（電力系統及其自動化專業(yè)論文）基于dsp的直流無刷電機控制系統研究.pdf

哈爾濱工程大學碩士學位論文 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 哈爾濱工程大學碩士學位論文 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 。 哈爾濱工程大學 學位論文原創(chuàng)性j 聲明 本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導師的指導 下，由作者本人獨立完成的。有關觀點、方法、數據和文 獻等的引用已在文中指出，并與參考文獻相對應。除文中 已經注明引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集 體已經公開發(fā)表的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻 的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意 識到本聲明的法律結果由本人承擔。 作者( 簽字) ：壘盔生 日期：糾d 占年刁月10 日 哈爾濱工程大學碩士學位論文 第1 章緒論 1 1 課題研究的背景及意義 1 1 1 課題研究的背景 電動機作為機電能量轉換裝置，已有一個多世紀的發(fā)展歷史，其應用范 圍已遍及國民經濟以及人們日常生活的各個領域。直流電動機具有運行效率 高和調速性能好等諸多優(yōu)點，在相當長一段時間內曾一直是調速系統的首選 電機。但傳統的直流電動機均采用電刷，以機械方法進行換向，因而存在機 械摩擦，由此帶來了噪聲、火花、無線電干擾以及壽命等致命弱點，換向器 和電刷限制了直流電機向高速大容量發(fā)展。再加上制造成本高以及維修困難 等缺點從而大大地限制了它的應用范圍。 早在2 0 世紀3 0 年代，就有人考慮用電力電子器件取代機械換向器，并 提出了“無刷電機的概念u 1 。1 9 5 5 年，美國的d h a r r i s o n 等人首次申請了 用晶體管換向線路代替有刷直流電動機機械換向器的專利，標志著現代無刷 直流電動機的誕生。1 9 7 8 年，原聯邦德國m a n n e s m 趟州公司的i n d r a m a t 分部在漢諾威貿易展覽會上正式推出其m a c 永磁無刷直流電機及其驅動系 統，標志著永磁無刷直流電機真正進入實用階段。 隨著永磁新材料、微電子技術、自動控制技術以及電力電子技術特別是 大功率開關器件的發(fā)展，無刷電動機得到了長足的發(fā)展，如今的永磁無刷直 流電機系統已經成為集特種電動機、功率驅動器、光或磁檢測元件、控制軟 件與硬件于一體的典型的機電一體化產品。稀土永磁無刷直流電機既具有直 流電機運行效率高，無勵磁損耗，調速性能好，重量輕，體積小，動態(tài)性能 好的優(yōu)點，又具有結構簡單，運行可靠，維護方便，散熱性能好，噪聲小等 優(yōu)點。 按照電動機工作方式的不同，永磁無刷直流電動機大致可以分為兩類， 即方波型永磁無刷直流電動機和正弦波型永磁無刷直流電動機。有文獻把這 兩類電機統稱為自控式永磁同步電動機口1 。 方波型永磁無刷直流電動機，習慣上稱為b r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) ， 哈爾濱t 程大學碩士學位論文 其電機本體的反電勢( 即激磁電勢或空載電勢) 設計成梯形波，而逆變器輸 出方波電壓或方波電流并且與電機反電勢保持適當的相位關系，從而產生有 效電磁轉矩，在這種情況下，轉子位置傳感器只需要提供轉子的若干個關鍵 位置的離散信號就可以了。方波電機結構簡單、控制方便、成本較低，一般 用于對轉矩波動要求不太高的調速傳動。一 正弦型永磁無刷直流電動機，由于源于同步電動機，國外許多文獻習慣 稱為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 ) ，其電機本體的反電勢設 計成正弦形，而逆變器采用s p w m 技術或滯環(huán)控制技術等調制出正弦電壓或 電流并與電機反電勢保持適當的相位關系，從而產生比較平滑的電磁轉矩； 在這種情況下，位置傳感器需要提供連續(xù)的轉子位置信號。