无位置传感器无刷直流电机控制系统软件设计

1、课件之家精心整理资料-欢迎你的欣赏目 录第一章 绪论11.1无刷直流电机课题的研究和背景意义11.2无刷直流电机的控制方法21.2.1有位置传感器控制方式31.2.2无位置传感器控制方式41.2.3有位置传感器控制和无位置传感器控制的对比81.3课题的研究背景以及内容8第二章 BLDCM的基本工作原理和数学模型112.1引言112.2BLDCM的组成112.2.1BLDCM本体112.2.2电子换相电路122.3BLDCM的工作原理132.4BLDCM的数学模型152.4.1电压方程162.4.2电势方程172.4.3转矩方程182.4.4机械运动方程192.5本章小结19第三章 直接反电势检

2、测方法与仿真203.1引言203.2传统“反电势法”与“直接电势法”分析与比较203.2.1传统“反电势法”213.2.2直接反电势法223.3直接反电势过零检测电路设计与仿真243.4本章小结27第四章 无刷直流电机控制硬件电路设计284.1无位置传感器BLDCM控制器的技术要求284.2核心控制器件MCU的选择284.3驱动及逆变电路设计294.3.1功率驱动芯片的选取294.3.2功率管的选择314.3.3驱动逆变电路设计324.4转子位置检测电路设计334.5控制器保护电路设计344.6系统调速电路设计35第五章 无位置传感器无刷直流电机控制系统软件设计365.1控制软件整体设计思路3

3、65.2软件编写语言375.3主程序的设计385.4PWM信号软件实现的要点405.4.1数字控制实现生成PWM信号的原理405.4.2与T/C1相关的几个重要寄存器405.4.3PWM方式选择与对应寄存器的设置415.5无传感器开环起动的软件实现425.5.1采用模块化程序设计方法435.5.2程序“跑飞”与“死锁”的解435.5.3合理安排中断43第六章 实验总结446.1引言446.2实验结果及分析446.2.1转子零初始位置检测446.2.2起动过程中的转子位置闭环运行476.2.3“反电势法”无位置传感器运行496.2.4速度PI控制536.3本章小节54结论55致谢57参考文献58

4、课件之家精心整理资料-欢迎你的欣赏课件之家精心整理资料-欢迎你的欣赏无位置传感器无刷直流电动机反电势检测法研究 专业班级：自动化0601 学生姓名：张一鸣 指导老师：刘国海 职称：教授摘要 随着无刷直流电机在工业控制和家用电器等领域中的应用越来越广泛，其传统的带位置传感器无刷直流电机控制呈现出越来越多的局限性，由此，无位置传感器控制便应运而生，特别是“反电势”法无位置传感器控制逐渐受到了人们的青睐，并成为无刷直流电机控制系统的研究热点及发展主流。 论文在详细介绍了无刷直流电机的运行原理及数学模型的基础上，对反电势过零检测法无位置传感器控制的原理以及过零检测电路的设计进行了详细的分析和研究。由于

5、在零速或低速时电机反电势为零或很小，基于反电势的控制方法都需要特殊的起动技术，本文在分析常有起动方法的优缺点的基础上，提出了一种新的起动方法一转子位置闭环起动法，该起动方法包括转子零初始位置检测、转子位置闭环加速以及切换至反电势法运行三个步骤，并通过仿真和实验证明，与传统的三段式起动方法相比，该起动方法具有更优良的起动性能。同时，本文还对反电势法无位置传感器控制的检测误差及干扰影响进行了系统的理论分析，并提出了相应的误差补偿及干扰抑制措施。 最后，确立了以MC56F805为核心的无刷直流电机无位置传感器控制系统的硬件系统，搭建了相应的硬件实验平台。在Codewarrior集成开发环境下完成了整

6、个无刷直流电机无位置传感器控制系统的软件设计。实验证明，所研制的试验软硬件平台能很好地完成无刷直流电机无位置传感器控制功能，控制系统结构简单、响应快速、可靠性高。关键词: 无刷直流电机 无位置传感器控制 反电势法 MC56F805Brushless DC Motor EMF detection methodAbstract Brushless DC motors(BLDC) are ever-increasingly utilized in many fields,including industrial controllers and household appliances.With it

7、s wide application in many fields,the traditional sensor control method is not applied in some application. so,sensorless control method emerges as the times require,especially Back-EMF method is more and more useful than the traditional sensor control method. Now, its becoming one of the most popul

