（电气工程专业论文）无位置传感器无刷直流电机控制系统的研究.pdf

t h es t u d yo f b r u s h l e s sa n ds e n s o r l e s sd cm o t o rc o n t r o l s y s t e m b y z h a n gb o l a n b e h u n a nu n i v e r s i t y 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f s c i e n c e l n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rh u a n gs h o u d a o a u g u s t 2 0 10 明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 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 律后果由本人承担 作者签名 锯眉忽 日期 沙 p 年g 月弓口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被 查阅和借阅 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文 本学位论文属于 l 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密团 请在以上相应方框内打 4 作者签名 导师签名 弓侈署患 瑾分趸 日期 如 9 年岔月乡d 日 日期 d 刀刃年朋勿日 jj l 1i j j1i j 1l 1 研究 无刷直流电机 b l d c m 已经在工业领域得到了广泛的应用 它是一种性能 优越 应用前景广泛的电机 无位置传感器控制技术的应用使得无刷直流电机的 体积减小 成本降低 抗干扰性加强 从而进一步拓宽其应用领域 近年来对无 位置传感器无刷直流电机控制技术的研究一直是热点之一 论文主要研究了以高性能d s p 为控制芯片的无刷直流电机无位置传感器控 制方案 围绕着控制系统设计中的几个关键技术一一位置检测 电机起动和控制 方法进行了深入探讨 论文介绍了无刷直流电机的特点及其控制技术的研究现状 根据无刷直流电 动机工作原理 建立了数学模型 转子位置检测采用反电势过零点检测法 同时 考虑了滤波相移时对算法的修正 由于反电势过零检测法的特殊性 电机起动采 用了三段式起动方法 根据电机的数学模型 论文设计了一套可行的双闭环调速 系统 并在m a t l a b s i m u l i n k 环境中进行了仿真实验 针对t i 公司推出的专用芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的功能 论文给出了无刷直流电 机无位置传感器控制系统的软硬件设计 硬件部分介绍了系统的整体结构 给出 了系统总体硬件电路设计方案 并着重论述了主电路 驱动电路 位置信号检测 电路 相电流检测电路等几个主要模块的设计 软件部分编制了各个模块的程序 流程图 论述了软件实现方面的问题 在对整个控制系统进行实际的运行实验以后 论文对实验结果进行了分析 实验结果表明 整个系统的控制方案是可行的 硬件平台稳定可靠 软件可平稳 运行 符合设计要求 关键词 无刷直流电机 无位置传感器 双闭环 高性能d s p i l 硕十学位论文 a bs t r a c t b r u s h l e s sd cm o t o rh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nt h ei n d u s t r y i th a ss u p e r i o r p e r f o r m a n c ea n dw i d ep r o s p e c t s s e n s o r l e s sd e t e c t i o nt e c h n o l o g yr e d u c e dt h es i z eo f b r u s h l e s sd cm o t o ra n dc o s t s t r e n g t h e n e di t sa n t i i n t e r f e r e n c ep e r f o r m a n c e w h i c h b r o a d e ni t sa p p l i c a t i o na r e a s i nr e c e n ty e a r s t h er e s e a r c h e so np o s i t i o ns e n s o r l e s s b r u s h l e s sd cm o t o rc o n t r o li so n eo ft h eh o ts p o t s t h i sp a p e rf o c u s e so nt h eb r u s h l e s sa n ds e n s o r l e s sd cm o t o rc o n t r o l l i n gs y s t e m b a s e do nt h eh i g h p e r f o