（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的数字无刷直流电机调速系统的研究.pdf

堕 三些盔竺堡主兰丝堡苎 苎苎苎墨 a b s t r a c t t h i sp a p e rd e s c r i b e sac o n t r o ls y s t e mo fs e n s o r l e s sp e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd cm o t o r l d c b a s e do nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r d s p a f t e ra n a l y s e sa n ds u m m a r i z et h ep r o b l e mo f t h ee x i s t i n gc o n t r o l s y s t e m o fs e n s o r l e s s p e r m a n e n tm a g n e t b l d c b a s e do ns t u d y o ft h ea l lt h er u n n i n gm e t h o do fs e n s o d e s sp e r m a n e n tm a g n e tb l d c t h ep r i n c i p l ea n d m e t h o do fb a c k e m fz e r o c r o s s i n gd e t e c t i o n p h a s ej u d g e m e n ta n dp h a s e d e l a yc o m p e n s a t i o n a r ep r e s e n t e d t h ed i g i t a lc l o s e l o o pc o n t r o lt e c h n i q u ei su s e dt oi m p r o v er o t a t i o ns p e e d c h a r a c t e r i s t i cw i d es c o p eo fs p e e da d j u s t m e n t t h i ss y s t e mu s e dt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ad s pt h a t m a d eb yt i a st h em i c r o p r o c e s s o r t h u si tc a ne a s i l yo u t p u t6p w ms i g n a l s i m p l e m e n t1 2b i t a d c o n v e r t i o n d e t e c tt h ep o s i t i o no fr o t o r c o m p e n s a t et h ep h a s e d e l a y s w i s h s m o o t h l yb e t w e e ni n n e ra n do u t e rs y n c h r o n i z a t i o na n di m p l e m e n t t h es p e e d c l o s e l o o pc o n t r 0 1 t h es y s t e mi sd e s i g n e df o rt h ec o m p r e s s o ro fr e f r l g e r a t o r y o nt h ev i e wo ft h er e s u l to f e x p e r i m e n t t h em o t o r s t a r t e ds t a b l ya n dq u i c k l yw i t hs m a l lt o q u ep u l s a n ta n dh a dw i d es c o p eo f s p e e da d j u s t m e n t i t c a l lc o n t e n ta l lo ft h er e q u e s to ft h ec o m p r e s s o ro fr e f r i g e r a t o r y i t a l s oh a v et h ec h a r a c t e r i s t i co fs i m p l i c i t y g o o da d a p t a b i l i t ya n ds e c u r i t y t e s oi tw o u l d h a v ew i d es c o p eo f a p p l i c a t i o n k e y w o r d s e n s o r l e s sb l d c mb a c k e m f p h a s ed e t e c t i o na n dc o m p e n s a t i o no f p h a s e d e l a y d s p c l o s e l o o ps p e e dc o n t r o l 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1无刷直流电动机发展及现状 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中 