 ) 分析了直流无刷电机的研究与发展现状； ( 2 ) 分析了直流无刷电机的基本结构和原理，并给出其数学模型； ( 3 ) 研究了无位置传感器直流无刷电机转子位置检测的各种方法，并论 述了其优缺点；对无位置传感器直流无刷电机的起动方法进行了分析；对无 刷直流电机系统转矩脉动的原因及抑制方法进行了深入的探讨和研究。 ( 4 ) 分析了模糊p i d 控制理论在直流无刷电机控制系统上的应用，并 进行了p i d 参数自适应整定的仿真。 ( 5 ) 完成了直流无刷电机控制系统的硬件的设计和制作并结合编制的软 件系统进行了测试、调试和试验。 哈尔滨- t 程大学硕士学位论文 第2 章直流无刷电机的结构原理和数学模型 2 1 直流无刷电机的基本结构 传统无刷直流电动机结构原理如图2 1 所示，它主要由永磁电机本体、 电子换相器和转子位置传感器三部分组成。 ：i 磊磊 l 图2 1 永磁直流无刷电机结构原理图 2 1 1 直流无刷电机的本体结构 结构上，无刷直流电动机本体与永磁同步电动机结构相似，转子上有永 磁磁钢，定子绕组一般分为三相且多采用整距集中式绕组。转子则由永磁钢 按一定的极对数组成，转子磁钢的形状呈弧形，磁极下定转子气隙均匀，气 隙磁通密度呈梯形分布。 按定转子相对位置的不同，无刷直流电动机的转子结构即有传统的内转 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，图2 2 ( a ) 、( b ) 所示分别为内转子结构和外转子结构两种类型无刷直流 电动机的结构示意图。 蝴 ( a ) 内转子型( b ) 外转子型 图2 2 无刷直流电动机结构示意图 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 本论文所使用的样机为内转子型无刷直流电动机，转子磁钢使用表面贴 装方式安装，磁钢采用稀土永磁材料，定子绕组为三相星形连接。 2 1 2 直流无刷电机的电子换相电路 无刷直流电机需要用功率电子开关器件组成的功率控制器才能工作。直 流无刷电动机电子换相电路( 逆变器) 用来控制电动机定子上各相绕组通断 的顺序和时间。与一般逆变器不同，它的输出频率不是独立调节的，而受控 于转子位置检测信号，是一个“自控式逆变器。直流无刷电机由于采用了自 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 输出之间不会产生振荡和失步。这也是直流无刷电机的重要优点之一。 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 关系分配给无刷直流电动机定子上各相绕组，从而使电动机输出持续不断的 转矩。电子换相电路即逆变器主电路主要有三相全桥式功率控制器( 图2 3 a ) 和三相半桥式功率控制器( 图2 3 b ) 等几种。 + + 图2 3 a 三相全桥式换相电路图2 - 3 b 三相半桥式换相电路 半桥功率控制器的特点是绕组采用星形接法，中性点接电源，每相绕组 用一个功率开关器件控制，绕组中的电流方向不能变化，因此绕组产生磁场 的方向也不能变化，在一个3 6 0 0 电角周期内每绕组导通一次。有时为了获得 反方向的磁场状态将每相绕组分成2 部分，并将每相绕组中点引出构成星形 接法后与电源相连，但每相要再增加一个功率开关器件。 全桥功率控制器的特点是功率开关器件数目等于绕组相数的2 倍，每个 绕组的首端与一个桥臂相连。对于星形接法的电枢绕组，电枢绕组中只有导 通相绕组才有电流流过，而没有导通的相绕组则没有电流流过。全桥功率控 制器要注意的是同相上、下桥功率开关器件同时导通引起电源回路直接短路 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的问题。三相全桥式换相电路中功率器件的使用效率高，可以与各种绕组连 接形式的电动机配合使用。 2 1 3 直流无刷电机的转子位置检测电路 位置检测电路的作用是检测电动机转子的位置，检测得到的信号决定了 各相绕组导通的顺序和时间，是电子换相的依据。 