r m a n c ed s pc h i p t h ei n d e p t hr e s e a r c ho fs e v e r a lk e y t e c h n o l o g y s s u c h a sp o s i t i o nd e t e c t i o n j u m p s t a r t i n ga n dc o n t r o l l i n gm e t h o d s a r e c a r r i e do ni nt h i sp a p e r t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n ds t a t u so fb l d c ma n di t sc o n t r o l t e c h n o l o g i e s i nt h ef o l l o w i n gc h a p t e r s t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fb l d c mi s o b t a i n e d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ep r i n c i p l eo fb l d c m n o to n l yt h em e t h o do f r e g u l a t i o no fs p e e di sd i c i d e d i n t h i s p a p e r b u ta l s ob a c ke l e c t r o m o t i v ef o r c e b e m f m e t h o db a s e do nt h es p e c i f i cc h a r a c t e r i s t i c so fb r u s h l e s sa n ds e n s o r l e s s d cm o t o ri sg i v e nt od e t e c tt h ep o s i t i o no fr o t o r m e a n w h i l e t h ea d j u s t m e n to f a l g o r i t h mi sa l s ot a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o nw h e nt h ep h a s es h i f to fs m o o t h i n go c c u r s t h e n t h ec o n t r o ls t r a t e g yc a l l e ds p e e dr e g u l a t i o nw i t ht w oc l o s e dl o o pi sd e c i d e da n d d e s i g n e di n t h i sp a p e r a n dt h e ni t sf e a s i b i l i t yi st e s t e db yt h er e s e a r c hu n d e rt h e c i r c u m s t a n c eo fm a t l a b s i m u l i n k a d d r e s s i n gt o t h ep e r f o r m a n c eo fd s pc h i p t m s 3 2 0 f 2 812p r o d u c e db yt i c o m p a n y t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mo fb l d c m i sg i v e n i nt h ep a r to fh a r d w a r ed e s i g n a no v e r a l ls t r u c t u r ei si n t r o d u c e da n da no v e r a l l s t r a t e g yo fh a r d w a r ec i r c u i td e s i g ni sg i v e n f o l l o w i n gw h i c ht h ep o w e r d r i v e rc i r c u i t p o s i t i o ns i g n a l d e t e c t i o nc i r c u i t b u sc u r r e n td e t e c t i o nc i r c u i ta n dp o w e rc i r c u i ta r e a l s od e s i g n e d i nt h ep a r to fs o f t w a r ed e s i g n s o m ep r o c e d u r ef l o wc h a r t so fm a i n p r o g r a ms u b r o u t i n e a r eo f f e r e da n ds e v e r a lp r o b l e m so fs o f t w a r er e a l