电动机主要类型有同步电动机 异步电动机与直流电 动机三种 直流电动机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用 但传统 直流电机采用机械机构 电刷 进行换向 因而存在机械摩擦 并由此带来电磁噪声 换向火花 以及寿命短等缺点 再加上制造成本高 维修困难 从而极大的限制了它的 发展和应用范围 针对上述传统直流电动机的弊病 以电子换相取代机械换相的无刷电机应运而生 早在2 0 世纪3 0 年代就有人开始研制以电子换向代替机械换向的直流无刷电动机 经过 几十年的努力 终于在6 0 年代实现了这一愿望 直流无刷电机是用电子换向代替传统的机械换向的一种新型机电一体化电机 它由 一台永磁同步电动机的本体 一套电子换向开关电路 又称逆变器 和一套转子位置 传感器所组成 其机械特性与普通直流电动机相类似 但在性能上保持了普通直流电动 机的优点 而又克服了其缺点 无刷直流电机通常采用永磁体转子 没有励磁损耗 发 热的电枢绕组又通常装在外面的定子上 热阻小 散热容易 因此 无刷直流电动机具 有没有换向火花 电磁噪声小 并且体积小 重量轻 维护方便以及高效节能等一系列 有点 在此之后 又相继出现了新型永磁材料钐钴 钕铁硼 它们具有高剩磁密度 高矫 顽力以及高磁能积等优异磁性能 使永磁电机有了较大发展 但是钐和钴的价格昂贵 限制了永磁无刷电机的前进步伐 直到八十年代初期 价格较低的钕铁硼永磁材料研制 l 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 成功 开创了稀土永磁电机的新纪元 并为其在民品工业中的应用开辟了广阔前景 现 己在医疗器械 仪器仪表 化工 纺织及家用电器等领域日益普及 进入九十年代以来 随着电力电子工业的飞速发展 许多新型高性能半导体功率器 件 如g t r m o s f e t i g b t m c t 等相继问世 以及微处理器 大规模集成电路技 术的发展 逆变装置也发生了根本性的变化 这些开关器件本身向着高频化 大容量 智能化方向发展 并出现集半导体开关 信号处理 自我保护等功能为一体的智能功率 模块 i p m 和大功率集成电路 使无刷直流电动机的关键部件之一 逆变器的成本降 低 且向高频化 小型化发展 同时 永磁材料的性能不断提高和完善 特别是钕铁硼 永磁体的热稳定性和耐腐蚀性的改善 加上永磁电机研究和开发经验的逐步成熟 稀土 永磁无刷直流电机的应用和开发进入一个新阶段 目前正朝着超高速 高转矩 高功能 化 微型化方向发展 无刷直流电动机在技术上研究方向主要分为电机本体和电子线路两方面 在本体方 面 转子永磁磁钢材料尺寸及磁钢的排列方式的选择应该合理 在满足各项性能指标的 前提下 使电机的成本尽量低 存在一个优化问题 另外永磁电机的漏磁情况比较复杂 对电机性能也有一定影响 所以研究永磁电机的漏磁场分布一直是一个研究方向 在电子线路方面 用观测电量的方法替代位置传感器的作用是一个必然趋势 如何 对电势或电流进行采样 通过控制线路进行适当的处理 使电机按正常的逻辑运行是目 前课题的研究任务 向更高一步发展 可以利用计算机发展数字信号 控制电机的运行 使电机的控制人工智能化 也是研究的主导方向 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 无刷直流电动机基本原理 普通有刷直流电动机具有固定不变的磁场和旋转的电枢 电枢的旋转必须借助于换 向器和电刷进行换流 该类电动机在电枢电流很大时 电刷和换向器换流时就会有火花 出现 在真空环境中更为突出 由于电刷和换向器的摩擦作用 使得有刷直流电动机需 要定期维护 电刷和换向器部分是该类型电动机最易和最常出现故障的地方 在一些特 殊场合的使用常常因此受到限制 因而在很早人们就提出了用电子换向来代替机械换向 器和电刷的思想 让电机的磁场作为转予旋转起来 而使电枢固定不动 这样电枢中的 电流就有可能采用电子换向的办法来换流 随着大功率开关器件的出现 使得电子换向 的办法成为可能 有刷直流电动机由于电刷和换向器的存在 电枢中的电流可随着速度的变化进行相 应的换流 而无刷直流电动机由于磁场在转子上 要使电机产生持续不断的力矩 电枢 电流就必须随转子磁场同步变化 也就是必须使定子磁场与转子磁场同步运动 这样才 能和有刷直流电动机一样产生持续不断的力矩 稀土永磁无刷直流电动机的基本构成包括电动机本体 控制器和转子位置传感器三 部分 如图1 1 所示 图1 1 稀土永磁无刷直流电动机构成框图 通常无刷直流电动机可以设计成正弦波驱动和方波驱动 正弦波驱动的无刷直流电 动机气隙磁场设计成正弦波 逆变器给电枢绕组提供正弦波电流 方波驱动的无刷直流 电动机气隙磁场设计成方波 逆变器提供电动机的电流为方波 电枢绕组各相感应电势 为梯形波 方波驱动的无刷直流电动机由于采用方波供电 与正弦波驱动的无刷直流电 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 动机相比 具有控制简单 出力大的优点 但有转矩脉动较大的缺点 不过由于电机控 制技术的发展 转矩脉动已经可以减的非常小 而且稀土永磁材料磁能积大 取向性好 气隙磁场很容易设计成方波 由于方波驱动的稀土永磁无刷直流电动的这些优点 近年 来在军民领域中得到了广泛应用 逆变器 图l 2 稀土永磁无刷直流电动机系统图 其工作原理以图1 2 和图1 3 所示为例来说明 控制电路对转子位置传感器检测的 信号进行逻辑变换后产生脉宽调制p 咖信号 经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关 