有位置传感器控制方法是指在无刷直流电动机定子上安装位置传感器来 检测转子旋转过程中的位置，将转子磁极的位置信号转换成电信号，为电子 换相电路提供正确的换相信息，以此控制电子换相电路中的功率开关管的开 关状态，保证电动机各相按顺序导通，在空间形成跳跃式的旋转磁场，驱动 永磁转子连续不断地旋转。无刷直流电动机中常用的位置传感器有电磁式位 置传感器( 如磁阻旋转变压器) 、光电式位置传感器( 如遮光板) 、磁敏式位 置传感器( 如霍尔位置传感器) 等。 电磁式位置传感器输出信号较大，一般不需要经过放大便可以直接驱动 开关管，但是它的输出为交流信号，必须经整流后才能利用，并且笨重复杂， 在方波电动机中已经基本上被淘汰。 光电式位置传感器轻便可靠、安装精度高、调整方便，应用较为广泛。 磁敏式位置传感器目前常用的是霍尔元件或霍尔集成电路，有线性型和 开关型两种。无刷直流电动机中常用的开关型霍尔集成电路，一般由霍尔元 件、差分放大器、施密特触发器和功率输出电路组成，是目前应用较多的位 置传感器1 。 u 彤v 4 3 2 l ( a ) 霍尔集成电路( b ) 开关型输出特性 图2 4 霍尔集成电路及其输出特性 无刷直流电动机的无位置传感器控制是指取消传统的转子位置传感器， 1 0 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 通过测取电机的某些物理量间接地得到转子的位置信号，用此信号实现换流， 从而实现无传感器闭环控制。 较p m s m 所需要的连续位置信号相比，b l d c m 的位置信息的获取要容 易得多，仅仅需要几个关键的换相时刻位置信息。 2 2 直流无刷电机的工作原理 。 永磁无刷直流电机在原理上相当于只有三个换相片的永磁有刷直流电动 机u 1 ，与之不同的是无刷直流电机的换相是通过导通和关断电子换相元件来 实现的。此外，为便于装配和固定，永磁无刷直流电机的电枢和磁极的布置 与永磁有刷直流电机相反，即永磁无刷直流电机的电枢和电子换相器静止不 动，而磁极旋转州。 在结构上，无刷直流电动机的本体和永磁同步电动机相似，但是没有笼 型绕组和其他起动装置。无刷直流电动机的定子设计成多相绕组，一般为三 相。本论文研究的无刷直流电动机定子绕组采用三相星形连接结构。下面以 它为例，说明无刷直流电动机的工作原理。 三相星形绕组的无刷直流电动机与三相桥式换相电路相结合，组成三相 全控运行方式。三相全控运行方式具有转矩脉动小，绕组利用率高等优点， 被广泛采用。图2 5 为三相全控运行电路接线原理图。 三相全控运行方式因同时导通的绕组数不同可分为两两导通方式( 也称 为1 2 0 0 导通方式) 和三三导通方式( 也称为1 8 0 0 导通方式) 。 三三导通方式是指任一瞬间( 换相瞬间除外) 均有三个功率开关管导通， 每隔6 0 0 电角度换相一次，每次一个功率管换相，每个功率管通电1 8 0 0 电角 度。在图2 5 所示电路中，各功率管按v l v 2 v 3 、v 2 v 3 v 4 、v 3 v 4 v s 、v 4 v s v 6 、 v s v 6 v l 、v 6 v l v 2 的顺序导通。 两两导通方式是指任一时刻( 换相瞬间除外) 只有两相绕组导通，每6 0 。电角度换相一次，每次一个功率管换相，每相绕组导通1 2 0 0 电角度。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 + 图2 5 无刷电动机三相全控电路 在图2 5 所示的电路中，各功率管按v i v 2 、v 2 v 3 、v 3 v 4 、v 4 v 5 、v 5 v 6 、 v 6 v l 的顺序导通。 假设无刷直流电动机为三相星形连接，运行在两两导通方式，该电动机 有一对磁极，利用传感器检测转子位置。同时，假设三相定子绕组电流从a 、 b 、c 流入，x 、y 、z 流出，符合右手螺旋定则的磁场方向为正。电动机定子 绕组反电势方向如图2 5 所示。 ( a ) p l 时刻转子位置 彳 。 