i z a t i o na r e i n v e s t i g a t e d t h et e s t i n gp h e n o m e n o nw h e nt h ec o n t r o ls y s t e mi sr u n n i n gi so b s e r v e da n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ea n a l y s e d t h et e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o ls y s t e mi s f e a s i b l e t h eh a r d w a r es y s t e mi sc r e d i b l ea n dt h es o f t w a r es y s t e mc a nc o n t r o lt h e m o t o rs t a b l y k e yw o r d s b l d c m s e n s o r l e s s t w oc l o s e dl o o p d s p i i i 无位置传感器无刷直流电机控制系统的研究 目录 学位论文原创性声明及学位论文版权使用授权书 i 摘要 i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论 一l 1 1 研究背景和意义 1 1 2 无刷直流电机的特点及应用 2 1 2 1 无刷直流电机的特点 一2 1 2 2 无刷直流电机的应用 一3 1 3 无刷直流电机控制策略 4 1 4 无位置传感器无刷直流电机转子位置检测方法研究状 5 1 5 本课题研究内容 7 第2 章无刷直流电机原理及数学模型 8 2 1 无刷直流电机的结构 一8 2 1 1 无刷直流电机本体结构 一8 2 1 2 电子换相电路 9 2 1 3 位置传感器 1 0 2 2 无刷直流电机的工作原理 1 0 2 2 1 无刷直流电机工作原理 1 0 2 2 2 主电路连接方式 1 l 2 3 无刷直流电机的数学模型 1 3 2 3 1 基本方程 1 3 2 3 2 反电动势 1 4 2 3 3 稳态性能分析 1 5 2 4 本章小结 16 第3 章无位置传感器无刷直流电机控制技术 1 7 3 1 无刷直流电机的调速方法的选择 1 7 3 2 无位置传感器无刷直流电机转子位置检测技术 1 7 3 2 1 反电势检测法 1 8 3 2 2 滤波相移时对算法的修正 2 2 3 2 3 转速的估计 2 3 3 3 无位置传感器无刷直流电机的起动技术 2 3 3 3 1 转子定位 2 4 硕十学位论文 3 3 2 外同步加速 2 5 3 3 3 运行状态切换 2 5 3 4 无位置传感器无刷直流电机相电流检测 2 6 3 5 系统总体控制策略 2 6 3 5 1p i d 控制基础 2 7 3 5 2 双闭环控制系统设计 2 8 3 6 基于m a t l a b 的仿真实验 2 9 3 7 本章小结 3 2 第4 章基于d s p 的控制系统硬件和软件设计 3 3 4 1d s p 芯片介绍 3 3 4 2 系统硬件设计 3 5 4 2 1 主电路的设计 3 5 4 2 2 驱动电路设计 3 6 4 2 3 电流检测和保护电路 3 8 4 2 4 反电势过零点检测电路 4 0 4 2 5 电源模块 4 0 4 3 系统软件设计 4 1 4 3 1 总体设计 4 2 4 3 2 电机起动程序 4 3 4 3 3 转子位置检测程序 4 4 4 3 4 电机换相程序 4 5 4 3 5 电机转速计算 4 6 4 3 6 闭环控制程序 4 6 4 4 实验结果 4 7 4 5 本章小结 4 9 结论 5 0 参考文献 5 2 致1 谢 5 5 附录a 攻读学位期间发表的论文目录 5 6 v l嚣攫鼍譬量 f 矗 曩lx 怎曩壹 j k ih n 罐毛扣 鏊 甘妒魄 和譬妊譬葛 t譬移f h凡出鼍 墓f 一 一 k o k 伍 硕r 上 学位论文 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 1 8 2 0 年前后 法拉第研究电磁感应现象并提出了电磁感应定律 在此基础上 组装了第 台直流电机样机 同年 亨利制造了第一台实用的直流电机 直至2 0 世纪5 0 年代 直流电机才真正成为商业化产品 但因为传统直流电动机的换相操 作都是采用电刷和换相器 电刷很容易磨损 直接影响到直流电动机的可靠运行 而且换相过程中极易产生火花 影响电机的寿命 存在安全隐患 这些都限制了 电机的使用和维护 大容量 高电压的直流电机这种问题更加明显 所以换相难 的问题使得制造大容量 高转速及高电压直流电机也变得相当困难 1 9 5 5 年美国h a r r s i o n 等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专 利 这一事件标志了现代无刷直流电动机 b l d c m 的诞生口1 后来试制成功了 一种新型的直流电动机 是利用霍尔元器件进行换流操作的 这就是无刷直流电 动机 从而开创了直流电动机的新纪元 然而 直到19 7 8 年无刷直流电机才真正 进入实用阶段 