管 从而控制电动机各相绕组按一定顺序工作 在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场 下 面以两相导通星形三相六状态无刷直流电动机为例来说明其工作原理 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 a 图1 3 稀土永磁无刷直流电动机工作原理示意图 当转予稀土永磁体位于图卜3 a 所示位置时 转子位置传感器输出磁极位置信号 经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器 使功率开关管v v 导通 即绕组a b 通电 a 进b 出 电枢绕组在空间的合成磁势f 如图卜3 a 所示 此时定转子磁场相互作用拖动 转子顺时针方向转动 电流流通路径为 电源正极一v 管一a 相绕组一b 相绕组一v 管一 电源负极 当转子转过6 0 电角度 到达图1 3 b 中位置时 位置传感器输出信号 经 逻辑变换后使开关管v 6 截止 导通 此时v 仍导通 则绕组a c 上通电 进c 出 电枢绕组在空间合成磁场如图卜3 b 中f i 此时定转子磁场相互作用使转子继续沿顺时 针方向转动 电流流通路径为 电源正极一v 管一a 相绕组一c 相绕组一v 2 管一电源负极 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 3 v 2 一y 3 v 一v s v v s v e v v o v v 2 一v 3 v 2 则转子磁场始终受到定子合成磁场的作 用并沿顺时针方向连续转动 在图1 3 a 到 b 的6 0 0 电角度范围内 转子磁场顺时针连续转动 而定子合成磁 场在空间保持图卜3 a 中f 的位置不动 只有当转子磁场转够6 0 0 电角度到达图2 3 b 中f 的位置时 定子合成磁场才从图卜3 a 中f 的位置顺时针跃变至 b 中f 的位置 可见定子合成磁场在空间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 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 表卜1 两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表 当转子每转过6 0 0 电角度时 逆变器开关管之间就进行一次换流 定子磁状态就改 变一次 可见 电机有6 个磁状态 每一状态都是两相导通 每相绕组中流过电流的时 间相当于转子旋转1 2 0 0 电角度 每个开关管的导通角为1 2 0 0 故该逆变器为1 2 0 导通 型 两相导通星形三相六状态无刷直流电动机的三相绕组与各开关管导通顺序的关系如 表1 1 所示 由于稀土永磁体的取向性好 可以方便地获得具有较好方波形状的气隙磁场 因此 稀土永磁无刷直流电机一般用径向激磁结构 对于方波气隙磁场 当定子绕组采用集中 整距绕组 即每极每相槽数q 1 时 方波磁场在定子绕组中感应的电势为梯形波 对 于两相导通星型三相六状态稀土永磁无刷直流电动机 方波气隙磁感应强度在空间的宽 度应大于1 2 0 电角度 在定子电枢绕组中感应的梯形波反电势的平项宽度应大于1 2 0 0 电角度 这种具有方波气隙磁感应强度分布 梯形波反电势的无刷直流电动机称为方波 电动机 方波电动机通常由方波电流驱动 即与1 2 0 0 导通型逆变器相匹配 由逆变器 向方波电动机提供三相对称的 宽度为1 2 0 0 电角度的方波电流 方波电流应与电势同 相位或位于梯形波反电势的平顶宽度范围内 为获得梯形波反电势 电枢绕组一般应设 计成集中绕组 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 下面以两相导通星形三相六状态为例 分析稀土永磁无刷直流电机的电磁转矩 电 枢电流和反电势等特性 为了便于分析 假设不考虑开关管开关动作的过渡过程和电枢 绕组的电感 1 电枢绕组感应电势 单根导体在气隙磁场中感应电势为 e 岛加 v 卜1 式中喀为气隙磁感应强度 三为导体的有效长度 1 为导体相对于磁场的线速度 1 丽7 r d 行 2 p f 云 m s 1 2 6 06 0 其中厅为电机转速 r m i n o d 为电枢内径 f 为极距 p 为极对数 设电枢绕组每相串联匝数为矸0 则每相绕组的感应电势为 风 2 w e v 卜3 将式 i 2 代入式 i i 得 口 以三2 嗜 v i 4 方波气隙磁感应强度对应的每极磁通为 0 5 1 1b j 吒r l w b 卜5 式中口 为计算极弧系数 则有 口 2 砷一去 v i s 将式 卜6 代入式 卜3 得每相绕组感应电势 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 日2 去 一栉 v 1 7 则线电势 即电枢感应电势为 e 2 如 罴w d p a n 印 玎 v 1 8 式中e 素妄 为电势常数 2 电枢电流 在每个导通时间内有以下电压平衡方程式 u 2 a u e 2 i o r o 卜9 式中u 为电源电压 为开关管的饱和管压降 l 为每相绕组电流 屹为每相绕组电阻 由上式得 l u 2 a u 一 e a 卜 1 0 口2 一 l z 3 电磁转矩 在任一时刻 电机的电磁转矩7 由两相绕组的合成磁场与转子永磁场相互作用而 产生 则 乙 警 百e 1 n 1 1 1 qq 7 式中 q 2 6 n o n 为电机的角速度 则有 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 