乇 e 宝 工。 ( b ) p 2 时刻转子位置( c ) p 3 时刻转子位置 尾 ( d ) p 4 时刻转子位置( e ) p 5 时刻转子位置( f ) p 6 时刻转子位置 图2 6 无刷直流电动机转子位置 1 2 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 巧匕 巧圪 巧 一 匕 啊 巧厦 l 一 圪 们 l 一- 、_ 一 州 1 7 i - h 唾 _ l - - _ 7 一 m ，f p 1 t ol 2 丐巳t 2l 4 1 sp 6 图2 7 功率触发逻辑和反电势波形关系 按照上述假定，该无刷直流电动机转子位置及其对应的功率管触发逻辑 和定子绕组反电势波形关系如图2 6 、图2 7 所示。 根据图2 6 和图2 7 ，可对无刷直流电动机的换相过程作如下进行分析。 假设转子转到图2 5 中p l 所示的位置时，通过位置检测，控制器输出控 制信号使功率开关管v l 、v 2 导通，即绕组a 、c 相通电，电流流通路径为： 电源正极- - v 1 管一a 相绕组一c 相绕组一v 2 管一电源负极，电枢合成磁势为 f a c 。在合成磁势f a c 的作用下，转子顺时针方向转动。当转子顺时针转过 3 0 0 电角度，到达图2 5 所示t o 位置时，转子磁势方向与b 相负磁势f b 方向 相同，此时b 相中的反电势为零。转子继续顺时针转过3 0 0 电角度，到达p 2 乃， “ “ 儿 如 “ 尻 “ “ “ 匕 一 一 一 哈尔滨工程大学硕七学位论文 的位置，转子位置传感器输出变化，经控制器逻辑变换后使v l 管关断，v 3 管导通，即绕组b 、c 相通电，电流流通路径为：电源正极一v 3 管一b 相绕 组一c 相绕组一v 2 管一电源负极，电枢合成磁势为f b c 。在合成磁势f b c 的 作用下，转予继续顺时针旋转，转过3 0 0 电角度到达t l 位置时，此时的悬空 相a 相绕组的反电势为零。再经过3 0 0 电角度，转子到达p 3 位置时，转子位 置检测出现变化，控制器关断功率管v 2 ，导通功率管v 4 。 依此类推，转子沿顺时针方向每转过6 0 0 电角度，功率开关管切换一次， 功率开关管导通逻辑为v l v 2 、v 2 v 3 、v 3 v 4 、v 4 v 5 、v 5 v 6 、v 6 v 1 ，转子磁 场始终受到定子合成磁场的作用，沿顺时针方向连续转动。在换相过程中， 定子绕组电流在空间内所形成的合成磁场不是连续的旋转磁场，而是一种跳 跃式的旋转磁场，每个步进角度为6 0 0 电角度。 换相点的选取是要使定子绕组的合成磁场对转子的作用力矩最大，如在 p l 时刻换相，转子磁势与定子磁势成1 2 0 0 电角度，如图2 8 所示。 a 图2 8 定转子磁场相互作用向量关系 这样，使得在下一次换相到来之前的这段时间内定子绕组的合成磁场对 转子的作用力矩平均值最大。 2 3 直流无刷电机的数学模型 2 3 1 三相平衡电压方程 方波型无刷直流电动机的反电动势为梯形波，因此在三相坐标系下分析 比较方便，分析时做如下假设： ( 1 ) 电机磁路不饱和； 1 4 在上述条件下，无刷直流电动机定子三相绕组的电压平衡方程可表示为 i ； = 言吾兰 兰 + 丢 支兰三麓： 三 至 + | ； + 三i j c 2 - 1 ， 式中：“。、甜。一电t g - - 相相电压，v 。 巳、吃、巳一电机三相反电势，v 乞、f 6 、之一电机三相相电流，a 厶、厶、乞一三相绕组的自感，h 方波型b l d c m 较多采用磁钢表面安装式转子结构，由于永磁体的磁导 率与空气相近，可以认为电机的等效气隙长度为常数，定子三相绕组的自感 为常数，三相绕组间的互感也为常数，两者都与转子位置无关，即有： 乞2 厶5 t 2 三 蚝= 蚝。= 蚝= 虼= 。= 虬= m ( m 为定子绕组问互感) 若三相绕组对称，则有兄= 蜀= r c = r ，于是式( 2 1 ) 可以简化为 三； = 鼍 。