正弦型永磁無刷 直流電機的結構比較復雜且成本較高( 尤其是位置傳感器) ，控制方法靈活， 一般轉矩波動較小，因此往往用于對轉矩脈動要求比較嚴格的驅動與控制系 統中。 通常，無刷直流電動機是指方波型永磁無刷直流電動機，在本論文中不 做特殊說明的地方均指這類電動機。 1 1 2 課題研究的意義 現代電機控制的發(fā)展，一方面要求提高性能，降低損耗，另一方面又不 斷地要求技術指標的提高。隨著微電子技術和計算機技術的飛速發(fā)展，以及 控制理論的完善，各種工具的日漸成熟，微處理器越來越多地用在控制系統 中，使許多復雜但有效的控制算法能迅速用于實際中。但是，通用單片機信 號處理速度慢，電機的性能不能得到充分發(fā)揮，單片機的性能制約著研究工 作深入，許多設計思想和控制算法不能付諸實施。2 0 世紀8 0 年代，d s p 芯 片的誕生后，其技術迅猛發(fā)展，基于d s p 控制系統的研究也進入了新的階段， 許多復雜而有效的控制策略和算法在各種電動機中得到實現，給直流電機控 制系統帶來了很多新的發(fā)展契機，使無刷直流電動機的控制策略和方法不斷 得到改進和完善。 目前，在許多要求高的電力驅動系統中永磁無刷直流電動機得到越來越 廣泛的應用，在艦艇高性能驅動方式電力推進系統中正逐步占據核心地位， 在船舶電力推進系統領域前景廣闊，已成為國內外船舶設計者和推進技術專 2 哈爾濱工程大學碩士學位論文 家的研究焦點。但是國內的研究和國外相比還有較大的差距，研究上作也主 要集中在一些科研院所和高等院校，相關理論和實踐相結合的程度還比較低。 因此結合目前國內外的最新研究成果，從工程實踐出發(fā)，研究設計實用的永 磁無刷直流電機控制系統，對國內的永磁無刷直流電機的研究能夠起到一定 的借鑒作用。 鑒于上述情況，本文選擇了基于d s p 技術的永磁無刷直流電動機控制系 統的作為研究方向。這些問題的深入研究，對促進大功率永磁同步電動機控 制理論的發(fā)展，對其推進系統的研究和工程開發(fā)將具有重要指導作用，對我 國造船事業(yè)、海洋開發(fā)和海軍的發(fā)展，縮小與世界先進水平的差距具有重要 意義。 1 2 直流無刷電機的研究與發(fā)展現狀 由于無刷直流電動機所具有的優(yōu)點和特點，從工業(yè)領域到家電、信息產 品等消費品領域，無刷直流電動機正得到越來越廣泛的應用，并具有十分巨 大的發(fā)展?jié)摿?。然而，由于無刷直流電動機是近年來隨著微處理器技術、新 型電力電子器件、新型控制理論的發(fā)展，以及低成本、高磁能積的永磁材料 的出現而發(fā)展起來的，相對于其它類型電動機來說還是一種新型電動機，對 其設計、控制方法等方面的研究仍處于不斷的探索之中。因此，對無刷直流 電動機本體及其控制方法進行系統、深入的研究有著十分重要的理論和現實 意義。 1 2 1 直流無刷電機本體結構的研究 我國的稀土資源豐富，稀土礦的儲藏量為世界其他各國總和的4 倍左右， 號稱“稀土王國 。稀土永磁材料和稀土永磁電機的科研水平都達到了世界先 進水平。因此，充分發(fā)揮我國稀土資源豐富的優(yōu)勢，大力研究和推廣應用以 稀土永磁電機為代表的各種永磁電機，對我國社會主義現代化具有重要的理 論意義和實用價值。 世界上第一臺永磁電機誕生于1 9 世紀2 0 年代，當時使用的是天然磁鐵 礦石，磁能密度低，電機體積龐大。由于電機發(fā)展的需要和電流充磁器的發(fā) 明，人們對永磁材料的機理和制各技術進行了深入研究。 哈爾濱丁程大學碩士學位論文 一方面，新型永磁材料不斷出現h 艫1 。1 9 6 7 年美國教授k j s t m a t 發(fā)現了 釤鈷永磁，被稱為第一代稀土永磁材料，最大磁能積超過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現，最大磁能積超過2 5 8 k j m 3 ；1 9 8 3 年日 本住友特殊金屬公司和美國通用汽車公司各自獨立研制成功釹鐵硼永磁材 料，現最大磁能積超過8 0 0 k j m 3 。釹鐵硼稀土永磁材料不僅性能好，而且便 宜，極大的推動了永磁電機制造業(yè)的發(fā)展。 另一方面，直流電機的設計工藝技術發(fā)展也極為迅速，主要表現為【7 】： ( 1 ) 設計手段不斷完善 隨著計算機技術的發(fā)展以及電磁場數值計算、優(yōu)化設計和仿真技術的不 斷完善，形成了以電磁場數值計算、等效磁路解析求解、場路結合求解等一 整套分析研究方法和計算機輔助分析的設計軟件。 ( 2 ) 分數槽技術應用日益增多 分數槽繞組技術在永磁無刷電動機中的應用已逐漸增多。如在電動自行 車電機中采用三相、4 0 極、3 6 槽； ( 3 ) 無槽、無鐵心結構電機 無鐵心無刷電動機的出現是采用新材料、新工藝的結果。電樞采用耐熱 性能優(yōu)越的材料制成剛性整體，可以在高溫及高速情況下長期穩(wěn)定運行；由 于電樞無鐵心，電感小，完全消除了鐵心中的磁滯損耗和渦流損耗，消除了 由齒槽效應帶來的轉矩波動，具有優(yōu)異的控制性能；運行效率高、溫升低、 轉速范圍廣；電機的電樞中無齒槽且采用全塑封結構，負載動行時，噪聲及 振動都很低。 ( 4 ) 工藝不斷革新 在電機制造方面，通過對傳統工藝的不斷革新，出現了分割型定子鐵心 結構和連續(xù)繞線工藝方法。采用多極集中繞組，減少繞組端部長度，以適應 生產自動化，使產品向低成本、低價格方向發(fā)展。同時出現了適應不同性能 參數永磁材料的瓦型、環(huán)型表面粘接結構和各種不同設計嵌入式磁體結構等 新的轉子磁路結構。 1 2 2 直流無刷電機控制方法研究現狀 無刷直流電動機的供電電流為方波，控制系統只需獲得離散的轉子關鍵 4 哈爾濱t 程大學碩士學位論文 位置信號，對定子各相繞組逐次通電，在氣隙中產生跳躍式的旋轉磁場，與 轉子磁極主磁場作用，產生電磁轉矩，使電動機轉子連續(xù)運轉。按照獲取轉 子位置信息的方法劃分，無刷直流電動機的控制方法可以分為有位置傳感器 控制和無位置傳感器控制兩種。 永磁直流無刷電動機控制系統的關鍵問題是對轉子位置或磁場的檢測和 初始定位。轉子當前位置直接決定著系統的控制模式、變頻器的開關方式及 輸出頻率，是電動機正常工作的保證。轉子位置的檢測方法通常有兩種：具 有位置傳感器的位置檢測和無位置傳感器的位置檢測。 有位置傳感器的位置檢測是通過將轉子位置檢測器安裝在永磁直流無刷 電動機的轉軸上。方波直流無刷電動機的方波電流輸入與轉子位置有嚴格的 對應關系，實現比較簡單，只要在轉子上安裝三個采用接近開關或霍爾元件 的磁極位置檢測器即可。對于高性能的正弦波永磁同步電動機矢量控制系統， 坐標變換中的轉子位置角是否能準確、實時地檢測直接影響到整個系統的性 能，一般采用檢測分辨率高的光電式轉子位置檢測方法，如增量式光電碼盤 檢測方法。 無位置傳感器的位置檢測是通過檢測電樞繞組的感應電動勢( 或電壓) 和電流，基于電動機的模型，采用狀態(tài)觀測估計轉子位置的方法。由于無機 械式位置傳感器，降低了系統成本，提高了系統的可靠性，因而這種技術得 到廣泛研究。永磁同步電動機的轉子位置估計有兩種方式，一是基于定子繞 組反電勢進行估計。由于電動機低速運行時反電勢太小，轉子估計誤差較大， 因而只適合電動機中、高速運行情況。二是基于磁路的不對稱特性進行估計。 這種方法適合于電動機的任意轉速，甚至是靜止狀態(tài)。有些技術文獻將兩種 方法綜合應用。在電機低速( 緲 0 2 ) 運行或靜止狀態(tài)時利用定子齒槽部分 的磁飽和特性，向定子繞組施加檢測電壓并監(jiān)測電流變化率，得到相電感的 變化量。由于相電感是轉子位置的函數，可得到轉子位置角；在電機高速運 行時采用反電勢模型，利用k a l m a n 濾波技術來估計轉子位置。這種聯合方 案收到了較好的效果。但是，由于各種狀態(tài)觀測方法多數都采用電動機的電 壓或電流模型，觀測結果容易受到模型不準確和參數變化的影響，所以不利 于提高永磁同步電動機的性能，一般只用于對系統的可靠性和精度要求不高 的系統。 哈爾濱工程大學碩士學位論文 目前，對無刷直流電機無位置傳感器控制的研究主要集中在下述四個方 面： ( 1 ) 無位置傳感器無刷直流電機轉子的定位與起動。 ( 2 ) 無刷直流電機轉子磁極位置的檢測方法。 ( 3 ) 無刷直流電機換相轉矩脈動問題。 一 電磁轉矩是衡量電機性能的重要指標。相比于永磁同步電機，永磁無刷 直流電機轉矩脈動較大。這不但會影響整個系統的控制特性，而且會產生噪 聲和振動等問題，降低了機器的使用壽命和驅動系統的可靠性，制約了其在 高精度、高穩(wěn)定性場合的應用。解決其轉矩脈動問題一直是工程技術工作者 研究的重點和難點。 ( 4 ) 控制算法。 采用數字信號處理器的數字控制電路將是無刷直流電機中控制系統設計 的發(fā)展方向。