由于其结构简单 运行可靠 便于维护等一系列的优点 有人在 当时便预言它将取代其他类型的电动机成为传动领域里的主导 伴随着电力电子 技术的飞速发展以及许多高性能永磁材料的出现 这些都成为了今后无刷直流电 机的发展与应用的坚实基础 自从步入9 0 年代 无刷直流电机的控制技术跟理论的发展呈现井喷之势 借 助单片机 d s p c p l d 等微处理器 人们不断地将一些先进的控制方法引入了 到无刷直流电机的控制之中 比如 神经网络控制 滑模变结构控制 模糊控制 等等 不仅大大提高了无刷直流电机的传动性能 而且简化了系统的结构 使得 无刷直流电机朝着微型化 高性能化 高智能化 全数字化的方向飞速发展 更 好的满足了新世纪数字化发展的需要 虽然到了今天 无刷直流电机的控制技术已经发展得相对成熟 但在某些方 面仍然存在着欠缺 比如无位置传感器电机的位置检测和启动问题 换相转矩脉 动的抑制问题 电磁干扰问题等等 虽然国内外的学者都先后提出了一系列的解 决方案 但是都具备着各自的优缺点 不尽完善 本文主要研究无位置传感器的 无刷直流电机控制系统的设计及其实现 不仅把古典的控制理论应用到现代的数 字信号处理技术当中 而且把控制电机的传统复杂硬件电路简单化 用软件实现 电机的控制算法和复杂电路的逻辑功能 这不但降低了成本 而且提高了系统的 可靠性 对实际工程应用也有借鉴作用 综上所述 基于d s p 的无位置传感器无刷直流电机控制系统研究在科学理论 和工程实际上都有着重要的意义和应用价值 无位置传感器无刷直流电机控制系统的研究 1 2 无刷直流电机的特点及应用 1 2 1 无刷直流电机的组成和特点 一台典型的无刷直流电机包括永磁电机本体 逆变器 位置传感器和控制电 路四部分 如图 1 1 所示 u 图1 1 无刷直流电机系统基本组成 无刷直流电机用电子换相电路代替了直流电机的碳刷和换相装置 使得它与 传统的直流电机相比具备以下两方面的优势 1 寿命长 免维护 可靠性高 在有刷直流电机中 由于电机转速较高 电 刷和换向器磨损较快 一般工作l0 0 0 小时左右就需更换电刷 另外其减速齿轮箱 的技术难度较大 特别是传动齿轮的润滑问题 是目前有刷方案中比较大的难题 所以有刷电机存在噪声大 效率低 易产生故障等问题 2 体积小 重量轻 效率高 输出力矩大 节能 一般而言 因无刷直流电 机没有机械换向的磨擦损耗和齿轮箱的消耗 也没有调速电路损耗 效率通常可 高于8 5 但考虑到实际设计中的最高性价比 为减少材料消耗 一般设计为7 6 而有刷直流电机的效率由于齿轮箱和超越离合器的损耗 通常在7 0 左右 因为无刷直流电机性能优异 所以它的应用范围遍及各个领域 并且日益广 泛 2 1 2 无刷直流电机白出现以来就因其自身的诸多优点使其应用范围遍布各个领 域 近年来 随着永磁材料的性能不断提高及其制造成本的不断下降 电力电子 技术的飞速发展以及各个领域对电动机性能的要求越来越高等诸多因素的影响 无刷直流电机的应用领域得以迅速扩展 鉴于这些应用领域的范围非常广泛 由 于篇幅问题本文不一一例举 只对于几个常见的应用 n 引加以简述 1 无刷直流电机在计算机系统中的应用 从信息角度来看 计算机的主要功能分为信息的采集 传递 处理和存储几 大部分 计算机外存设备就是用来存放各种信息数据 一般有磁带存储器 硬磁 盘处理器 软磁盘处理器以及光盘存储器等多种类型 它们的主轴电动机均无一 例外的采用了高档精密无刷直流电动机 此外 随着计算机芯片的集成度大幅度 的提高 使得芯片功耗急升 发热量也随之加大 因此 通风冷却装置就成了现 代计算机不可或缺的部分 而它的驱动电机都是采用的无刷直流电机 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不断提高和工作环境的不断改善 家用电器不但日趋普 及 而且人们对其性能的要求也越来越高 其总的发展趋势是朝着低噪音 节能 型 智能化 绿色环保等方向发展 因此对其配置的电动机提出了更高的要求 以往的异步电机已无法很好的满足这些要求 使得性能优良的无刷直流电机逐步 取代了它们在家用电器应用中的地位 3 无刷直流电机在工业中的应用 随着科学的发展 现代工业对于机械设备在速度 精度 性能上提出了更高 的要求 与传统的异步电机相比 无刷直流电机驱动控制系统集成了有刷直流电 机和交流异步电机驱动控制系统的优点于一体 能更好的满足上述要求 此外 稀土永磁材料和电力电子器件的价格在不断降低 性能在不断改善 这些都使得 工业中无刷直流电机的使用越来越多 已成为该领域的主要发展方向 4 无刷直流电机在交通工具中的应用 无刷直流电机在汽车 摩托车 电动车等交通工具的应用主要集中在辅助设 备部分和主动力源部分这两个方面 因为无刷直流电机可以很好的消除火花干扰 降低噪音 延长使用寿命 同时也便于集中控制 所以它被称为是最有发展前途 的电机之一 5 无刷直流电机在其他领域的应用 无刷直流电机除了在上述例举的各种应用领域外 在医疗器械以及一些高科 技领域 比如 现代国防 通信 机器人 航空航天等都有着广泛的应用 3 无位置传感器无刷直流电机控制系统的研究 1 3 无刷直流电机控制策略 由于永磁无刷直流电动机具有独特的结构 其控制策略也与p m s m 感应电 动机等交流伺服电机有所不同 主要有下面几种n 3 儿朝吖1 0 3 1 p i d 