圣 差 + 害； 妻 兰 錾 差 + 圣 + i i c 2 - 2 ， 若定子三相绕组为y 型接法，且没有中点，则有 乞+ j 6 + i c = 0 ( 2 - 3 ) 尥+ 舰+ 坦= 0 ( 2 - 4 ) 圣 = 鼍 呈 耋 + 三三 一三- ：m j l 丢u 乏o j + 圣 + 鍪 c 2 - 5 ， 根据电压方程得电动机的等效电路图，如图2 9 所示 哈尔滨工程大学硕士学位论文 玩 u c 图2 9 无刷直流电机电压方程的等效电路 2 3 2 电势方程 单根导体在气隙磁场中感应的电势为 e = bs l y ( v ) ( 2 - 6 ) 式中，b ，为气隙磁感应强度，单位为w b ；z 为导体有效长度，单位为m ；v 为导体相对于磁场的线速度，单位为m s 1 ，= 丝6 0 疗= 2 p f 丽n ( m 5 ) ( 2 - 7 ) m 1 ，= 一疗= f 5 l 6 0 7 式中，n 为电动机转速，单位为r p m ；d 为电枢内径单位为m ；t 为极 距；p 为极对数。 设电枢绕组每相串联匝数为w 口，则每相绕组的感应电势为： e 口= 2 e w 妒( v ) ( 2 - 8 ) 将式( 2 7 ) 代入式( 2 。6 ) 得 忙b , d 2 p 丁击( 功 方波气隙磁感应强度对应的每极磁通为： 5 = b a f l r ( 珊) 式中o t i 为计算极弧系数，则有： 弘叩p f 壶( 即 将式( 2 1 1 ) 代入式( 2 8 ) 得每相绕组感应电势： 民2 盖西j ( 功 则线电势为： ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 脚瓦= 舞占= c 。0 8 n ( 功 ( 2 - 1 3 ) 式中，e = 素乞一电势常数 2 3 3 电磁转矩方程 直流无刷电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。定子绕组产生的电磁转矩表达式为： t ：丝坐址盟( 2 - 1 4 ) 其中国为转子电角速度，由于任何时刻，定子有两相导通，则电磁功率 表示为： = 巳屯+ e a + 乏 ( 2 - 1 5 ) 当电动机工作在两两导通方式时，电磁转矩由两相绕组的合成磁场与转 子磁场相互作用产生，则电磁转矩又可表示为： 乙= 警= 等( 2 - 1 6 ) 式中肚等。 由上述两式可以看出，为产生恒定的电磁转矩，要求定子电流为方波， 反电动势为梯形波，且在每半个周期内，方波电流与梯形波反电动势的平顶 部分应严格同步。直流无刷电机的电磁转矩与普通的直流电机相似，其电磁 转矩大小与电流幅值成正比，所以控制逆变器输出方波电流的幅值即可控制 直流无刷电动机的转矩。 2 3 4 机械运动方程 无刷电机的机械运动方程为： ，警= 一b o o + p ( 正一) ( 2 1 7 ) 刃 一 一 其中：z 一电磁转矩，n m 1 7 哈尔滨工程大学硕十学位论文 正一负载转矩，n m 召一粘性阻尼系数，s 。1 缈一电动机械角速度，r a d s ，一电动机的转动惯量，蚝m 2 2 3 5 机械特性 无刷直流电动机的电压平衡方程为： u 一2 a u = e + 2 i 。r o ( 2 1 8 ) 将式( 2 1 3 ) 和式( 2 1 6 ) 及q ：穹兰代入式( 2 1 8 ) ，经过变换，得到 6 u 无刷直流电动机的机械特性： =群一丽2ton t( 2 - 1 9 ) = 一一彳_ f 1 z l yj e 占e g ；8 、7 其中，1 卜开关管饱和压降。 2 4 本章小结 本章分析了直流无刷电动机本体结构、换相电路和转子位置检测电路。 简单介绍了不同类型无刷电机的控制状态关系，并以y 联结三相全控桥两两 通电方式为例，通过无刷直流电动机转子位置、功率触发逻辑和反电势波形 关系详细分析了直流无刷电机的工作原理。 分析了直流无刷电机的数学模型，给出了直流无刷电机的电压方程、电 势方程、电磁转矩方程和机械运动方程。 