以d s p 芯片為核心的控制系統并不是一個純硬件的控制電路， 它還必須配合軟件系統才能控制無刷直流電機正常工作。這也為控制系統的 設計帶來更大的靈活性。軟件設計就必然涉及到控制算法的研究和應用。無 刷直流電動機中速度、電流控制必須由硬件系統配合具有正確控制算法的軟 件系統才能得到良好的閉環(huán)控制效果。而不同的控制算法將會直接影響控制 效果的好壞。 因此，研究先進的控制算法就成為設計無刷直流電動機控制系統的一個 重要方面。而過去難以在運算較慢的微處理器上實現的復雜的控制，現在則 可以借助d s p 實時高速的運算處理能力得以實現。 1 2 3 直流無刷電機的應用 無刷直流電動機在先進國家已大量應用于辦公設備、家電業(yè)、信息業(yè)、 軍事、手動工具、伺服系統、電動汽車、電瓶車、磁旋浮列車等生產生活的 各個領域： ( 1 ) 無刷直流電機在辦公自動化領域的應用 計算機外設和辦公自動化設備用的電機，絕大部分為先進制造技術和新 興微電子技術相結合的高檔精密永磁無刷電動機，是技術密集化和高投資類 產品。 6 哈爾濱丁程大學碩士學位論文 ( 2 ) 無刷直流電機在家用電器中的應用 隨著人們生活水平的提高，許多家用空調壓縮機和洗衣機內的電機都選 用了無刷直流電機。吸塵器、攪拌機和家用電風扇也有望采用無刷直流電機 代替目前使用的電機，這樣不僅能克服目前所用電機的缺點，還能降低能源 損耗。 ( 3 ) 無刷直流電機在工業(yè)上的應用 由于永磁無刷電動機驅動控制系統集有刷直流電動機和交流異步電動機 驅動控制系統的優(yōu)點于一體，并隨著稀土永磁材料和電力電子元器件價格不 斷降低，性能不斷提高，目前工業(yè)中使用永磁無刷電機驅動控制系統越來越 多，該系統將是主要的發(fā)展方向。 ( 4 ) 無刷直流電機在軍事上的應用 無刷直流電機以其在效率、重量和體積、噪音和振動、電磁兼容性 ( e m c ) 、可靠性、故障排除以及造價等各方面的優(yōu)勢，已大量應用于作戰(zhàn) 艦艇的電力推進系統。 1 3 課題研究的主要內容 本課題研究設計了一套以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ( d s p 芯片) 為控制核心， 以p s 2 2 0 5 6 ( i p m 智能功率模塊) 為主電路的直流無刷電機驅動系統，主要 內容包括以下幾個方面： ( 1 ) 分析了直流無刷電機的研究與發(fā)展現狀； ( 2 ) 分析了直流無刷電機的基本結構和原理，并給出其數學模型； ( 3 ) 研究了無位置傳感器直流無刷電機轉子位置檢測的各種方法，并論 述了其優(yōu)缺點；對無位置傳感器直流無刷電機的起動方法進行了分析；對無 刷直流電機系統轉矩脈動的原因及抑制方法進行了深入的探討和研究。 ( 4 ) 分析了模糊p i d 控制理論在直流無刷電機控制系統上的應用，并 進行了p i d 參數自適應整定的仿真。 ( 5 ) 完成了直流無刷電機控制系統的硬件的設計和制作并結合編制的軟 件系統進行了測試、調試和試驗。 哈爾濱- t 程大學碩士學位論文 第2 章直流無刷電機的結構原理和數學模型 2 1 直流無刷電機的基本結構 傳統無刷直流電動機結構原理如圖2 1 所示，它主要由永磁電機本體、 電子換相器和轉子位置傳感器三部分組成。 ：i 磊磊 l 圖2 1 永磁直流無刷電機結構原理圖 2 1 1 直流無刷電機的本體結構 結構上，無刷直流電動機本體與永磁同步電動機結構相似，轉子上有永 磁磁鋼，定子繞組一般分為三相且多采用整距集中式繞組。轉子則由永磁鋼 按一定的極對數組成，轉子磁鋼的形狀呈弧形，磁極下定轉子氣隙均勻，氣 隙磁通密度呈梯形分布。 按定轉子相對位置的不同，無刷直流電動機的轉子結構即有傳統的內轉 子結構，又有近年來出現的盤式結構、外轉子結構和線性結構等新型結構形 式，圖2 2 ( a ) 、( b ) 所示分別為內轉子結構和外轉子結構兩種類型無刷直流 電動機的結構示意圖。 蝴 ( a ) 內轉子型( b ) 外轉子型 圖2 2 無刷直流電動機結構示意圖 8 哈爾濱工程大學碩士學位論文 本論文所使用的樣機為內轉子型無刷直流電動機，轉子磁鋼使用表面貼 裝方式安裝，磁鋼采用稀土永磁材料，定子繞組為三相星形連接。 2 1 2 直流無刷電機的電子換相電路 無刷直流電機需要用功率電子開關器件組成的功率控制器才能工作。直 流無刷電動機電子換相電路( 逆變器) 用來控制電動機定子上各相繞組通斷 的順序和時間。