乙 孚2 p w m l o 詈 吼 l 叭 m 蚴 式中g 罢 为转矩常数 4 转速 将式 卜8 代入式 卜9 得 栉 u 2 a u 2 1 0 r o r p m 1 1 3 e o j 空载转速为 u 2 a uu 2 a u 铲一c d a 2 萋i 7 5 q u 藻2 a u r p m 1 1 4 p 阡0 中 9 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 无位置传感器永磁无刷直流电动机 从永磁无刷直流电动机转矩的产生机制可知 为产生恒定输出转矩 定子电流的变 化必须与转子位置同步 所以获得准确的转子位置信息对永磁无刷直流电机极为重要 普通的永磁无刷直流电机采用基于霍尔元器件的位置传感器 在一些高性能驱动场合 还使用了分辨率更高的光电编码器作为位置传感器 然而在实际应用中 上述位置传感 器还有以下不足 1 机械式位置传感器可靠性较差 尤其是在高温 潮湿和灰尘较多的恶劣环境下 机械式位置传感器会很快失效从而无法获得准确的转子位置信息 2 机械式位置传感器的成本通常较高 这在注重性价比的工业和家庭应用场合显 得不是很合适 3 机械传感器的安装定位非常重要 定位不好会影响电机的出力 所以很多无刷 直流电机在出厂时并未包含位置传感器 而且 由于位置传感器的信号线接近电机电源 线 导致位置传感信号易受干扰 所以 在对性价比或可靠性有严格要求的场合 无位置传感器无刷直流电机具有无 可比拟的优势 如日本生产的压缩机已经广泛的应用了这种电机 与有位置传感器无刷 直流电机相比 无位置传感器无刷直流电机的主要弱点是启动转矩比较低 一般只适用 于空载或轻载条件下起动 当电机转子采用稀土永磁材料励磁时 稀土永磁体的强磁场 使得电机在较低转速下就可检测到电枢绕组的反电动势 从而加快了电机启动过程 扩 展了调速范围 无位置传感器永磁无刷直流电动机虽省去了位置传感器 但基本工作原理与有位置 传感器无刷直流电动机一样 区别在于前者需通过软件计算或控制器的硬件测试来判断 当前转子位置 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 课题研究主要内容及技术指标 本文研究的是对用于冰箱制冷变频电机的控制与研究 刷直流电动机 b l d c m 1 无位置传感器稀土永磁无刷直流电动机技术指标 额定运行性能 力矩 o 2 n m 转速 大于2 7 0 0 r p m 功率因数 大于0 9输出功率 1 0 0 w 起动性能 起动转矩倍数 2 0电流 不大于2 5 a 起动最小转矩倍数 大于1 2 最大转矩倍数 大于2 5 2 冰箱制冷变频电机系统的技术指标 所用电机为无位置传感器无 效率 大于9 1 电流 不大于o 5 a 1 调速范围 1 8 0 0 r p m 6 0 0 0 r p m 过速能力可达7 2 0 0 r p m 2 系统效率 不小于8 5 3 系统通电及起动时的电流冲击小于额定状态1 5 倍 达到设定转速时间不大于 l o 秒 4 保护功能 系统具有过压 欠压 缺相 过流及过热等保护功能 5 电压范围 2 2 0 v 2 0 6 转速控制精度 t o 5 8 噪音满足冰箱器的总要求 本课题的目的就在于针对于实际应用 研制出符合要求的高性能 全数字无位置传 感器稀土永磁无刷直流电机控制系统 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统总体方案分析与设计 第二章系统总体方案分析与设计 2 1 系统总体结构 a c 2 2 0 v 负载 图2 1 系统总体结构框图 系统总体结构如图2 一l 所示 整流滤波电路包括全波整流电路 前级电感滤波和后级 阻容滤波电路 主功率电路为 般的三相桥式逆变电路 保护电路包括过流保护 过压保 护 欠压保护和过温保护 驱动电路主要由取公司的三相桥式逆变电路驱动器i r 2 1 3 0 构 成 控制电路包括电机起动 停止开关和转速给定 显示电路为串行l e d 显示电机转速 电流等 d s p 主控电路 转子位置检测电路及b l d c m 是本课题的研究重点 如何将b l d c m 设计的高效 采用有槽的还是无槽的 是否采用位置传感器 如果采用无位置传感器无刷 直流电动机 有何得失 选用何种转子位置检测方式 使得位置检测信号清晰 准确 特 别是主控电路如何设计等问题有待于进一步分析论证 下面就着三大块分别加以讨论 西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体方案分析与设计 2 2电机的选用 对于无刷直流电机的选用 目前有两种选择 一种是采用霍尔元件作为位置传感器的 普通直流无刷电机 另一种是采用无位置传感器的直流无刷电机 这两种类型的b l d c m 各 具有其优缺点 具体各项对比如下表2 1 所示 表2 1有位置传感器b l d o i 和无位置传感器b l i x 1 对比表 有位置传感器的b l d c m 无位置传感器的b l d c m 起动力矩 较大 较小 控制电路较简单 较复杂 软件编程较简单复杂 电机结构较复杂简单 安全可靠性 较低 高 可维护性较弱强 电缆根数 84 从表2 1 的对比来看 有位置传感器的b l d c m 的主要优势在于电机起动力矩大 控 制器的结构和软件实现相对简单 但其缺点较多 如可靠性较低 安全性差 可维护性较 弱等 另外 霍尔元件片薄易碎 导线细且易断 当电机的尺寸小到一定的程度时 元件 难以安装在电动机的内部报有限的空间里 兰个霍尔元件固定时的相位差以及相对于定孑 