8、ar trend in BLDC control system. Based on the principle and the mathematical model of the BLDG motor drives, the theory of Back-EMF method and the zero-crossing detecting circuit are introduced and analyzed in detail. But when the motor is at standstill or at a low speed, it is impossible or very di

9、fficult to get the position information from back-EMF. Therefore a particular method to start up the motor from standstill is needed in sensorless control method system based on Back-EMF detection. In this paper, the advantage and disadvantage of the common start-up method are analyzed, and a novel

10、start-up method is proposed which called position closed-loop starting, it consists of three-step一initial rotor position estimation, position closed-loop starting, turning to back-EMF driving. The simulation and experimental results have demonstrated its well starting performance. Rotor position det

11、ection error and interruption is also investigated in this paper, then compensation and restraination method are proposed. In the end, with software design accomplished in Codewarrior, the hardware system of Brushless DC motors sensorless control based on MC56F805 is built as an experimental platfor

12、m. Experimental results and practical utilizations substantiate that the hardware platform and the associated software design can supply good sensorless control capability; indicating the sensorless control system can greatly meet the required performance, and the experimental results have shown the

13、 accuracy、rapid response andhigh reliability of the proposed method.Keywords BLDC sensorless EMF MC56F805课件之家精心整理资料-欢迎你的欣赏课件之家精心整理资料-欢迎你的欣赏第一章 绪论1.1无刷直流电机课题的研究和背景意义 传统直流电动机具有效率高、调速性能好等优点，在电气传动领域曾获得广泛应用。但由于传统直流电动机采用电刷和换相器换相，存在机械摩擦，从而产生电火花、噪音、电磁干扰等问题;另外，由于机械换相器的存在，使传统直流电动机的制造相对复杂，成本较高，维护困难。这些问题的存在，限制了

14、传统直流电动机的进一步应用。长期以来，人们一直在寻找既具有传统直流电动机的优点，又具有结构简单、维护方便等特点的非机械换相的直流电动机结构。 20世纪30年代，已经有学者开始研究以电子换相取代机械换相的无刷直流电动机，但由十当时大功率电子器件处于初级发展阶段，使这种电动机只能停留在实验室研究阶段，无法推广应用。1955年美国D.Harrison等人首次中请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，宣告现代无刷直流电动机的诞生1978年，原西德MANNESMANN公司在汉诺威贸易博览会上推出了MA C方波无刷直流电动机C Brushless DC Motor，简称BLDCM)及其驱动器，标志着利用电

15、子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段【1】。1986年H.R.Bolton对方波无刷直流电动机进行了全面系统的总结，成为方波无刷直流电动机研究的经典文献，它标志着方波无刷直流电动机在理论上达到了成熟【2】。 此后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成功方波无刷电动机和正弦波直流无刷电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM。正弦波型永磁无刷直流电动机的反电势波形和供电电流波形均为正弦波，其控制需要较为精密的转子位置信号。位置传感器结构较为复杂，成本较高，但其控制方法灵活，转矩波动较小，一般用于伺服控制系统。 方波型永磁无刷直流电动

16、机，或者称为方波电动机，其反电势为梯形波，供电电流为方波，控制系统对转子位置信号的要求不高，只需获得若干个离散的转子关键位置信号。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。无刷直流电动机既具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电动机运行效率高、调速性能好的特点，加上成本较低，应用越来越广泛。 从机械特性、过载能力、可控性、效率、成本、维护等方面对交流异步电动机、有刷直流电动机和无刷直流电动机作了定性比较。结果表明，无刷直流电动机和其它电动机相比具有高可靠性、高效率和优良的调速性能等诸多优越性，并目随着新型稀土永磁材料性能

17、的提高和价格的下降，带来永磁无刷直流电动机成本的降低，这种优越性将更加明显【3】。 目前，在先进工业国家里，工业自动化领域中的有刷直流电动机大部分已经逐步被淘汰。现在从国外进口的设备中，已经很少看到以有刷直流电动机作为执行电动机的系统，一些国家(如美国、英国、口本、德国等)的相关公司已经不再大量生产驱动用的有刷直流电动机【4】。无刷直流电动机已在航空航天、工业自动化设备、办公自动化设备、电动车、医疗器械和计算机外围设备等方面获得了广泛应用。与此同时，无刷直流电动机的应用也深入到了民用领域，其数量和品种都以相当快的速度发展。目前，国外在高档的风扇中采用了无刷直流电动机，在新一代的空调、洗衣机、电