與一般逆變器不同，它的輸出頻率不是獨立調節(jié)的，而受控 于轉子位置檢測信號，是一個“自控式逆變器。直流無刷電機由于采用了自 控式逆變器，電機輸入電流的頻率和電機轉速始終保持同步，電機和逆變器 輸出之間不會產生振蕩和失步。這也是直流無刷電機的重要優(yōu)點之一。 功率邏輯開關單元是控制電路的核心，其功能是將電源的功率以一定邏輯 關系分配給無刷直流電動機定子上各相繞組，從而使電動機輸出持續(xù)不斷的 轉矩。電子換相電路即逆變器主電路主要有三相全橋式功率控制器( 圖2 3 a ) 和三相半橋式功率控制器( 圖2 3 b ) 等幾種。 + + 圖2 3 a 三相全橋式換相電路圖2 - 3 b 三相半橋式換相電路 半橋功率控制器的特點是繞組采用星形接法，中性點接電源，每相繞組 用一個功率開關器件控制，繞組中的電流方向不能變化，因此繞組產生磁場 的方向也不能變化，在一個3 6 0 0 電角周期內每繞組導通一次。有時為了獲得 反方向的磁場狀態(tài)將每相繞組分成2 部分，并將每相繞組中點引出構成星形 接法后與電源相連，但每相要再增加一個功率開關器件。 全橋功率控制器的特點是功率開關器件數目等于繞組相數的2 倍，每個 繞組的首端與一個橋臂相連。對于星形接法的電樞繞組，電樞繞組中只有導 通相繞組才有電流流過，而沒有導通的相繞組則沒有電流流過。全橋功率控 制器要注意的是同相上、下橋功率開關器件同時導通引起電源回路直接短路 9 哈爾濱工程大學碩士學位論文 的問題。三相全橋式換相電路中功率器件的使用效率高，可以與各種繞組連 接形式的電動機配合使用。 2 1 3 直流無刷電機的轉子位置檢測電路 位置檢測電路的作用是檢測電動機轉子的位置，檢測得到的信號決定了 各相繞組導通的順序和時間，是電子換相的依據。 有位置傳感器控制方法是指在無刷直流電動機定子上安裝位置傳感器來 檢測轉子旋轉過程中的位置，將轉子磁極的位置信號轉換成電信號，為電子 換相電路提供正確的換相信息，以此控制電子換相電路中的功率開關管的開 關狀態(tài)，保證電動機各相按順序導通，在空間形成跳躍式的旋轉磁場，驅動 永磁轉子連續(xù)不斷地旋轉。無刷直流電動機中常用的位置傳感器有電磁式位 置傳感器( 如磁阻旋轉變壓器) 、光電式位置傳感器( 如遮光板) 、磁敏式位 置傳感器( 如霍爾位置傳感器) 等。 電磁式位置傳感器輸出信號較大，一般不需要經過放大便可以直接驅動 開關管，但是它的輸出為交流信號，必須經整流后才能利用，并且笨重復雜， 在方波電動機中已經基本上被淘汰。 光電式位置傳感器輕便可靠、安裝精度高、調整方便，應用較為廣泛。 磁敏式位置傳感器目前常用的是霍爾元件或霍爾集成電路，有線性型和 開關型兩種。無刷直流電動機中常用的開關型霍爾集成電路，一般由霍爾元 件、差分放大器、施密特觸發(fā)器和功率輸出電路組成，是目前應用較多的位 置傳感器1 。 u 彤v 4 3 2 l ( a ) 霍爾集成電路( b ) 開關型輸出特性 圖2 4 霍爾集成電路及其輸出特性 無刷直流電動機的無位置傳感器控制是指取消傳統的轉子位置傳感器， 1 0 哈爾濱丁程大學碩士學位論文 通過測取電機的某些物理量間接地得到轉子的位置信號，用此信號實現換流， 從而實現無傳感器閉環(huán)控制。 較p m s m 所需要的連續(xù)位置信號相比，b l d c m 的位置信息的獲取要容 易得多，僅僅需要幾個關鍵的換相時刻位置信息。 2 2 直流無刷電機的工作原理 。 永磁無刷直流電機在原理上相當于只有三個換相片的永磁有刷直流電動 機u 1 ，與之不同的是無刷直流電機的換相是通過導通和關斷電子換相元件來 實現的。此外，為便于裝配和固定，永磁無刷直流電機的電樞和磁極的布置 與永磁有刷直流電機相反，即永磁無刷直流電機的電樞和電子換相器靜止不 動，而磁極旋轉州。 在結構上，無刷直流電動機的本體和永磁同步電動機相似，但是沒有籠 型繞組和其他起動裝置。無刷直流電動機的定子設計成多相繞組，一般為三 相。本論文研究的無刷直流電動機定子繞組采用三相星形連接結構。下面以 它為例，說明無刷直流電動機的工作原理。 三相星形繞組的無刷直流電動機與三相橋式換相電路相結合，組成三相 全控運行方式。三相全控運行方式具有轉矩脈動小，繞組利用率高等優(yōu)點， 被廣泛采用。圖2 5 為三相全控運行電路接線原理圖。 