控制 p i d 控制是比例 积分 微分控制的简称 p i d 控制器问世至今已有7 0 年左 右的历史 它是根据系统的误差 利用比例 积分 微分计算出控制量进行控制 的 其主要特点是结构简单 稳定性好 工作可靠 调整方便 只要比例数 积 分时间 微分时间三个参数整定得当 不但可以避免调节过程过分震荡 而且具 有抑制超调的作用 可以有效的克服动态误差和缩短调节时间 文献 4 3 借助数 字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 将p i d 控制和b l d c m 控制系统有效的结合在了一 起 2 滑模变结构控制 滑模变结构控制本质上是一类特殊的非线性控制 其非线性表现为控制的不 连续性 系统的结构可以在动态过程中根据系统当前的状态有目的地不断变化 迫使系统按照预定 滑动模态 的状态轨迹运动 这种控制方法具有快速响应 对参数变化及扰动不灵敏 无需系统在线辨识 物理实现简单等优点 将该方法 与无刷直流电机的控制相结合是无刷直流电机控制中一种新颖的改进控制方式 文献 6 中便引入了滑模变结构控制理论 根据b l d c m 的数学模型和滑模变结构 控制的特点 把换相引起的电流变化当做外界对电机的干扰 建立了一个模型并 构造了滑模变结构控制器 运用其对各种扰动不敏感的特性来抑制各种干扰对电 机的影响 文献 7 也同样引入了改控制理论并设计了滑模变结构电流控制器 以 非换相电流与参考值之差作为切换函数 使非换相相电流波动更小且快速跟踪其 给定 有效抑制了换相转矩波动 改善了系统的运行性能 此外 该文献的实验 结果还表明滑模变结构控制系统结构简单 且动 静态性能优异 适用于要求较 高的伺服及传动控制场合 3 智能控制 智能控制是控制理论发展的高级阶段 智能控制系统具有自学习 自适应 自组织等功能 能够解决模型不确定性问题 非线性控制问题以及其它较复杂的 问题 严格来说 b l d c m 是一个多变量 非线性 强耦合的对象 因此利用智 能控制可以取得满意的控制效果 目前 己有许多较为成熟的智能控制方法应用 于无刷直流电动机控制 其中模糊控制和神经网络控制是近年来的研究热点 前 者不依赖于被控对象的精确的数学模型 对系统的动态响应有较好的鲁棒性 将 它与p i d 控制结合后形成的f u z z y p i d 控制具有f u z z y 和p i d 控制的双重优点 响应快 速度无超调 调速范围宽 在不同的负载下具有较强的鲁棒性 文献 5 4 文 克服了简单模糊控制和传统p i d 控制 的缺点 取得了良好的效果 后者既具有非线性映射的能力 能够逼近任何线性 和非线性模型 又具有自学习 自收敛性 而且对被控对象无需精确建模 对参 数变化具有较强的鲁棒性 将之与p i d 控制结合后可以达到很好的动 静态性能 完全可以应用于高精度的定位系统 此法在文献 8 中得到了良好的验证 此外还 可以把模糊控制和神经网络相结合 或者采用双神经元网络来控制 总之 智能 控制方法多样 控制效果也比较好 4 无传感器控制 传统的无刷直流电机都要使用位置传感器实现对转子位置的检测 比如霍尔 效应器件 h e d 光学编码器 旋转变压器等 然而 这些传感器存在着以下缺点 1 使得电机设计复杂化 并且增加了电机尺寸 2 显著增加了小容量设备的硬件投资 3 位置传感器难于安装在电机内部有限的空间里 维修比较困难 4 位置传感器有碍机械传动 使得系统的鲁棒性降低 并且连接线多 容易 引入干扰 5 难于适应恶劣的环境 在某些工业应用场合不方便甚至不允许使用 因此 无刷直流电机的无位置传感器控制技术迅速兴起 并成为今后无刷直 流电动机控制的发展趋势 本文所采用的控制策略正是这种无位置传感器的控制 1 4 无位置传感器无刷直流电机转子位置检测方法研究现状 为了适应无刷电机的进一步发展趋势 无位置传感器无刷直流电机应运而生 与有位置传感器无刷直流电动机内部装有能感应磁场的霍尔传感器不同 无位置 传感器无刷直流电动机没有位置传感器 它 般是利用电枢绕组的感应反电动势 等信号来间接获得转子磁极的具体位置 从而达到与位置传感器相同的效果 与 传感器直接检测法相比 省去了位置传感器 简化了电动机本体结构 在硬件方 面取得了良好的效果 并得到了广泛的应用 无位置传感器无刷直流电动机定子 绕组的换流是依靠电机的电压和电流信息间接的获得转子磁极的位置信号 进而 控制绕组的换流顺序和时刻 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 大多是通过检测定子电流和定子电压等容易直接获取的物理量 再经过相应的处理 间接获得电机的转子位置 总的归纳起来 可以分为电感测 量法 1 1 1 状态观测器法 12 1 反电势法 1 3 1 6 l 及人工智能法f 1 7 1 等几大类 1 电感测量法 电感测量法的基本原理是 首先在绕组中施加方波电压脉冲并检测其产生的 电流幅值 然后比较电流幅值得知电感差异 最后根据电感与转子位置之间的关 5 无位置传感器无刷直流电机控制系统的研究 系进而判断转子位置 电感法对于电机静止时转子初始位置检测效果较好 但由 于无刷直流电机转子位置不同时电感差异较小 因此该方法依赖于高精度的电流 检测 2 状态观测器法 状态观测器法的基本思想是以电机的转子转速 位置角 电枢电压 电流等 