18、冰箱、吸尘器等家用电器中，也大量采用无刷直流电动机来驱动。近年来国内空调厂商不断推出的“直流变频”空调，就是采用无刷直流电动机来驱动，相比普通空调综合节电效果可达30%40%。 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，相对十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十不断的探索之中。因此，对无刷直流电动机本体及其控制方法进行系统

19、、深入的研究有着十分重要的理论和现实意义。1.2无刷直流电机的控制方法 按照有无转了位置传感器，无刷直流电机的控制方式可以分为:有位置传感器控制方式和无位置传感器控制方式。 有位置传感器控制是在无刷直流电动机定了上安装位置传感器来检测转子位置而控制定了绕组换相，所用的位置传感器有电磁式位置传感器(如磁阻式旋转变压器)、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，其中霍尔传感器的使用最为广泛。无位置传感器的无刷直流电动机控制法，不直接在无刷直流电动机的定了上安装位置传感器来检测转了位置，它一般采用反电势法、电感法、状态观测器法、磁链计算法和人工神经网络法等几大类方法来间

20、接检测转子的位置。1.2.1有位置传感器控制方式有位置传感器的无刷直流电机控制，通过位置传感器捕捉转子的位置及其变化，改变三相绕组的通电方式，对定子绕组进行换相，整个控制过程与以下几个因素有关。1.位置传感器位置传感器是组成无刷直流电动机系统的三大部分之一，也是区别于有刷直流电动机的主要标志，其作用是检测主转子在运转过程中的位置，将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，以控制它们的导通与截止，使电动机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换向，形成气隙中步进式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转。位置传感器的种类很多，有电磁式、光电式、磁敏式等，它们各具特点

21、，而磁敏式霍尔位置传感器具有结构简单、体积小、安装灵活方便、易于机电一体化等优点，是日前应用最广泛的传感器。2.换相的实现根据电动机的旋转情况，得出霍尔位置信号和绕组电流换向的对应表。电动机旋转时，根据霍尔信号和换相顺序对应表实现换相。3.速度闭环采用PID控制算法，使电机在负载运行时保持期望的转速。4.起动过程及初始方向有位置传感器的无刷直流电机起动过程控制比较容易实现，只需增大电机起动时的电压或电流，直到电机旋转。 根据电机静止时的位置信号，按照正向(或反向)换相顺序进行通电，即可确保电机的初始旋转方向。1.2.2无位置传感器控制方式无位置传感器控制方式是指BLDCM不安装转子位置传感器，

22、但在电机运转过程中，控制电机换相的转子位置信号是必不可少的。因此，BLDCM无位置传感器控制研究的关键是设计转子位置信号检测电路，通过软硬件间接获得可靠的转子位置信号。为此，国内外学者进行了大量的研究工作，提出了很多种位置信号检测方法，大多是利用检测定子电压、电流等容易获取的物理量进行转子位置的估算，其中较为成熟的有以下几类 1.磁链计算法电机磁链信号和转子位置直接相关，因此，可以由转子磁链来确定转子位置信号。但电机转子磁链不能直接检测得到。为了获得磁链值，必须先测量电机的相电压和电流，建立不依赖于转子速度而直接与转子磁链相关的函数方程，获得磁链值。这种方法计算量大，而相电压和电流中含有大量的

23、干扰信号，准确测量又需要很高的软硬件成本，因此很少采用。2.反电势法通过检测电机反电势(Back-Electromotive Force，以下简称Back-EMF)来获得转子位置信号的方法，一般统称为“反电势法”。由于成本或工艺的原因，大多数无刷直流电动机不引出绕组中点，反电势过零检测法卞要通过检测电动机端电压获取反电势过零点。其方法有:（1）传统反电势法(也称为低通滤波法)文献【5、6、7】介绍了采用低通滤波器对无刷直流电动机端电压进行滤波来获得反电势过零信号。其中，对端电压进行低通滤波后，通过与直流电源的中点电压相比较，获得反电势过零信号。文献【8】先将三相绕组的端电压进行低通滤波，通过构

24、建三相对称星形电阻网络模拟电动机中性点获取参考电平，再将滤波后的各相端电压与参考电平相比较，获取反电势过零信号。在文源低通滤波器对端电压进行滤波。文献【9、10】中，分别使用了一阶无源低通滤波器和一阶有（2)直接反电势法(也称为PWM关断检测法)Shao Jianen在文献【11、12、13】中提出了在PWM斩波脉冲信号关断阶段检测反电势过零点的方法。这种方法要求逆变器以上桥臂PWM调制、下桥臂恒通的调制方式工作，在PWM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比较即可得到反电势过零信号。这种