电枢的位置也要安装的十分准确 否则将极大的影响电机的出力性能 对于无位置传感器的b l d c m 来说 其主要优势在子电机结构简单 可靠性高 可维 护性强 这凡个特点正是用户所需求的 丽其缺点在于电机起动力矩小 但对于冰箱压缩 机电机起动时 电机基本上属于空载起动 因而起动力矩小 并不影响电机的外同步过程 从以上两种电机的对比说明来看 对于冰箱压缩机用电机 采用无位置传感器无刷直流电 机是非常适用的 一1 3 西北工业大学硕士学位论文第 章系统总体方是分析与设计 另外 在电机的制造工艺上 也采用了先进的无槽设计 从而消除了电机的齿槽效 应 减少了电机的损耗 提高了电机的运行效率 并且 在 定的程度上减少了电机脉动 西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体方案分析与设计 2 3 无位置传感器b l d g m 转子位置检测方式的选择 电机位置传感器是无刷直流电机的关键部分 它对电机转子位置进行检测 其输出信 号用于功率开关管的通断 使得电机定予各相绕组按顺序导通 并保证电机连续运行 无 位置传感器b l d c m 虽然省去了位置传感器 但其工作原理并未改变 仍是通过检测电机转 子位置赖控制逆变器各开关管的导通顺序 通过d s p 采集电机本体的输入 输出信号 再 经控制器的硬件测试 比较和软件计算来确定电机转子磁极的位置 近年来国内外文献介 绍的无传感器位置检测方法主要有以下几种 a 反电动势过零点检测法 反电动势过零点检测法是目前技术最成熟 实现最简单 应用最广泛的转子位置检测 方法 这种检测方法应用于三相六拍 绕组星型接法 1 2 0 两两通电方式的无刷直流电机 中 其原理为 在无刷直流电动机稳态运行时 忽略电机电枢反应的前提下 通过检测关 断相反电动势的过零点来获得永磁转子的关键位置信号 从而可以控制绕组电流的切换 实现了电机的运转 这种方法用三相低通滤波器和电压比较器所组成的电子电路取代了传 统的机械位置传感器 实现了转予位置信息的获得 现在应用最广泛的就是这种方法 尤 其在家电领域 日本8 0 年代首次在压缩机控制器中利用4 位单片机实现了无刷直流电机压 缩机的无传感器控制 取得了很好的效果 目前 在国外无刷直流电动机作为动力的空调 冰箱等家电产品中已经广泛应用了这种位置检测方法 近年来 有人将这种方法应用在压 缩机用无刷直流电动机的控制中 转速范围达到了3 0 0 8 0 0 0 r r a i n 实际应用中达到了 满意的效果 这种方法的缺点是静止或低速时反电动势信号为零或很小 难以得到有效的转子位置 信号 系统低速性能比较差 需要采用开环方法进行起动 此外为消除p 删调制引起的高 频干扰信号而对反电动势信号进行深度滤波的同时带来了与速度有关的相移 为保证正确 的电流换相需要对此相移进行补偿 从而保证实时修正位置检测电路造成的相位滞后 提 西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体方案分析与设计 高电机的系统运行性能 b 反电动势三次谐波积分检测法 这种方法也是适用于1 2 0 0 导通 绕组星型接法的无刷直流电动机的控制中 由于梯形 被的反电动势必然包含有三次谐波分量 获取此分量并对其进行积分 当积分值为零时即 得到相应的转子位置信息 在实验中并联于星型电机绕组一个星型电阻网络 通过电阻网 络中性点与直流侧中点之间的电压来获得三次谐波 省去了电机绕组与电阻网络两中性点 之问的连线 这种位置检测方法与利用反电动势过零点检测方法进行了对比实验 采用反 电动势过零点检测法所获得的调速范围为1 0 0 0 6 0 0 0 r m i n 而反电势三次谐波积分法获 得了更宽的调速范围为1 0 0 6 0 0 0 r m i n 也需要采用开环起动方式 但性能要比反电动 势过零点检测法优越 与反电动势过零点检测法相比 三次谐波积分法和电机速度 负载情况无关 受逆变 器引起的干扰影响小 对滤波器要求低 移相误差小 有更宽的调速范围 低速时三次谐 波信号依然可以检测到 所以起动和低速性能要好些 在更宽的调速范围内这种方法能获 得更大的单位电流出力和更高的电机效率 c 续流二极管监测法 续流二极管监测法是通过监测反并联于逆变器6 个开关管的续流二极管中非导通相续 流二极管的导通和截止情况来判断转子的磁极位置 这种方法实际上是对反电动势过零点 的问接检测 但却改善了无刷直流机的低速性能 获得了较反电动势过零点检测法更好的 调速范围 4 5 2 3 0 0 r m i n 由于静止时无法检测到转子位置 起动方式也需采用开环方 式 但是较好的低速性能改善了起动特性 这种方法的缺点是总共六路的检测电路增加了 硬件电路的复杂性 这种方法需要逆变器采取开关管1 2 0 0 导通期间前半段调制后半段开通 的方式工作 增加了控制上的难度 d 反电动势积分法 反电动势积分法是对非导通相绕组的反电动势积分从而获得转子位置 当关断相的反 西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体方案分析与设计 电动势过零点时开始对其绝对值进行积分 当积分值达到一个设定的阈值时停止积分 此 时获得了转子位置 对应于定子绕组的换流时刻 改变此阈值即可实现高速时为提高转矩 而采取的换流角超前控制 因为低速时反电动势信号很弱 这种方法也需要采取开环起动 方式 逆变桥中功率器件的开关噪声影响这种方法的低速特性 还有人提出了和上述方法相似的反电动势逻辑电平积分比较法 这种方法将两路非导 通相反电动势进行过零比较处理 得到逻辑电平后再对两路逻辑电平进行积分 这两个积 分值之间的关系实际上反映了相位关系 