三相全控運行方式因同時導通的繞組數不同可分為兩兩導通方式( 也稱 為1 2 0 0 導通方式) 和三三導通方式( 也稱為1 8 0 0 導通方式) 。 三三導通方式是指任一瞬間( 換相瞬間除外) 均有三個功率開關管導通， 每隔6 0 0 電角度換相一次，每次一個功率管換相，每個功率管通電1 8 0 0 電角 度。在圖2 5 所示電路中，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 的順序導通。 兩兩導通方式是指任一時刻( 換相瞬間除外) 只有兩相繞組導通，每6 0 。電角度換相一次，每次一個功率管換相，每相繞組導通1 2 0 0 電角度。 哈爾濱工程大學碩十學位論文 + 圖2 5 無刷電動機三相全控電路 在圖2 5 所示的電路中，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 的順序導通。 假設無刷直流電動機為三相星形連接，運行在兩兩導通方式，該電動機 有一對磁極，利用傳感器檢測轉子位置。同時，假設三相定子繞組電流從a 、 b 、c 流入，x 、y 、z 流出，符合右手螺旋定則的磁場方向為正。電動機定子 繞組反電勢方向如圖2 5 所示。 ( a ) p l 時刻轉子位置 彳 。 乇 e 寶 工。 ( b ) p 2 時刻轉子位置( c ) p 3 時刻轉子位置 尾 ( d ) p 4 時刻轉子位置( e ) p 5 時刻轉子位置( f ) p 6 時刻轉子位置 圖2 6 無刷直流電動機轉子位置 1 2 哈爾濱工程大學碩+ 學位論文 巧匕 巧圪 巧 一 匕 啊 巧廈 l 一 圪 們 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 圖2 7 功率觸發(fā)邏輯和反電勢波形關系 按照上述假定，該無刷直流電動機轉子位置及其對應的功率管觸發(fā)邏輯 和定子繞組反電勢波形關系如圖2 6 、圖2 7 所示。 根據圖2 6 和圖2 7 ，可對無刷直流電動機的換相過程作如下進行分析。 假設轉子轉到圖2 5 中p l 所示的位置時，通過位置檢測，控制器輸出控 制信號使功率開關管v l 、v 2 導通，即繞組a 、c 相通電，電流流通路徑為： 電源正極- - v 1 管一a 相繞組一c 相繞組一v 2 管一電源負極，電樞合成磁勢為 f a c 。在合成磁勢f a c 的作用下，轉子順時針方向轉動。當轉子順時針轉過 3 0 0 電角度，到達圖2 5 所示t o 位置時，轉子磁勢方向與b 相負磁勢f b 方向 相同，此時b 相中的反電勢為零。轉子繼續(xù)順時針轉過3 0 0 電角度，到達p 2 乃， “ “ 兒 如 “ 尻 “ “ “ 匕 一 一 一 哈爾濱工程大學碩七學位論文 的位置，轉子位置傳感器輸出變化，經控制器邏輯變換后使v l 管關斷，v 3 管導通，即繞組b 、c 相通電，電流流通路徑為：電源正極一v 3 管一b 相繞 組一c 相繞組一v 2 管一電源負極，電樞合成磁勢為f b c 。在合成磁勢f b c 的 作用下，轉予繼續(xù)順時針旋轉，轉過3 0 0 電角度到達t l 位置時，此時的懸空 相a 相繞組的反電勢為零。再經過3 0 0 電角度，轉子到達p 3 位置時，轉子位 置檢測出現變化，控制器關斷功率管v 2 ，導通功率管v 4 。 依此類推，轉子沿順時針方向每轉過6 0 0 電角度，功率開關管切換一次， 功率開關管導通邏輯為v l v 2 、v 2 v 3 、v 3 v 4 、v 4 v 5 、v 5 v 6 、v 6 v 1 ，轉子磁 場始終受到定子合成磁場的作用，沿順時針方向連續(xù)轉動。在換相過程中， 定子繞組電流在空間內所形成的合成磁場不是連續(xù)的旋轉磁場，而是一種跳 躍式的旋轉磁場，每個步進角度為6 0 0 電角度。 換相點的選取是要使定子繞組的合成磁場對轉子的作用力矩最大，如在 p l 時刻換相，轉子磁勢與定子磁勢成1 2 0 0 電角度，如圖2 8 所示。 a 圖2 8 定轉子磁場相互作用向量關系 這樣，使得在下一次換相到來之前的這段時間內定子繞組的合成磁場對 轉子的作用力矩平均值最大。 2 3 直流無刷電機的數學模型 2 3 1 三相平衡電壓方程 方波型無刷直流電動機的反電動勢為梯形波，因此在三相坐標系下分析 比較方便，分析時做如下假設： ( 1 ) 電機磁路不飽和； 1 4 在上述條件下，無刷直流電動機定子三相繞組的電壓平衡方程可表示為 i ； = 言吾蘭 蘭 + 丟 支蘭三麓： 三 至 + | ； + 三i j c 2 - 1 ， 式中：“。