哈尔滨工程大学硕七学位论文 第3 章无位置传感器直流无刷电机控制方法研究 3 1 无位置传感器直流无刷电机转子位置检测 无刷直流电动机的无位置传感器控制，无需安装传感器，相对于有位置 传感器方法有较大的优势，因此，无刷直流电动机的无位置传感器控制近年 来已成为研究的热点。 无刷直流电动机的无位置传感器控制中，不直接使用转子位置传感器， 但在电动机运转过程中，仍然需要转子位置信号，以控制电动机换相。因此， 如何通过软硬件间接获得可靠的转子位置信号，成为无刷直流电动机无位置 传感器控制的关键。为此，国内外的研究人员在这方面作了大量的研究工作， 提出了多种转子位置信号检测方法，大多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。归纳起来，可以分为反电势法、电感法、 状态观测器法、人工神经网络法等几大类删。 3 1 1 反电势法 电动机的反电势( b a c ke l e c t r o m o t i v ef o r c e ) 与电动机的转子位置存在 一定的关系，通过检测电动机反电势，并对其进行滤波、适当分析计算，可 以获得转子位置信号，这类方法称为“反电势法川1 1 1 。按照对反电势处理方 法的不同，“反电势法”可分为反电势过零检测法、反电势积分法和反电势 三次谐波法等类型一1 。 ( 1 ) 反电势过零检测法 如前所述，在方波无刷直流电动机中，定子绕组的反电势为梯形波，且 正负交变；绕组反电势存在过零点，反电势过零后，延迟对3 0 。电角度的 时间，即为电动机换相时刻( 三相绕组反电势及相电流波形如图3 1 所示) 。 因此，只要检测到各相反电势的过零点，即可获知转子的若干个关键位置， 实现无位置传感器无刷直流电动机换相控制。通常，无刷直流电动机运行中， 在任意时刻逆变器中总有一相的功率管器件全部关断，处于悬空状态，绕组 反电势的过零点就发生在该相绕组悬空的时间段内，此时，只要检测绕组中 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 相电压的变化，即可检测到反电势过零点。由于直流电动机一般不引出绕组 e 、 、y u -。- 。 l 厅。3 0 t 一 - i - ，e 1 v 。6 口 。 o 1 。 ：o 2 4 。、 w 主c i e c k ，州 “ 图3 1 三相绕组反电势及相电流波形 中点，所以不方便通过检测无刷直流电动机相电压来获得反电势。因此，反 电势过零检测法主要通过检测电动机端电压获取反电势过零。 对于三相星形连接的绕组来说，端电压是指绕组端部至电源负端之间的 电压，a 相端电压用表示。从端电压的定义不难看出，端电压就是在相 电压的基础上加上中性点对电源负端的电压，用表示中性点对电源负端 的电压。如图3 2 所示。 图3 2 端电压法原理图 按照上述定义，可以得出如下公式 = u a n + = e a + ( 3 一1 ) 根据三相绕组的对称性，由式( 2 5 ) 可得三相绕组端电压平衡方程的 矩阵表达式 哈尔滨工程大学硕士学位论文 圣 = 专 呈 茎 + 三三 一三纠罢 差 + | ； + 圣 c ：2 ， ：毕 ( 3 q = 等 ( 3 - 5 ) 2 等 (j 乞= 一= 一等 ( 3 - 6 ) 所以只要能够检测到一等的过零点就可以知道该时刻的转子位置。根 2 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 这种方法要求逆变器以上桥臂p w m 调制、下桥臂恒通的调制方式工 作，在p w m 斩波脉冲信号关断阶段，电动机中性点电压接近于直流电源负 端电压，此时，悬空相端电压即为该相绕组的反电势，将该反电势与直流电 源负端电压或某偏置电压相比较即可得到反电势过零信号。这种方法不需要 对端电压分压，只需利用稳压二极管将其钳制在某个区间即可，同时不使用 滤波器，检测到的反电势过零点没有相位的滞后，延时对应3 0 。电角度时 间电动机即可换相。文献 1 6 针对前述该方法在p w m 斩波脉冲信号关断 阶段，电动机中性点电压不等于直流电源中点电压的情况，提出了补偿方法。 ( 2 )