無位置傳感器無刷直流電機控制方法研究

1、J I A N G S U U N I V E R S I T Y本 科 畢 業(yè) 論 文 無位置傳感器無刷直流電機控制方法研究RESEARCH ON CONTROL METHODS OF SENSORLESS BRUSHLESS DC MOTOR 學院名稱： 電氣信息工程學院 專業(yè)班級： 電氣1001 學生姓名： XXX 學生學號： 3100501xxx 指導教師姓名： XXX 指導教師職稱： 副 教 授 2014 年 06月無位置傳感器無刷直流電機控制方法研究專業(yè)班級：電氣1001 學生姓名： 指導教師： 職 稱：副教授摘要直流電機以其較大的啟動轉(zhuǎn)矩和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩以及寬范圍、高精度的調(diào)速性能而被

2、廣泛應用于各種伺服系統(tǒng)和驅(qū)動裝置中。然而，電刷和換向器的存在使得直流電機結(jié)構(gòu)變得復雜，另外，在換相時它們之間的滑動機械接觸嚴重影響了電機運行的可靠性和穩(wěn)定性，降低了電機調(diào)速的精度；同時，電機運行時所產(chǎn)生的火花容易引起電磁干擾，并且縮短電機的使用壽命，大大限制了它的應用范圍。因此，長期以來人們都在研究可以不用電刷和換向器裝置的直流電機。隨著電力電子技術(shù)和DSP控制技術(shù)的發(fā)展以及高性能永磁材料的出現(xiàn)，無刷直流電機以其優(yōu)越的性能逐步取代有刷直流電機應用于各種場合。其中，無位置傳感器無刷直流電機克服了有位置傳感器無刷直流電機的缺陷，擁有可靠的工作性能、體積、成本等方面的優(yōu)勢。針對無位置傳感器無刷直流電

3、機，本論文主要做了如下工作：本文詳細介紹了無刷直流電機的本體結(jié)構(gòu)和工作原理，深入分析了無刷直流電機的數(shù)學模型，并對電機的運行特性做出了一些簡要分析。本文采用三步法（轉(zhuǎn)子初定位、外同步加速、外同步加速到內(nèi)同步加速切換）的電機起動方法，當電機達到預定轉(zhuǎn)速后，采用“反電勢”法對轉(zhuǎn)子位置進行檢測，控制電機運行。本文以TMS320F2812芯片為核心設計控制系統(tǒng)的硬件電路，采取模塊化的設計思路，以子程序模塊實現(xiàn)無位置傳感器無刷直流電機從轉(zhuǎn)子初始定位到“反電勢”法過零檢測運行。最后，基于Matlab R2010b的SIMULINK模塊，采取模塊化的設計思路對電機進行建模仿真。并采用雙閉環(huán)控制方法，對所建電

4、機模型進行仿真，通過仿真實驗驗證“反電勢”過零檢測法的可行性。關(guān)鍵詞：無刷直流電機，無位置傳感器，DSP，反電勢過零，SIMULINKRESEARCH ON CONTROL METHODS OF SENSORLESS BRUSHLESS DC MOTORAbstractDC motor with its large starting torque and locked rotor torque and wide speed range and high precision performance is widely used in various servo system and drivin

5、g device. However, the existence of the brush and commutator makes DC motor structure become complicated, in addition, the sliding mechanical contact between them at the commutation time has seriously affected the operating reliability and stability of motor and reduced the accuracy of motor speed;

6、Meanwhile, the spark generated when the motor is running easily cause electromagnetic interference and shorten the service life of the motor, which greatly limits its scope of application. Therefore, the research of DC motor without brush and commutator device has has be implemented by people for a

7、long time.With the development of power electronics technology and DSP control technology and the emergence of high-performance permanent magnet materials, Brushless DC motor gradually take the place of DC motor with its superior performance, used in various occasions. Among them, the brushless DC m

8、otor without position sensor overcome the defects of the Brushless DC motor with position sensor, with its advantages of reliable work performance, volume, cost.For brushless DC motor without position sensor, this paper mainly does the following work:This paper introduces in detail the structure and