从而可以确定出转子的磁极位置 这种方法只需 检测非导通相反电动势的极性 有利于改善低速性能 调速范围可以达到1 0 1 5 0 0 r m i n 对检测电路要求低 所用滤波器只需滤除反电动势中的高频噪声 引入的相移小 甚至可 以忽略不计 适用性强 可以用于多种形式变换器供电的b l d c m 和p m s m 从严格意义上讲 以上4 种方法都是在软硬件上处理电机绕组的梯形波反电动势信号 从而获得转子位置信息 e 磁链估计法 磁链估计法是利用测量定子电压和电流而估算出磁链 再根据磁链与转子位置的关系 估计出转子的位置 算法包含有两个电流环结构 内环矫正磁链的估计值 外环调整位置估计值 这种方 法有较高的准确度 受测量误差和电机参数变化的影响也很小 对包括从静止起动在内的 宽调速范围内 这种方法都可以准确地检测到转子位置 d 扩展卡尔曼滤波法 扩展卡尔曼滤波法 e k f 常用于p m s m 的无位置检测磁场定向控制中 但因其算法计 算量大而限制了在实际中的应用 具有强大计算能力的数字信号处理器 d s p 解决了这个难 题 最近出现了利用a d s p 3 3 0 来实现的扩展卡尔曼滤波法无刷直流电动机无位置传感器控 制 软件的复杂任务使得硬件十分简单 仅仅需要4 个电阻分压网络即可 并在家电和工 业中应用了这种控制算法 d s p 的快速计算能力实现了扩展卡尔曼滤波法算法 共5 0 0 条指 西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体方案分析与设计 令 1 3 s 的执行时间 保证了实时获取转子位置 速度和扰动转矩信息 使系统的可靠 性和运行性能大大提高 g 电感测量法 在内嵌式 i p m 无刷直流电机中 电机绕组电感和转子位置有一定的对应关系 电感测 量法就是通过检测内嵌式无刷直流机绕组电感的变化来判断出转子的位置 在绕组星型接 法的i p m 无刷直流电机中 当两相绕组电感量相等时刻对应于反电动势过零点 此时绕组 中性点电位为直流侧中点电压 文中对冰箱压缩机进行实验 结果调速范围达到5 0 0 7 5 0 0 r m i n 尽管低速时反电动势8 1 l d 但中性点电位代表着位置信息 所以这种方法有 很好的低速性能 但这种方法需要对绕组电感进行实时检测 增加了实现的难度 h 电流法 针对传统的反电动势过零点检测法随速度改变而变化的相位差问题 研究者设计了通 过检测电机定子相电流波形来判断转子位置的相电流检测电路 再与霍尔输出信号进行对 比 实验发现在6 9 6 3 1 7 4 r p m 范围内该电路都能作为位置检测电路很好的工作 电机的磁动势和定子电流应该同相位 当有相位差时会引起电流畸变 通过检测非凸 极表面安装b l d c m 的滞环电流波形的上升和下降时间来确定转子的相对位置 这种方法已 经申清为专利 被称为同步偏差检测 校正技术 这种方法的缺点是需要计算速度快的控 制器 增加了系统的成本 j 涡流效应检测法 研究者在永磁转子表面粘贴部分非磁性导电材料 通过测量此材料中涡流影响引起的 开路相电压变化来判断出转子位置 保证了无刷直流电动机在起动和低速时的可靠运行 因为这种方法对电机的结构有所改变 增加了加工的难度 所以在实际中应用并不多见 j 采用智能控制检测法 近年来 随着实现手段 如单片机和d s p 的功能不断强大 各种智能控制方法得以容 易地实现 这种方法利用模糊控制或神经网络控制策略来建立相电压 电流和转子位置之 西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体方案分析与设计 间的相互关系 基于检测到的电压和电流信号来估算出转子位置信息 可以直接检测电机 相电压和相电流 通过神经网络的训练后可以估计出磁链向量 从而获得转子磁极位置 经过对以上几种转予位置检测方法的说明与类比 反电势过零检测法最为成熟 成本 低 结构简单 实际应用也较多 目前 国外小型立体收录机 超薄录像机以及各种小型 磁记录设备中 运用反电势信号作为转子位置信号的小型电机已达到批量生产水平 获得 了广泛地应用 国内这方面的研究 成功的几项实例都是运用反电势换向这一方法 考虑到课题实现的简单性 可靠性 易实现性 综合考虑技术成本等因素 在本系统 的位置检测决定采用较为成熟的反电势过零检测法来控制b l d c m 的换向 其实质是通过 检测定予绕组开路相的感应电势过零点来间接得到转子的位置信号 然而 由于定子绕组 的感应电势难以直接测量 所以实际上一般使用的是该方法的变通形式 端电压法 对于 本系统采用的两相导通星形三相六状态控制方式 通过检测端电压就能检测到反电势过零 点 因为逆变器每一时刻只有两相导通 另一相处于断开状态 此时该断开相绕组的相电 压就是反电势 又由于本系统采用的永磁同步电动机的永磁体励磁远大于电枢反应 故可 将其忽略 在该前提下 当某相绕组中的反电势过零时 转子直轴与该相绕组轴线重合 因而转子位置可通过定子绕组中的反电势波形检测出来 所以 当检测到反电动势过零时 再延迟3 0 0 电角度 即得到定子绕组换向时刻 羟薪u 砼西h 妊b 电 压 比 隔 宵 l 1 可 一 较 离 变 压 器器 0 l 图2 2 端电压检测原理图 在实际工作中 由于定子绕组电感的影响 使换相时的反电动势波形出现畸变 增加 西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体方案分析与设计 了高次谐波含量 从而导致被检相电压中出现多次过零的假象 所以需要在反电势检测电 路中设计合适截至频率的低通滤波器滤除引起干扰的高次谐波 图2 2 给出了端电压检测 