25、方法不需要对端电压分压，只需利用稳压一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30电角度时间电动机即可换相。文献14对前述该方法在PWM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下，提出了补偿方法。文献13提出在PWM斩波脉冲信号占空比接近100%时，改为在PWM斩波脉冲信号开通阶段检测反电势过零点，以弥补该方法的不足。但在PWM斩波脉冲信号开通阶段，不使用滤波器而直接检测反电势过零点，由于功率管开关或电动机电感等原因引起的噪音可能会影响检测效果。(3)数字计算法根据无刷直流电动机的电压方程，可以通过对三相端电压的数学运

26、算得到悬空相反电势过零点。文献15、16、17提出了对三相端电压经过低通滤波后，进行模数转换，由控制器对获取的数据进行计算，得到过零时刻。这种方法若不使用低通滤波器，则因为PWM斩波脉冲信号的干扰，可靠性难以保证，对AlD转换器件要求较高;若采用低通滤波器，会产生与电动机转速有关的滞后相移。Kuaug - Yao Cheug在文献18中所设计的数模混合专用IC采用了这种方法，为了解决上述干扰问题，专用IC采用低通滤波器对电动机端电压进行滤波，并补偿低通滤波器带来的相位延迟。反电势过零检测法是日前应用最广泛的无位置传感器无刷直流电动机控制方法。3.反电势3次谐波积分法由于BLDCM的反电动势为典

27、型的梯形波，它包含了基波及其高次谐波分量。通过对电枢三相相电压的叠加，就可以获得反电动势的3次谐波及3的奇数倍次谐波，从中提取反电动势的3次谐波分量，并进行积分，积分值为零时即得功率器件的换相时刻。反电动势3次谐波信号的获取有两种方式:一种利用电机中性点来得到反电动势的3次谐波分量;当电机的中性点没有引出时，可以利用直流侧中点电压和星形电阻网络的中性点来获得反电动势的3次谐波分量;然后对获得的信号进行滤波，滤掉谐波的高次分量，由于高次分量的最低频率为9倍基波频率，对滤波器要求低。因而它比反电动势直接过零比较法有更宽的速度运行范围。这种方法避免了逆变器开关造成的干扰。但是3次谐波的幅值小于反电势

28、的隔值，不易检测，特别是低速情况下，3次谐波信号更弱，难以获得转子位置信号。4.续流二极管法这种方法是通过监视并联在逆变器功率管两端的自由换向一极管的导通情况来确定电机功率管的换向时刻。BLDCM二相绕组中总有一相处于断开状态，于是通过监视6个续流一极管的导通、关断情况就可以获得6个功率管的开关顺序。该方法可以提高电机的调速范围，特别是可以拓宽电机的速度下限。但是这种方法要求逆变器必须工作在上下功率管轮流处于PWM斩波方式，增大了控制难度;另外，对于续流一极管导通的无效信号和毛刺干扰造成的误导通信号的去除也不易实现。这种方法也存在着较大的检测误差，反电势系数、绕组电感量不是常数、反电势波形不是

29、标准的梯形波等都会造成转子位置误差。由于这种方法需要在一极竹上并联检测电路，这对于集成的功率器件(如IPM)很难实现。正因为以上种种缺点，所以这种方法在国内应用并不是很广泛，相对来说技术也不是很成熟。5.电感法电感法有两种形式:一种是用于凸极式永磁无刷直流电机，另一种是用于内嵌式磁钢结构的永磁无刷直流电机。第一种方法主要是通过在起动过程中对电机绕组施加探测电压来判断其电感的变化。在凸极电机中，绕组自感可表示成绕组轴线与转了直轴间夹角的偶次余弦函数，通过检测绕组自感的变化，就可判断出转了轴线的大致位置，再根据铁心饱和程度的变化趋势确定其极性，从而最终得到正确位置信号。这种方法难度较大，目只能应用