9、 working principle of BLDCM, analyses the mathematical model of BLDCM in-depth, and made some brief analysis on the operating characteristics of motor. In this paper, the three-step method (rotor initial positioning, external synchronization acceleration, external synchronization acceleration switch

10、ing to internal synchronization acceleration) is used to start the motor. When the motor reaches a certain speed, it use the "Back-EMF" method to detect the rotor position to control the motor running.In this paper, the hardware design of control system is based on TMS320F2812 chip, and su

11、broutine modules for sensorless BLDCM achieve the initial positioning of the rotor and the running based on "Back-EMF" zero-crossings detection method, adopting modular design ideas.Finally, based on the simulink module of Matlab R2010b, modular design method is adopted for modeling and si

12、mulation of the motor. And using the double-loop control method to simulate the established model of motor, and simulation results verify the feasibility of the "Back-EMF" zero-crossings method.Keywords：BLDCM , Sensorless , DSP , "Back-EMF" zero-crossings , SIMULINK I目 錄摘要IAbstra

13、ctII第1章 緒論11.1 課題研究的背景11.2 無刷直流電機的應用11.3 無刷直流電機研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢2第2章 無刷直流電機的工作原理及數(shù)學模型32.1 無刷直流電機的結(jié)構(gòu)32.1.1 電機本體32.1.2 逆變器42.1.3 轉(zhuǎn)子位置傳感器42.2 無刷直流電機的運行原理62.2.1 一相導通星形三相三狀態(tài)72.2.2 兩相導通星形三相六狀態(tài)82.3無刷直流電機的數(shù)學模型92.3.1 基本方程92.3.2 電壓方程112.4 無刷直流電機的運行特性132.4.1 機械特性132.4.2 調(diào)節(jié)特性132.4.3 工作特性142.4.4 起動特性152.5 無刷直流電機的傳遞函數(shù)15

14、第3章 無位置傳感器無刷直流電機的檢測技術(shù)及起動方法163.1 無位置傳感器檢測技術(shù)163.1.1 有位置傳感器無刷直流電機的缺陷163.1.2 無位置傳感器控制方法的提出163.1.3 反電勢過零檢測法163.2 無位置傳感器起動方法183.2.1 硬件起動法183.2.2 預定位起動法193.2.3 升頻升壓同步起動法203.2.4 三段式起動法20第4章 無位置傳感器無刷直流電機控制系統(tǒng)設計224.1 系統(tǒng)的硬件設計總體框圖224.2 逆變器主電路設計224.3 功率驅(qū)動電路設計224.4 信號檢測電路234.4.1 電流檢測保護電路設計234.4.2 電壓檢測保護電路設計244.4.3

15、 濾波電路設計254.4.4 反電勢過零檢測電路設計264.5 核心控制電路及外圍電路274.5.1 主控芯片選擇274.5.2 PWM光電耦合電路284.5.3 控制芯片電源電路29第5章 軟件設計305.1 主程序設計305.2 轉(zhuǎn)子零初始位置起動程序305.3 “反電勢”法運行程序315.4 功率模塊保護中斷（PDPINT）服務程序32第6章 控制系統(tǒng)的建模與仿真336.1 總體結(jié)構(gòu)設計336.2 電機本體模塊336.3 逆變器模塊356.4 轉(zhuǎn)子檢測模塊356.5 導通邏輯信號模塊366.6 電機開環(huán)控制的仿真分析386.7 雙閉環(huán)調(diào)速控制416.7.1 速度控制模塊426.7.2 滯

16、環(huán)電流控制模塊436.7.3 雙閉環(huán)調(diào)速仿真結(jié)果45第7章 結(jié)論48參考文獻49附錄 控制系統(tǒng)硬件電路圖51致謝52江蘇大學本科生畢業(yè)論文第1章 緒論1.1 課題研究的背景自19世紀40年代第一臺直流電動機研制成功，長期以來，有刷直流電動機以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制，一直占據(jù)著運動控制領(lǐng)域的主導地位。和交流電動機相比，直流電動機有一些優(yōu)點，如運行效率高、調(diào)速性能好等。但是，直流電動機具有電刷和換向器組成的機械換向裝置，其間的滑動接觸，嚴重影響了電機的精度和可靠性，縮短了電機的壽命，需要經(jīng)常性的維護，換相所產(chǎn)生的火花會引起無線電干擾；且電刷換向器裝置又使電機結(jié)構(gòu)變得復雜，工作噪聲大。以上問題的存在，使得