原理图 图中只画出a 相电枢绕组波形 幻相波形与a 相一样 只是相位相差1 2 0 度 n矛 1 n 八 l 1 j 2 d h o ii 1 h b t h c 一 6 i 1 2 0li o2 4 03 1 03 o6dl 0 t 图2 3 反电动势过零检测信号波形 如图2 2 所示 电机三个绕组端接入隔离变压器 经隔离变压器降压后得到相绕组电 压圪 v b 圪 输入低通滤波器 滤波后得到输出电压以 玩 将阮 巩 珥 与 零参考电平进行比较 得到电机的转子位置信号h a 凰 皿 由低通滤波器的移相特性 知 输出乩必然产生相移 从而造成转子位置检测不准确 为此 必须进行相位补偿 设 移相角为o 当o d 3 0 0 时 换相点依然滞后反电动势过零点 相位延时角y 3 0 0 a 所以只需延迟y 角再换相即可 程序实现较为方便 反之 若3 0 0 n 6 0 0 由于检 测到的反电动势过零点已滞后换相点 导致上述换相方法无法适用 所以 采用该方法的 重点为设计在保证滤波性能情况下相移尽可能小的低通滤波器 并确保电机工作在额定转 西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体方案分析与设计 速下的反电动势频率通过该低通滤波器的移相角 小于3 0 0 用该方法得到的a 6 c 三相 绕组的反电动势过零检测信号波形如图2 3 所示 如上图所示 在一个周期 3 6 0 0 电角度 内h a h b h c 共有六次跳变 上跳沿 下跳沿 分别对应着功率驱动桥臂的六种导通状态 程序在检测到任何一个跳变后再延时3 0 0 d 电角度 即可从当前导通状态切换到下一导通状态 从而控制无位置传感器无刷直流电动 机正确的换相 西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体方案分析与设计 2 4 系统控制核心的确定 系统的控制核心为微控制器 其所要完成的主要功能如下 l 转子位置检测与换相控制 通过对反电动势过零比较信号只 忍只进行检测可判断 出电机当前的转子位置 而要控制定子绕组可靠的换相 除了要精确地捕获巴尼只的边 沿时刻 上升沿 下降沿 还须对该时刻进行一定的相位补偿才能得到转子位置准确的换 相时刻 而且 电机转速越高 对捕获精度和指令运算速度的要求也越高 2 p 嘲脉宽控制与输出 在桥式驱动电路直流母线电压一定的情况下 无刷直流电动 机定子绕组平均电压只能通过改变p w m 脉宽来调节 所以 本系统所使用的微控制芯片必 须包含p 咖输出控制单元 由于系统所采用的驱动电路为三相全桥式结构 所以要求该p 州 控制单元应能输出六路相互独立的p w m 信号来控制六个开关管的导通 3 转速闭环控制 系统的闭环控制要实时计算转速 转速的计算则通过检测过相邻的 过零比较信号厶几只之间的时间间隔来完成 由于电机高速运转时该时间间隔很短 微秒 级 这就要求该芯片具有高速外部事件的捕获能力 而且 为了快速地完成闭环速度调节 要求该芯片还应具有进行快速数学运算的能力 4 故障检测于处理 为了及时地发现系统在运行过程中发生的故障 避免损坏控制器 或驱动电路 要求该微控制器在故障发生时能快速响应并进行保护 系统采用以微处理器为控制核心的控制方案 目前微处理器的选择有三种 m c s 5 l 系 列 m c s 9 6 系列以及d s p 系列 比较三者d s p 不仅具有可编程性 而且其实时运行速度 远远高于通用微处理器 其抗干扰能力也比5 l 和9 6 系列的微处理器强 而且1 m s 3 2 0 f 2 8 x 型d s p 芯片能直接输出p w m 控制信号 属于电机控制用的专用芯片 t m s 3 2 0 系列d s p 主要采取了哈佛结构 流水线技术 硬件乘法器和特殊d s p 指令等 1 哈佛结构 哈佛结构是一种并行体系结构 主要特点是将程序和数据存储在不同的存储器空间 对程序和数据独立编址 独立访问 而且在d s p 中设置了数据和程序两套总线 使得取指 西北工业大学硬士学位论文第二章系统总体方案分析与设计 令和执行指令能完全重叠运行 提高数据吞吐量 在哈佛结构上 t m s 3 2 0 系列d s p 做了改 进 一是允许程序存储在高速缓存 c a c h e 中 提高指令读取速度 二是允许数据存放在 程序存储器中 并被算术运算指令直接使用 增强芯片的灵活性 另外 d s p 中的双口r a i d a r a m 及独立读写总线使数据存取速度提高 2 流水线技术 d s p 芯片广泛采用流水线技术 增强了处理器的处理能力 1 粥3 2 0 系列流水线深度为2 6 级不等 也就是说 处理器在一个时钟周期内可并行处理2 6 条指令 每条指令处于流 水线的不同阶段 如图2 4 为三级流水线操作的例子 在三级流水线操作中 取指令 指 令译码和执行可以独立地处理 这样d s p 可以同时处理多条指令 只是每条指令处于不同 的处理阶段 例如 在取第n 条指令时 前一条指令 即第n 1 条 处于译码阶段 而第 n 一2 条指令则在执行阶段 c p u c l k j一 一 j n 一 n i 一 n 2 一 一1 一 n 1nn i 一 一 1 一 n 一2n ln 图2 4 三级流水线 3 硬件乘法器 在数字信号处理的许多算法中 如f f r 和f i r 等 需要做大量的乘法和加法 显然 乘法速度越快 数据处理能力就越强 在通用的微处理器中 有些根本没有乘法指令 有 乘法指令的处理器 其乘法指令的执行时间也较长 相比而言 d s p 芯片一般都有一个硬件 乘法器 在t m s 3 2 0 系列中 一次乘累加最少可在一个时钟周期完成 4 特殊d