30、于凸极电机，所以现在较少应用。与第一种方法相比，第一种方法才是真正意义上的电感法。在内嵌式永磁无刷直流电机中，绕组电感会因为转了位置的改变而发生相应变化，通过检测这些变化，再经过一定计算，即可得到转了位置信号。该方法中，需要对绕组电感进行不间断的实时检测，增加了实现的难度，应用不是很广泛。6.状态观测器法“状态观测器法”的基本思想就是以电机的转速、转子位置角、电流等参数为状态变量，在定义状态变量的基础上建立电机的数学模型，通过数字滤波得出状态变量的离散值，从而实现对电机。“状态观测器法”比较好的解决了电机在高速、重载情况下难于控制的问题，其良好的抗干扰能力使其更适用于恶劣的工作环境。“状态观测

31、器法，庞大的运算量在一定程度上限制了它的应用。这种方法一般采用数字信号处理器(DSP)来承担庞大的运算量，因而增加了系统成本，在实际应用中并不多见。从使用的观测器种类来划分，可分为扩展卡尔曼滤波法(Extended Kalman Filter,这些简称EKF)和维纳滤波法。7.人工神经网络(ANN)控制法“人工神经网络法”是在观测器法的基础上，使用人工神经网络技术而诞生的一种控制方法。它通过自适应技术，模糊控制策略或神经网络控制策略来建立被测相的电压、电流和转子位置的相互关系，基于被测相电压和电流来独立地获得转子位置信号，借以提高转子位置检测精度的方法。其优点在于具有自适应、自学习等特性，可在

32、线设计神经网络自适应学习规则，因此在解决速度和位置推算、对电动机参数和负载扰动的自适应问题以及对测量噪声敏感等问题上有其独特的优点。此外，国内外许多学者还提出了其他一些无位置传感器BLDCM控制理论和方法。如涡流法即在转子表面安装非磁性材料，通过检测因该材料中涡流而造成的断开相电压改变来获得转子位置信号的方法;还有电流法，即根据电流波形向时序的方法;以及矢量表法等控制方法。这些方法实现难度较大，对控制要求的条件比较苛刻，只在一些特殊场合应用。 随着控制理论的不断发展，智能控制在无位置传感器控制中的应用己经成为一种新趋势。许多现代控制理论如PID控制、模糊算法、神经元网络和专家系统等，均被用于无

33、刷直流电动机的控制中。其中，经典PID控制与模糊控制相结合的Fuzzy-PID控制，人工神经网络和模糊控制相结合的复合控制，以及遗传算法和模糊控制相结合的控制方法代表当前智能控制的研究方向。智能控制法是控制理论发展的高级阶段，其最大特点是具有自学习、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，BLDCM是一个多变量、非线性、强祸合的控制对象，利用智能控制方法可以建立被测相电压、电流和转了位置的相匀_关系，获取转了位置信号。但是这些方法在理论上还需要进一步研究，技术上实现还有一定困难。然而，随着微处理器和数字信号处理器技术的发展和控制理论的不断成

34、熟，智能控制方法必将会进一步推动无刷直流电动控制技术的发展。1.2.3有位置传感器控制和无位置传感器控制的对比无刷直流电机运行时需要检测转了磁场位置信号，以控制逆变器功率管的换流，从而实现电机的同步运行。有位置传感器的无刷直流电动机控制是通过位置传感器检测转了位置，以保证各相绕组的正确换流，因此电机内部必须安装位置传感器，而位置传感器的存在带来许多缺点:1.电机和控制线路间联接元件增多，抗扰性变差。2.一些环境因素(如温度、湿度、振动)影响传感器的精度;3.相对于无位置传感器系统，系统的成本增加(包括传感器和电了线路)。4.传感器的安装精度对电机的运行性能影响很大，相对增加了生产工艺的难度。5

35、.不能适应特殊应用场合的要求，因此它们多用于常用电器的驱动场合，如洗衣机电机控制，电动自行车电机控制等。由此可见，虽然有位置传感器的驱动方式简单、方便，相对于无位置传感器方式在控制上有比较大的优势，但在一定程度上限制了BLDCM的推广和应用。在很多特殊场合，比如高温、高压等环境下，必须采用无位置传感器控制方式。因此，无刷直流电机的无位置传感器控制近些年来己成为研究的热点;另一方面，随着无位置传感器控制方式一些问题的解决和性能的提高，其应用范围也越来越广。1.3课题的研究背景以及内容随着世界范围内能源危机的到来，人类更加关注保护环境、节约能源以及国民经济的可持续发展。随着现代微电了技术、电力电了