参数作为状态变量 在定义状态变量的基础上建立电机的数学模型 通过数字滤 波的方法得出状态变量的离散值 确定转子的位置 从而实现对电机的控制 状态观测器法比较好地解决了电机在高速 重载情况下难于控制的问题 其 良好的抗干扰能力也使其更适用于恶劣的工作环境 但庞大的运算量在一定程度 上限制了它的应用 该方法一般采用数字信号处理器来承担庞大的运算量 相对 增加了系统成本 实际应用中并不多见 3 反电动势法 电机旋转时 线圈切割磁力线则会产生感应电动势 这种电动势通常称为反 电动势 电机的反电动势与电机的转子位置存在一定的关系 通过检测电机反电 动势 可以提取转子位置信号 这类方法称为反电动势法 b e m f b a c ke l e c t r o m o t i v ef o r c e 按照对反电动势处理方法的不同 反电动势法可分为反电动势过 零检测法 反电动势三次谐波法和反电动势积分法等 l 反电动势过零检测法 在无刷直流电机中 定子绕组的反电动势为梯形波 正负交变 绕组反电动 势过零后 延迟对应于一定的电角度 一般为3 0 的时间即为电机换相时刻 因 此 只要检测到各相反电动势的过零点 即可获知转子的关键位置信息 实现无 位置传感器的无刷直流电机控制 反电动势过零的检测方法是通过测量不导通相的端电压 与电机绕组中点电 压进行比较 以得到反电动势的过零点 通常的无刷直流电机在运行中 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 绕组反电动势的过 零点就发生在该相绕组悬空的时间段内 此时 只要检测绕组中相电压的变化 即可检测到反电动势过零点 但对于小电枢电感的无刷直流电机 在多数情况下 绕组中点电压难以获得 并且需要采用电阻分压和进行低通滤波 这样会导致反 电动势信号大幅度地衰减 与电机的速度不成比例 信噪比太低 另外也会给过 零点带来更大的相移 2 1 反电动势三次谐波法 反电动势三次谐波法利用反电势的三次谐波确定无刷直流电机换相时刻 首 先 对三相绕组反电势进行傅里叶分解 得到包括基波在内的一系列谐波分量 通过对电枢三相端电压的简单叠加 可以获得三次谐波及3 的奇数倍次谐波 从 中提取反电动势的三次谐波分量 进行积分 积分值为零时即得功率器件的换相 6 硕 上学位论文 速范围大 相位延迟小等优点 但由于低速时信 号的不断积累 该方法在积分过程中会产生误差 造成换相不准确 3 反电动势积分法 反电动势积分法将悬空相反电势的积分量与门限值进行比较 当反电势积分 量达到门限值时 即为该相绕组的换相时刻 采用反电势积分法进行控制时 应 首先计算门限值电压 控制系统将积分器输出电压与门限电压进行实时比较 以 确定换相时刻 该方法的优点为控制过程无需转速信息 通过调节门限值大小即 可实现电机的超前或滞后换相 且对开关信号不敏感 缺点为存在积分累计误差 和门限值设置问题 4 人工智能法 人工智能算法具有很强的自适应性和自学习能力 在无刷直流电机控制中有 较大的应用潜力 基于人工智能算法的转子位置检测基本思路是 采用人工神经 网络 模糊控制 遗传算法 人工免疫自适应及滑模变结构等理论建立无刷直流 电机的电压 电流与转子位置之间的关系 由测量到的电机电压 电流信号映射 出转子位置信号或者获得绕组换相信号 人工智能法无需准确数学模型 因此适 用于非线性系统 对实际控制对象有较好的泛化能力 同时 该方法对参数变化 和量测噪声具有很强的鲁棒性 可有效解决一些传统和其他现代控制方法难以解 决的问题 并提高运动控制的质量和效果 高性能专用单片机 d s p 的出现为该 方法提供了广阔的发展空间 1 5 本论文的结构 本文以t m s 3 2 0 f 2 8 12 为主控芯片 采用反电势过零检测法来估算转子的位 置和速度 实现电流 速度双闭环控制 除了第一章的绪论部分 其他三章的内 容安排如下 第二章详细分析无刷直流电机的工作原理 建立无刷直流电机的数学模型 第三章根据已有的无刷直流电机和实际情况 制定控制系统的总体设计方案 其中包括 转子位置的检测 电机的启动方法 系统的调速方案等 并在此基础 上用m a t l a b 进行建模仿真 第四章介绍基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的无刷直流电机控制系统 描述系统硬件部 分电路的功能和结构 并以该系统为平台 实现了对无刷直流电机的控制 7 无位冒传感器无刷直流电机控制系统的研究 第2 章无刷直流电机原理及数学模型 2 1 无刷直流电机的结构 常见的无刷直流电机由电机本体 电子换相电路和位置检测电路三部分组成 硕l 学位论文 图2 2 无刷直流电机本体截面示意图 2 1 2 电子换相电路 电子换相电路主要由两部分组成 一是功率逻辑开关单元 二是位置传感器 信号处理单元 它的主要作用是控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间 电子换相电路在接受到位置传感器检测到的转子位置信号后将之进行处理 按一 定的逻辑代码输出 触发功率开关 由于电子换相电路的导通次序与转子转角同 步 因而起到了机械电刷和换相器换相的作用 上述两个组成部分之中前者是核 心 其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给无刷直流电机定子上各相绕 