s p 指令 西北工业大学硕士学位论文第 章系统总体方案分析与设计 d s p 芯片的另外一个特点就是采用了特殊的寻址方式和指令 比如 t m s 3 2 0 系列的位 反转寻址方式 l t d 押y r p t k 等特殊指令 采用这些适合于数字信号处理的寻址方式和 指令 进一步减小了数字信号处理的时间 另外 由于d s p 的时钟频率提高 执行周期的 缩短 加上以上一些d s p 结构特征使得i s p 实现实时数字信号处理成为可能 本课题选择 高速定点t m s3 2 0 f 2 8 1 2 型d s p 芯片作为主控芯片 其具有以下特点 1 用高性能静态c o m s 技术 使得供电电压降为3 3 v 减少了控制器的功耗 1 5 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到6 6 7 n s 1 5 0 姗z 从而提高了控制器的实时控制能力 2 t m s3 2 0 f 2 8 1 2 芯片代码和t m s3 2 0 系列d s p 代码兼容 3 内高达1 2 8 k 1 6 位的f l a s h 程序存储器 高达4 m b 的数据 程序r a m 最多达1 2 8 k 1 6 位的r o m 4 两个与f 2 4 0 x a 兼容的事件管理器模块e v a 和e v b 每个包括 两个1 6 位通用定时 器 8 个1 6 位脉宽调制 p 州 通道 它们能够实现 p w m 的对称和非对称波形 当外部引 脚p d p i n x 出现低电平时快速关闭p w m 通道 可编程的p 1 m 死区控制以防止上下桥臂同时输 出触发脉冲 3 个捕获单元 片内光电编码器接口电路 1 6 通道a d 转换器 事件管理器 模块适用于控制交流感应电机 无刷直流电机 开关磁阻电机 步进电机 逆变器和开关 电源 5 1 2 位a d 转换器最小转换时间为6 0 n s 可选择有两事件管理器顺序触发8 对模数转 换 6 扩展的外部存储器总共1 m b 的寻址空间 7 有看门狗定时器模块 w d t 控制器局域网 c a n 2 0 b 模块 串行通信接口 s c i 1 6 位的串行外设接口模块 s p i 基于锁相环的时钟发生器 5 个外部中断 电机或开关 电源驱动保护 复位和两个可屏蔽中断 电源管理包括3 种低功耗模式 并且能独立将外 设器件转入低功耗模式 这些功能使得运用d s p 设计硬件电路时 控制电路能够大大简化 可靠性提高 调试 方便 在集成度上远高于m c s 9 6 和m c s 5 1 系列单片机 便于控制电路设计与提高系统可 西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体方案分析与设计 靠性 随着控制的精度要求和稳定性要求等越来越高 各种复杂控制理论逐步应用于电机控 制 而传统的微处理器如m c s 一5 1 9 6 系列在实现控制时 由于本身指令功能不强 处理速 度慢 ns 级 乘除法所用周期过多 外围电路数据转换速度慢等缺点 使永磁电动机的 性能得不到充分的发挥 本系统以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 器件为控制核心 充分利用f 2 8 1 2 的 高速信号处理能力和电机控制优化的外围电路 具有控制精度高 抗干扰能力强且成本较 低等优点 可以为高性能传动控制提供可靠高效的信号处理与硬件控制 西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体方案分析与设计 2 5系统控制方案确定 本系统以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心的无位置传感器b l d c m 数字式速度闭环调速系统总体框图 设计如图2 5 所示 d c 2 5 0 v 图2 5 b l d c m 数字式速度闭环调速系统总体框图 系统采用p w m 调速方式 p w i v i 信号由d s p 的六路p w m 输出口输出 调制频率选 择2 0 k p w m 控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制 使输出端得到一系列 幅值相等而宽度不等的脉冲 按一定的规则对这些脉冲的宽度进行调制 既可改变逆变电 路的输出电压大小 也可改变频率 在本系统中 只涉及到改变脉冲的宽度而改变逆变电 路的输出电压大小 不涉及改变频率 这就是p w m 的基本原理 直流无刷电机的调速 就是调节输出脉冲的宽度 得到不同的逆变电路的输出电压 从而使电机可以得到不同的 转速 为了发挥d s p 的作用 减少硬件电路的复杂性 在本系统中 采用软件起动的方式来 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统总体方案分折与设计 起动电机 在反电动势检测法中 传统的软件起动方式为预定位起动 即预先对a 相 c 相绕组通电 b 相绕组断电 延时使电机转于定位于磁极中心线a 相绕组轴线重合的位置 并停止摆动后 再使b 相 c 相绕组通电 a 相绕组断电 转于磁极中心线在磁场力的作用 下 从a 相绕组轴线向b 相绕组轴线位置转动 这样 使三相绕组依次导通截止 当转子 达到一定速度后 就能够在定于绕组中感应出足够大的电动势 这时就可以选择合适的时 机将电路转换至反电动势换向工作状态 这就完成了电机的起动 在这种起动方式下 切换时间需要进行离线计算 计算的参数需要知道电机起动的时 候的制动和持续的转矩 在电机的系统中有 式中j 雾 军霉 c z