、甜。一電t g - - 相相電壓，v 。 巳、吃、巳一電機三相反電勢，v 乞、f 6 、之一電機三相相電流，a 厶、厶、乞一三相繞組的自感，h 方波型b l d c m 較多采用磁鋼表面安裝式轉子結構，由于永磁體的磁導 率與空氣相近，可以認為電機的等效氣隙長度為常數，定子三相繞組的自感 為常數，三相繞組間的互感也為常數，兩者都與轉子位置無關，即有： 乞2 厶5 t 2 三 蠔= 蠔。= 蠔= 虼= 。= 虬= m ( m 為定子繞組問互感) 若三相繞組對稱，則有兄= 蜀= r c = r ，于是式( 2 1 ) 可以簡化為 三； = 鼉 。圣 差 + 害； 妻 蘭 鏨 差 + 圣 + i i c 2 - 2 ， 若定子三相繞組為y 型接法，且沒有中點，則有 乞+ j 6 + i c = 0 ( 2 - 3 ) 尥+ 艦+ 坦= 0 ( 2 - 4 ) 圣 = 鼉 呈 耋 + 三三 一三- ：m j l 丟u 乏o j + 圣 + 鍪 c 2 - 5 ， 根據電壓方程得電動機的等效電路圖，如圖2 9 所示 哈爾濱工程大學碩士學位論文 玩 u c 圖2 9 無刷直流電機電壓方程的等效電路 2 3 2 電勢方程 單根導體在氣隙磁場中感應的電勢為 e = bs l y ( v ) ( 2 - 6 ) 式中，b ，為氣隙磁感應強度，單位為w b ；z 為導體有效長度，單位為m ；v 為導體相對于磁場的線速度，單位為m s 1 ，= 絲6 0 療= 2 p f 麗n ( m 5 ) ( 2 - 7 ) m 1 ，= 一療= f 5 l 6 0 7 式中，n 為電動機轉速，單位為r p m ；d 為電樞內徑單位為m ；t 為極 距；p 為極對數。 設電樞繞組每相串聯匝數為w 口，則每相繞組的感應電勢為： e 口= 2 e w 妒( v ) ( 2 - 8 ) 將式( 2 7 ) 代入式( 2 。6 ) 得 忙b , d 2 p 丁擊( 功 方波氣隙磁感應強度對應的每極磁通為： 5 = b a f l r ( 珊) 式中o t i 為計算極弧系數，則有： 弘叩p f 壺( 即 將式( 2 1 1 ) 代入式( 2 8 ) 得每相繞組感應電勢： 民2 蓋西j ( 功 則線電勢為： ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 哈爾濱工程大學碩士學位論文 腳瓦= 舞占= c 。0 8 n ( 功 ( 2 - 1 3 ) 式中，e = 素乞一電勢常數 2 3 3 電磁轉矩方程 直流無刷電機的電磁轉矩是由定子繞組中的電流與轉子磁鋼產生的磁場 相互作用而產生的。定子繞組產生的電磁轉矩表達式為： t ：絲坐址盟( 2 - 1 4 ) 其中國為轉子電角速度，由于任何時刻，定子有兩相導通，則電磁功率 表示為： = 巳屯+ e a + 乏 ( 2 - 1 5 ) 當電動機工作在兩兩導通方式時，電磁轉矩由兩相繞組的合成磁場與轉 子磁場相互作用產生，則電磁轉矩又可表示為： 乙= 警= 等( 2 - 1 6 ) 式中肚等。 由上述兩式可以看出，為產生恒定的電磁轉矩，要求定子電流為方波， 反電動勢為梯形波，且在每半個周期內，方波電流與梯形波反電動勢的平頂 部分應嚴格同步。直流無刷電機的電磁轉矩與普通的直流電機相似，其電磁 轉矩大小與電流幅值成正比，所以控制逆變器輸出方波電流的幅值即可控制 直流無刷電動機的轉矩。 2 3 4 機械運動方程 無刷電機的機械運動方程為： ，警= 一b o o + p ( 正一) ( 2 1 7 ) 刃 一 一 其中：z 一電磁轉矩，n m 1 7 哈爾濱工程大學碩十學位論文 正一負載轉矩，n m 召一粘性阻尼系數，s 。1 緲一電動機械角速度，r a d s ，一電動機的轉動慣量，蠔m 2 2 3 5 機械特性 無刷直流電動機的電壓平衡方程為： u 一2 a u = e + 2 i 。r o ( 2 1 8 ) 將式( 2 1 3 ) 和式( 2 1 6 ) 及q ：穹蘭代入式( 2 1 8 ) ，經過變換，得到 6 u 無刷直流電動機的機械特性： =群一麗2ton t( 2 - 1 9 ) = 一一彳_ f 1 z l yj e 占e g ；8 、7 其中，1 卜開關管飽和壓降。 