36、技术、传感器技术、精密机械技术、自动控制技术、微型计算机技术及人工智能技术等高新技术的发展，以机械为主体的工业、民用产品不断采用高新技术，并向自动化和智能化方向发展。相应对电动机的要求从过去简单的起动控制、提供动力，发展到要求对转速、位置、转矩等的精确控制，以使驱动机械运动达到预定的技术性能，从而促进了电动机与电了产品紧密结合的机电一体化产品的发展，而永磁直流无刷电动机就是这类典型的产品之一。同时，无刷直流电机是近几年小电机行业发展最快的品种，随着视听产品“小、轻、薄”化和家电产品的静音化以及豪华轿车需求量增多，对无刷直流电动机的需要量迅速增加。无刷直流电机用电了换向替代了电刷和机械换向器，具

37、有高可靠、高效率、寿命长、调速方便的优点。各国都加快了开发新产品的速度和占领市场的力度。日本不少公司己将无刷直流电机应用到数码照相机、微型收录机、摄影机、打印机、存储驱动器、乎机以及汽车空调、洗衣机、吸尘器、电动车和心脏泵等设备。在无位置传感器控制方式中，比较成熟和应用比较广泛的是“反电势法”。但是，传统的“反电势法”由于是通过滤波电路间接获得反电势过零点，目使用滤波电路得到的转了位置信号在不同转速下补偿角度不一样。虽然该方法应用比较广泛，但仍存在很多问题，这些问题的解决将有助无位置传感器无刷直流电机更广泛的应用。因此，在这方面做进一步的研究具有十分重要的理论意义和实用价值。本课题的主要研究内

38、容以设计研制一套新型的“直接反电势法”采样处理位置信号的BLDCM控制系统硬件电路，并用汇编语言编写并调试该控制系统的软件。论文的具体工作如下:1.详细介绍“直接反电势法”无位置传感器无刷直流电机控制的原理，并对常用的反电势过零检测方法进行理论分析。2.研究与设计直接反电势过零点检测电路，不用对端电压进行低通滤波，解决一般反电势法滤波电路引起的移相补偿随转速变化的问题，并用PSPICE对直接反电势过零点检测电路进行建模与仿真验证。3.研究与设计“直接反电势法”无位置传感器无刷直流电机控制系统的硬件电路，包括控制电源的设计、微处理器的选择、驱动逆变电路和保护电路的设计等，并在设计中考虑软硬件抗干

39、扰措施。4.先编制有位置传感器控制程序，用有位置传感器控制方式带动电机旋转，得到端电压波形，输入直接反电势检测电路，测试验证位置检测电路能正确检测到几个关键位置信号，即反电势过零点，并给出实验结果。5.研究常用的无位置传感器控制起动方法，并对BLDCM控制中常用的“三段式”起动技术进行了详细的分析。围绕“三段式”起动方法编写“直接反电势法”程序，并使电机顺利起动目能在较低速度切换。6.完成“直接反电势法”无位置传感器无刷直流电机控制系统的调试，包括硬件电路的调试，系统软硬件联调，并给出实验结果。7.分析所研制控制系统日前存在的一些问题和不足，提出解决方法。第二章 BLDCM的基本工作原理和数学

40、模型2.1引言无刷直流电动机采用电子换相代替普通直流电动机的机械换相，因此无刷直流电动机的工作方法不同于普通直流电动机，它需要检测转子的位置信息，电子换相电路根据转子位置信息来控制电动机的换相。本章主要介绍无刷直流电动机的工作原理，给出无刷直流电动机的基本方程和数学模型。2.2BLDCM的组成图2-1所示为无刷直流电动机的组成原理框图。由电动机本体、位置检测电路和电子换相电路(逆变器)三部分组成。图2-1无刷直流电机的组成框图2.2.1BLDCM本体结构上，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，定子绕组为多相对称绕组。按定转子相对位置的不同，无刷直流电动机可以分为内转子

41、型和外转子型，图2-2(a), (b)所示分别为两种类型无刷直流电动机的结构示意图。无刷直流电动机的定子结构和绕组形式与交流同步电动机或异步电动机相类似。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。 图2-2无刷直流电机结构示意图2.2.2电子换相电路无刷直流电动机电子换相线路用来控制电动机定子上各相绕组通断的顺序和时间。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。电子换相电路有桥式和非桥式两种。三相桥式换相电路中功率器件的使用

42、效率高，可以与各种绕组连接形式的电动机配合使用。本论文中采用三相桥式换相电路。如图2-3所示为三相桥式电路与星形绕组电动机连接的示意图。 图2-3三相桥式换相电路2.3BLDCM的工作原理 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2.2.2中介绍的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2-4所示为三相