17、有刷直流電動機在多種場合的應用受到限制。由此，為了取代有刷直流電動機的機械換向裝置，長期以來人們進行了長期不斷的摸索。人們一直在尋找有傳統(tǒng)直流電動機的優(yōu)點，又有結(jié)構(gòu)簡單、維護方便等特點的非機械換相的直流電動機結(jié)構(gòu)。微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)和電機控制技術(shù)的快速發(fā)展，高性能永磁材料的應用，使得這種愿望得以實現(xiàn)。上個世紀初，美國人Langnall成功制成了由直流變交流的逆變器裝置，此裝置是以帶控制柵極的汞弧整流器為前提制造的。1917年，Bolgior提出用整流管替代有刷直流電機的機械換向電刷，便誕生了無刷直流電動機的基本思想。1955年，美國人Harrison首次提出了用晶體管換相線路代替有刷直流

18、電動機電刷的基本思想，這是無刷直流電動機的雛形。20世紀60年代初期，霍爾元件等位置傳感器和電子換向線路的相繼問世，使真正的直流無刷電動機問世。而在某些場合下，人們試圖研發(fā)一種沒有附加位置傳感器結(jié)構(gòu)的無刷直流電動機。為此，德國人Micslinger提出了采用電容移相實現(xiàn)換流的方法。在此基礎(chǔ)上，德國人Hanitsch試制成功借助數(shù)字式環(huán)形分配器和過零鑒別器的組合來實現(xiàn)換相的無刷直流電動機，而沒有應用附加傳感器。1.2 無刷直流電機的應用永磁無刷直流電機是集電動機、微處理器、功率變換器、檢測元件?？刂栖浖陀布谝惑w的新型機電一體化產(chǎn)品，它采用功率電子開關(guān)（如GTR、MOSFET、IGBT）和位置

19、傳感器代替電刷和換向器，既保留了直流電動機良好的運行性能，又具有交流電機結(jié)構(gòu)簡單、維護方便和運行可靠等特點，在以下幾方面獲得了越來越廣泛的應用。(1) 辦公自動化、計算機外部設備及音像處理設備領(lǐng)域這類設備要求驅(qū)動電動機具有穩(wěn)速、調(diào)速、定位等功能，對電磁干擾和低噪聲要求特別高。如計算機軟、硬盤驅(qū)動器，光盤驅(qū)動器，激光打印機，復印機，傳真機的驅(qū)動，VCD、DVD裝置及微型風扇等。而永磁無刷直流電機剛好能夠滿足這些要求，因而被廣泛采用。但是這類無刷直流電機屬于精密型，尺寸小，加工精度高，產(chǎn)量大，是技術(shù)密集型和高投資類產(chǎn)品，目前仍主要由發(fā)達國家提供。這類產(chǎn)品的年產(chǎn)量均以億臺計，國內(nèi)來源主要依賴進口或組

20、裝件，尚難在此領(lǐng)域取得立足之地。因此，在這一領(lǐng)域的永磁無刷直流電機將有非常廣泛的發(fā)展空間。（2）家電領(lǐng)域空調(diào)器、洗衣機、電冰箱等主要家電最早使用單相異步電動機，但效率低、利用率低。為了節(jié)能，90年代初家電開始采用變頻調(diào)速異步電動機。目前日本90%以上的空調(diào)器采用永磁無刷直流電機，替代異步電動機變頻調(diào)速。我國空調(diào)器制造廠也開始采用永磁無刷直流電機，以獲得更好的節(jié)能效果和節(jié)省材料。（3）電動交通工具近年來，電動自行車的生產(chǎn)規(guī)模與日俱增，其驅(qū)動電機大部份采用有刷直流電機。但由于直流有刷電機有壽命短，維修難的缺點，隨著永磁無刷直流電機價格的下降及控制器可靠性的提高，采用永磁無刷電機越來越多。同時，由于