组 以便使电动机产生持续不断的转矩 而各相绕组导通的顺序和时间主要取决 于位置传感器检测到的信号 此信号一般不能直接用于功率逻辑开关单元的控制 它需要经过一定的逻辑处理以后才能去控制功率逻辑开关单元 j 图2 3 三相无刷直流电机半控桥电路图 9 无位置传感器无刷直流电机控制系统的研究 电子换相电路分为桥式和非桥式两种 l9 1 多采用桥式结构 应用最为广泛的 是三相半控状态和三相全控状态连接 三相半控桥式结构如图2 3 所示 三相全 控桥式结构如图2 6 所示 早期的换相器大多是由晶闸管组成 随着新型可关断 全控型器件的发展 目前在中小功率的电动机中换相器多由功率m o s f e t 或 i g b t 构成 具有控制容易 开关频率高 可靠性高等诸多优点 2 们 2 1 3 位置传感器 位置传感器安装在定子线圈的相应位置上 检测转子的磁极位置 为逻辑开 关电路提供正确的换相信息 位置传感器种类较多 且各具特点 目前常用的有 以下几种 2 1j 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实现其位置测量 作用的 它具有输出信号大 工作可靠 寿命长 使用环境要求不高 适应性强 结构简单紧凑等优点 但这种传感器体积较大 且输出波形为交流 需要整流 滤波后才可使用 2 光电式位置传感器光电式传感器是利用光电效应制成的 由跟随电动机 转子旋转的遮光板和固定不动的光源以及光敏晶体管等部件组成 它的性能稳定 但是信号噪比较大 光源灯泡寿命短 使用环境要求较高 3 磁敏式位置传感器磁敏式位置传感器是指它的某些电参数按一定规律随 周围磁场变化的半导体敏感元件 其基本原理为霍尔效应和磁阻效应 目前常见 的磁敏传感器有霍尔元件 霍尔集成磁敏电阻器及磁敏二极管等多种 2 2 无刷直流电机的工作原理 2 2 1 无刷直流电机工作原理 众所周知 在有刷直流电机中电刷起着电枢电流换相和位置检测的作用 它 不仅引导电流 而且由于电枢导体在经过电刷所在位置时 其中的电流也要改变 方向 所以电刷的位置决定着电流换相的地点 与有刷直流电机相比 无刷直流 电机顾名思义就是不存在着机械的电刷 它是通过采用电子换相装置代替了机械 换相和电刷的作用 尽管二者构造不尽相同 但是作用确实完全一样的 下面以 三相直流无刷电机半控桥电路为例 简述其工作原理 图2 3 即为三相无刷直流 电机半控桥电路原理图 图中位置传感器v p l v p 2 v p 3 为光电器件 以三只 功率晶体管v 1 v 2 v 3 构成功率逻辑单元 图2 3 所示转子位置与图2 4 所示位置一致 当光电器件v p l 被光照射 使 得功率管v 1 呈导通状态 电流流入绕组a a 该绕组电流与转子磁极作用后所 1 0 转动 当转子磁极转 到图2 4 b 所示位置时 直接装在转子轴上的旋转遮光板也随着同步转动 并遮住 v p l 使v p 2 受光照射 从而使得v 1 截止 v 2 导通 电流从绕组a a 断开而进 入绕组b b 使得转子磁极继续朝着箭头方向转动 并带动遮光板同时期顺时针 转动 当转子磁极转到图2 4 c 所示位置时 遮光板已经遮住了v p 2 使得v p 3 被光照射 导致v 2 截止 v 3 导通 电流流入了c c 于是驱动转子磁极继续朝 着顺时针方向旋转 并重新回到2 4 a 的位置 这样 定子绕组在传感器的控制下 便实现了各相绕组电流的换相 在换相过程中 定子绕组在工作气隙中形成的旋 转磁场是在3 6 0 0 电角度范围内有三种磁状态每种磁状态持续12 0 0 电角度 如图 2 4 所示 图中f a f b f c 分别为绕组a a b b c c 通电后产生的磁通势 图2 4 a 为第一状态 绕组电流与转子磁场的相互作用使得转子沿顺时针旋转 经 过1 2 0 0 电角度后进入第二状态 这时a a 断电 b b 通电 即定子绕组所产生的 磁场转过了1 2 0 0 如图2 4 b 所示 电动机转子继续沿着顺时针旋转 再转过1 2 0 0 电角度 便进入第三状态 此时b b 断电 c c 通电 定子绕组所产生的磁场又 转过了1 2 0 0 电角度 如图2 4 c 所示 它继续驱动着转子沿顺时针旋转1 2 0 0 电角 度恢复到初始状态 这样周而复始 电机转子便连续不断地旋转 图2 5 给出了 各相绕组的导通顺序示意图 图2 4 开关顺序和定子磁场旋转示意图 d 2 2 2 主电路连接方式 无刷直流电机的定子结构一般设计成多相绕组 典型为三相绕组形式 三相 绕组主回路基本类型有三相半控和三相全控两种 三相半控电路结构简单 但是 电机本体利用率不高 每个绕组只通电1 3 周期 另外2 3 时间处于断电状态 没有得到充分的利用 此外 在运行过程中其转矩的波动也较大 所以在要求较 高的场合一般采用三相全控电路 三相全控连接又有三相y 形全控连接和三相 形全控连接之分 图2 6 给出 了无刷直流电机的y 形全控连接方式 v 1 v 2 v 3 v 4 v 5 和v 6 为功率器件 功率器件控制电机三相绕组电流的开通和关断 图中功率器件为低电平触发 无位置传感器无刷直流电机控制系统的研究 图2 5各相绕组导通示意图 4 8 0 0 姒 v 1v 3v 5m o t o r j 童3j 备 j 童吕蔑訾一 j dc d 二 j 唪 一n 聊螺 