43、全控运行电路接线原理图【19】。 图2-4无刷直流电机三相全控电路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(为120导通方式)和三三导通方式(也称为180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60电角度换相一次，每次一个功率管换相，每个功率管通电180电角度。在图2-9所示电路中，各功率管按V1V2V3、V2V3V4 ,V3V4V5,V4V5V6 ,V5V6V1 ,V6V1V2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60电角度换相一次，每次一个功率管换相，每相绕组导通120电角度。在图2-4所示的电路

44、中，各功率管按V1V2,V2V3,V3V4,V4V5,V5V6,V6V1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2-4所示。按照上述假定，该无刷直流电动机转子位置、功率管触发逻辑和定子绕组反电势波形关系如图2-5所示。图2-5转子位置、功率管触发逻辑和反电势波形关系 结合图2-4和图2-5，下面对无刷直流电动机的换相过程进行分析。 假设转子转到图2-5中P1所示的位置时，通过位置检测，控制器输出控制信号

45、使功率开关管V1、V2导通，即绕组A, C相通电，电流流通路径为:电源正极V1管A相绕组C相绕组V2管电源负极，电枢合成磁势为Fac。在合成磁势Fac的作用下，转子顺时针方向转动。当转子顺时针转过30电角度，到达图1-5所示TO位置时，转子磁势方向与B相负磁势-FB方向相同，此时B相中的反电势为零。转子继续顺时针转过30电角度，到达P2的位置，转子位置传感器输出变化，经控制器逻辑变换后使V1管关断，V3管导通，即绕组B,、C相通电，电流流通路径为:电源正极V3管B相绕组C相绕组V2管电源负极，电枢合成磁势为Fbc。在合成磁势Fbc的作用下，转子继续顺时针旋转，转过30电角度到达T1位置时，此时

46、的悬空相A相绕组的反电势为零。再经过30电角度，转子到达P3位置时，转子位置检测出现变化，控制器关断功率管V2，导通功率管V4。 依此类推，转子沿顺时针方向每转过60电角度，功率开关管切换一次，功率开关管导通逻辑为V1V2、V2V3,V3V4,V4V5,V5V6,V6V1 ，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60电角交。2.4BLDCM的数学模型 对于径向激磁结构，稀土永磁体直接面对均匀气隙，由于稀土永磁体的取向性好所以可以获得具有较好方波形状的气隙磁场，其理想

47、波形如图2-6所示。图2-6方波气隙磁场分布无刷直流电动机中，受定子绕组合成磁场的作用，转子沿着一定的方向连续转动。在转子旋转的同时，电动机定子上的电枢绕组在空间切割磁力线，产生感应电势。对于方波气隙磁场的电动机，当定子绕组采用集中整距绕组，方波磁场在定子绕组中感应梯形波电势，如图2-7所示。 图2-7梯形波反电势与方波电流对于星形连接、两两导通三相六状态控制的永磁无刷直流电动机，方波气隙磁密在空间的宽度大于120电角度，在定子绕组中感应的梯形波反电势的平顶宽应大于120电角度。方波无刷直流电动机一般采用方波电流驱动，即120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120

48、电角度的方波电流。方波电流应与反电势相位一致或位于梯形波反电势的平顶宽度范围内。 本文所研究的无刷直流电动机，均具有方波形状气隙磁场分布，其运行方式均为星形连接、两两导通三相六状态方式。2.4.1电压方程 由于无刷直流电动机的气隙磁场、反电势和电流波形均是非正弦的，因此不适宜采用dq轴坐标变换进行分析。这里直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型。假设三相绕组完全对称，磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗，忽略齿槽效应，则三相绕组的电压平衡方程可以表示为 （2-1）式中，ua,ub ,uc三相绕组的端电压(V) ia,ib,ic三相绕组的相电流(A ); ea,eb,ec三相绕组的反电势(V );

49、uN一一中性点电压(V); r一一相绕组电阻(); L一一相绕组自感(H); M一一每两相绕组间的互感（H ); P微分算子，p=d/dt 因为转子磁阻不随转子位置而变化，所以定子绕组的自感和互感为常数。由十二相绕组为星形连接，有 (2-2)并且 (2-3)将试（2-2），（2-3）代入式（2-1），得电压方程为 （2-4）令L-M=Ls，则得 （2-5）根据电压方程的电动机等效电路图，如图2-8所示图2-8无刷直流电机等效电路图2.4.2电势方程单根导体在气隙磁场中的感应电动势为 （v） （2-6）式中,BS气隙磁感应强度； l导体有效长度； v导体相对于磁场的线速度。 （m/s） （2-7