2 4 本章小結 本章分析了直流無刷電動機本體結構、換相電路和轉子位置檢測電路。 簡單介紹了不同類型無刷電機的控制狀態(tài)關系，并以y 聯結三相全控橋兩兩 通電方式為例，通過無刷直流電動機轉子位置、功率觸發(fā)邏輯和反電勢波形 關系詳細分析了直流無刷電機的工作原理。 分析了直流無刷電機的數學模型，給出了直流無刷電機的電壓方程、電 勢方程、電磁轉矩方程和機械運動方程。 哈爾濱工程大學碩七學位論文 第3 章無位置傳感器直流無刷電機控制方法研究 3 1 無位置傳感器直流無刷電機轉子位置檢測 無刷直流電動機的無位置傳感器控制，無需安裝傳感器，相對于有位置 傳感器方法有較大的優(yōu)勢，因此，無刷直流電動機的無位置傳感器控制近年 來已成為研究的熱點。 無刷直流電動機的無位置傳感器控制中，不直接使用轉子位置傳感器， 但在電動機運轉過程中，仍然需要轉子位置信號，以控制電動機換相。因此， 如何通過軟硬件間接獲得可靠的轉子位置信號，成為無刷直流電動機無位置 傳感器控制的關鍵。為此，國內外的研究人員在這方面作了大量的研究工作， 提出了多種轉子位置信號檢測方法，大多是利用檢測定子電壓、電流等容易 獲取的物理量實現轉子位置的估算。歸納起來，可以分為反電勢法、電感法、 狀態(tài)觀測器法、人工神經網絡法等幾大類刪。 3 1 1 反電勢法 電動機的反電勢( b a c ke l e c t r o m o t i v ef o r c e ) 與電動機的轉子位置存在 一定的關系，通過檢測電動機反電勢，并對其進行濾波、適當分析計算，可 以獲得轉子位置信號，這類方法稱為“反電勢法川1 1 1 。按照對反電勢處理方 法的不同，“反電勢法”可分為反電勢過零檢測法、反電勢積分法和反電勢 三次諧波法等類型一1 。 ( 1 ) 反電勢過零檢測法 如前所述，在方波無刷直流電動機中，定子繞組的反電勢為梯形波，且 正負交變；繞組反電勢存在過零點，反電勢過零后，延遲對3 0 。電角度的 時間，即為電動機換相時刻( 三相繞組反電勢及相電流波形如圖3 1 所示) 。 因此，只要檢測到各相反電勢的過零點，即可獲知轉子的若干個關鍵位置， 實現無位置傳感器無刷直流電動機換相控制。通常，無刷直流電動機運行中， 在任意時刻逆變器中總有一相的功率管器件全部關斷，處于懸空狀態(tài)，繞組 反電勢的過零點就發(fā)生在該相繞組懸空的時間段內，此時，只要檢測繞組中 1 9 哈爾濱工程大學碩士學位論文 相電壓的變化，即可檢測到反電勢過零點。由于直流電動機一般不引出繞組 e 、 、y u -。- 。 l 廳。3 0 t 一 - i - ，e 1 v 。6 口 。 o 1 。 ：o 2 4 。、 w 主c i e c k ，州 “ 圖3 1 三相繞組反電勢及相電流波形 中點，所以不方便通過檢測無刷直流電動機相電壓來獲得反電勢。因此，反 電勢過零檢測法主要通過檢測電動機端電壓獲取反電勢過零。 對于三相星形連接的繞組來說，端電壓是指繞組端部至電源負端之間的 電壓，a 相端電壓用表示。從端電壓的定義不難看出，端電壓就是在相 電壓的基礎上加上中性點對電源負端的電壓，用表示中性點對電源負端 的電壓。如圖3 2 所示。 圖3 2 端電壓法原理圖 按照上述定義，可以得出如下公式 = u a n + = e a + ( 3 一1 ) 根據三相繞組的對稱性，由式( 2 5 ) 可得三相繞組端電壓平衡方程的 矩陣表達式 哈爾濱工程大學碩士學位論文 圣 = 專 呈 莖 + 三三 一三糾罷 差 + | ； + 圣 c ：2 ， ：畢 ( 3 q = 等 ( 3 - 5 ) 2 等 (j 乞= 一= 一等 ( 3 - 6 ) 所以只要能夠檢測到一等的過零點就可以知道該時刻的轉子位置。根 2 1 哈爾濱工程大學碩士學位論文 這種方法要求逆變器以上橋臂p w m 調制、下橋臂恒通的調制方式工 作，在p w m 斬波脈沖信號關斷階段，電動機中性點電壓接近于直流電源負 端電壓，此時，懸空相端電壓即為該相繞組的反電勢，將該反電勢與直流電 源負端電壓或某偏置電壓相比較即可得到反電勢過零信號。這種方法不需要 對端電壓分壓，只需利用穩(wěn)壓二極管將其鉗制在某個區(qū)間即可，同時不使用 濾波器，檢測到的反電勢過零點沒有相位的滯后，延時對應3 0 。電角度時 間電動機即可換相。文獻 1 6 針對前述該方法在p w m 斬波脈沖信號關斷 階段，電動機中性點電壓不等于直流電源中點電壓的情況，提出了補償方法。 ( 2 )