vv v l 1 v 4 r bc o i lb j 吝 j 马 一基l 也4 w l 射 i r cc o l ic 图2 6 无刷直流电机三相全控电路示意图 对于全桥式功率驱动 其常见导通方式分为两两导通方式 1 2 0 导通方式 和 三三导通方式 1 8 0 导通方式 1 两两导通方式是指每一时刻电机都有两相导通 第三相悬空 各相的导通 顺序与时间由位置检测电路获得的转子信号决定 定子合成磁场在空间不是连续 旋转的磁场 而是一种步进式旋转磁场 6 0 电角度时 逆变桥就进行一次换流 每个步进角是6 0 电角度 转子每转过 定子磁状态就相应改变一次 由此可见 电机有六个磁状态 每一状态都是两相导通 每相绕组中连续流过电流的时间对 应于转子旋转12 0 电角度所需的时间 每经过一次换相 合成转矩的方向就转 过6 0 电角度 一个周期转矩要经过六次方向变换 使得转矩波动比三相半桥式 驱动电路要平缓得多 图2 6 所示电路中 各功率管按v 1 v 2 v 2 v 3 v 3 v 4 v 4 v 5 v 5 v 6 v 6 v 1 的顺序导通 2 三三导通方式是指每一瞬间逆变桥均有三只功率管器件同时导通 同两两 1 2 硕士学位论文 2 3 无刷直流电机的数学模型 三三 喜昙量 菱 妻兰錾 p 差 圣 c 2 t 式中 定子绕组相电压 v i o 定子绕组相电流 a p 微分算子p 纥 无位置传感器无刷直流电机控制系统的研究 将式 2 2 代入式 2 1 中 用k 来表示 一m 得到电压方程为 圣 喜昙墨 耋 专丢曼 p 妻 圣 2 2 2 3 根据三相定子绕组的电压平衡方程式 2 3 可得无刷直流电机的等效电路模 型 如图2 7 所示 a b c 图2 7 无刷直流电机等效电路模型 电动机的电磁转矩为 z 二 乞屯 e a e o i o 式中缈 电动机的机械角速度 令吐为电机的电角速度 且设电机的极对数为p 则有 0 e p 电动机的运动方程为 警 z 一 一曰缈 式中乙 负载转矩 n 朋 b 粘滞阻尼系数 n m s 转子及负载的转动惯量 k g m 2 s 2 4 2 5 若不考虑粘滞阻尼系数 令其为零 则电动机的运动方程为 警 专 z l 6 2 3 2 反电动势 无刷直流电动机气隙主磁通密度为曰 当转子旋转速度为恒值时 定子每相 绕组反电动势波形与磁通密度分布波形应该一致 为了简化分析 可将它近似为 1 4 硕上学位论文 梯形波 为了减小转矩脉动 反电动势波形的平顶宽度应大于等于1 2 0 电角度 通常把相反电动势看成平项宽为1 2 0 电角度的梯形波 二相绕组的反电动势依 次相差1 2 0 电角度 设电枢绕组导体的有效长度为厶 导体的线速度为1 则单根导体在气隙磁 场中感应的电动势为 e 乓l a l 2 7 1 丝n 一2 p r n 2 8 1 一 l z 子 6 06 0 式中d 电枢直径 p 电机的极对数 r 极距 n 电机的转速 单位为r m i n 如果电枢绕组每相串联匝数为呒 则每相绕组的感应电动势幅值为 已 2 略爱咖 咖 2 9 式中 万 每极磁通量 单位为w b 叱 岛呸f 厶 e 一相电动势常数 蛊 口 计算极弧系数 2 3 3 稳态性能分析 通过数字仿真可以得到无刷直流电动机的相电流和电磁转矩波形 但计算较 复杂 且得出的控制参数与性能之间的关系也不够直观 为了简化分析 假设不考虑开关器件动作的过渡过程 并忽略电枢绕组的电 感 这样 无刷直流电动机的电压方程可以简化为 u 一2 坼 e 2 e a o 2 1 0 式中坼 开关器件的管压降 l 电枢电流 e 线电动势 即电机的反电动势 对于三相六状态无刷直流电动机 任一时刻都有两相绕组导通 故电机的反 电动势为 脚e m 警咖 魄 z y 2 式中e 一电机的电动势常数 e 警 无位置传感器无刷直流电机控制系统的研究 电枢绕组的电流为 l u 矿2 u r e 2 1 2 在任一时刻 电机的电磁转矩由两相绕组的合成磁场和转子磁场相互作用产 生 则 z 警 等 訾咐 l 汜 式中q 电机的转矩常数 c t 垫 以u f q 一转子的机械角速度 q 罢 电机的转速为 u 一2 坼一2 r i 空载转速为 u 2 u r 单 7 血 u 2 u r 刀 2 百2 式2 九5 口 丽 电动势系数为 k 鲁 c 卟警吼 2 4 本章小结 2 1 4 2 1 5 2 1 6 本章首先介绍了无刷直流电机的结构 它主要由电机本体 电子换相电路和 位置检测电路三部分组成 然后以三相直流无刷电机半控桥电路为例阐述了无刷 直流电机的工作原理并在此基础上组建了无刷直流电机的数学模型 其中包括电 机的基本方程 反电势以及稳态分析等 为后面的理论分析打下了基础 1 6 硕上学位论文 第3 章无位置传感器无刷直流电机控制技术 3 1 无刷直流电机的调速方法的选择 传统的有刷直流电动机的调速方法包括 改变电机主磁通调速 改变电枢回 路电阻调速 调节电枢端电压调速 而根据上章给出的无刷直流电机数学模型可 以看出 无刷直流电动机的机械特性方程与有刷直流电机的机械特性方程在形式 上式完全一致的 所以无刷直流电机的调速方法也和有刷直流电机的调速方法相 似 但由于无刷直流电机是通过永久磁铁励磁 因此它的调速方法只能选择改变 电枢回路电阻和调节电枢端电压 前者优点是设备简单 操作方便 但由于调速 时转矩波动过大 只能进行