50、）式中，n电动机转速(rpm)；D电枢内径；极距； p极对数。设电枢绕组每相串联匝数为W，则每相绕组的感应电势为: （v） （2-8）将式（2-7）代入（2-6）得（v） (2-9)方波气隙磁感应强度对应的每极磁通为 （Wb） (2-10)式中i为计算极弧系数，则有 （v） (2-11)将式(2-11)代入式(2-8)得每相绕组感应电势 （v） (2-12)则线电势为 （v） （2-13）式中电势常数。2.4.3转矩方程电磁功率为 （2-14）电磁转矩为 （2-15）其中，为电角速度。 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，可得 （2-16）将式（2

51、-13）和代入式（2-16），得 （2-17）式中Ia电枢电流；为转矩常数。2.4.4机械运动方程无刷直流电机的电压平衡方程为 (2-20)将式(2-13)和式(2-17)代入式(2-20)，经过变换，得到无刷直流电动机的机械特性 (2-21)其中，U开关饱和压降。2.5本章小结本章在介绍无刷直流电动机的组成和定转子结构的基础上，分析了无刷直流电动机的工作原理，给出了无刷直流电动机的电压、电势、转矩和机械运动方程。 第三章 直接反电势检测方法与仿真 3.1引言“反电势法”是一种简单实用的BLDCM无位置传感器控制方法。反电势过零点检测的准确程度，直接影响到整个电机控制系统运行的平稳性和可靠性，

52、然而，绕组中的反电势无法直接得到，必须通过合适的检测方法才能准确的检测反电势的过零点信号。国内外文献中给出了多种反电势过零检测方法。最常用的传统“反电势法”是将端电压经过低通滤波，然后与由3个星形连接的对称电阻构成的虚拟中性点进行比较，得到具有移相90的过零点信号。这种方法由于在前端引入了低通滤波器，因而会对反电势信号产生移相，并目电机转速不同，低通滤波器对信号产生的移相不同。因此，检测到的过零点信号存在着因滤波电路移相而产生的误差，很难完全补偿。针对这种不足，本课题研究一种不在前段加低通滤波器，即不对端电压进行低通滤波，而在PWM关断时刻检测未导通相绕组反电势过零点的新策略，即“直接反电势法

53、”。【20】这种方法消除了因对端电压滤波而引起的随转速变化的移相误差，目使位置检测电路更加简单。本章将卞要对这两种反电势过零检测方法进行深入的分析和理论推导，同时，设计仿真模型，并给出仿真结果。3.2传统“反电势法”与“直接电势法”分析与比较电机运行中，任一时刻只有两相绕组导通，另外一相绕组悬空，悬空相绕组的电流为零。由式(2-5)可得 （3-1）式中x表示悬空相，即未导通相。可以看出，未导通相绕组端电压等于中性点电压的时刻，就是未导通相绕组反电势过零点的时刻。因此，可以将未导通相绕组端电压与中性点电压进行比较，来获得绕组的反电势的过零点。但BLDCM的中性点一般都没有引出，并目端电压信号中含

54、有PWM斩波和绕组电流变化而产生的电抗电势等干扰信号，因此，无法直接将绕组端电压和电机中性点电压进行比较。3.2.1传统“反电势法”传统“反电势法”是将端电压进行低通滤波，滤除PWM斩波、换相时由于绕组电流引起的电抗电势等干扰信号，然后与参考电平比较，获得绕组反电势的过零点。图3-1为传统“反电势法”常用的检测电路结构。认为中性点电压等于1/2的电源电压，将端电压滤波后，与1/2电源电压比较来获得反电势的过零点。但在常用的PWM调制方式中，即在导通区间上桥臂开关管进行PWM斩波，下桥臂开关管恒通，在PWM关断的时刻，中性点电压不等于1/2电源电压，在下面的“直接反电势法”中将给出PWM关断时刻中性点电压。为了使中性点电压在PWM关断时也等于1/2电源电压，必须上下桥臂开关管同时进行PWM斩波，但这样会给控制带来困难，因为上下桥臂开关竹的PWM驱动信号很难保持完全同步，尤其当PWM的载波频率比较高时，如果不能保证PWM信号同步，可能使电机无法运转。因此，实际控制中常用二个相同阻值、星形连接的电阻