21、能源緊張和環(huán)境污染日益加強，電動汽車顯示出強勁的生命力，被汽車生產(chǎn)廠和消費者普遍看好。汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的驅(qū)動電機有有刷直流電機和永磁無刷電機，電動汽車驅(qū)動電機有有刷直流電機、變頻異步電機和永磁無刷電機，但它們的發(fā)展趨勢都是永磁無刷電機，尤其是日本汽車制造商都采用永磁無刷電機。凡是電動車中涉及安全等重要系統(tǒng)中用的電機，采用永磁無刷電機替代有刷直流電機將是一個趨勢。（4）工業(yè)領(lǐng)域工業(yè)領(lǐng)域中各類加工機械設備、IC設備、電梯等伺服驅(qū)動系統(tǒng)，最初用的是有刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)。70年代后，因為變頻調(diào)速異步電動機的性價比優(yōu)于有刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、干擾小、維護少、壽命長的特點，

22、變頻調(diào)速異步電動機逐步替代有刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)。但是永磁無刷電機具有比異步電動機體積更小，重量更輕，效率更高等優(yōu)點，中小功率異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)正在逐步被永磁無刷電動機取代，如日本富士公司有0.4300kW的無刷電機系列。目前，一般工業(yè)機械均采用永磁無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)。（5）交流伺服系統(tǒng)隨著電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和各種新穎控制策略的不斷涌現(xiàn)，在高性能伺服驅(qū)動領(lǐng)域，交流伺服系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的直流伺服系統(tǒng)是必然的趨勢。交流伺服系統(tǒng)中所用的電機主要有異步電動機和永磁同步電動機兩大類。采用矢量控制的異步電動機已經(jīng)可以獲得接近直流伺服系統(tǒng)的機械特性和寬的調(diào)速范圍，但是控制較為復雜，且對電機

23、的參數(shù)有較強的依賴性。而由永磁無刷電機構(gòu)成的永磁伺服系統(tǒng)，其外特性完全可與直流伺服系統(tǒng)等效，因此PMSM和BLDCM是交流伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向?？傊?，永磁無刷直流電動機經(jīng)過多年的發(fā)展，在技術(shù)上己經(jīng)逐步成熟，在大量應用中已經(jīng)顯示其優(yōu)良特性，應用領(lǐng)域幾乎可覆蓋所有電動機驅(qū)動領(lǐng)域。1.3 無刷直流電機研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢無刷直流電動機的發(fā)展仍有一系列問題需要探索，最明顯的一個問題就是無刷直流電機的本質(zhì)非線性。由此，近年來，無刷直流電動機非線性控制理論的研究受到空前關(guān)注。與此同時，數(shù)字信號處理器和可編程邏輯器件的發(fā)展，也為開發(fā)和應用一般無刷直流電機非線性控制方法提供了可能性。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)

24、展，無位置傳感器無刷直流電機的控制方法也得以不斷的完善。先后出現(xiàn)多種無位置傳感器的控制方法，常見的有反電動勢法、電感法和電流通路監(jiān)測法。無刷直流電機常用的控制方法是反電動勢法，反電動勢和電機轉(zhuǎn)速是正比的關(guān)系，當電機轉(zhuǎn)速很低時反電勢很小，幾乎檢測不到或檢測不準，致使反電動勢法在轉(zhuǎn)速較低時不能使電機正常運行。電機起動或在低速范圍內(nèi)必須采取其他的方法。達到反電勢可檢測的轉(zhuǎn)速，才能使用反電勢法?？捎糜谄饎拥臋z測方法有三段式起動法、預定位起動法、升頻升壓同步起動法和短時檢測脈沖轉(zhuǎn)子定位起動法等。無刷直流電動機雖然在多種場合得到應用，但是由于存在轉(zhuǎn)矩脈動這個缺點，而轉(zhuǎn)矩脈動和轉(zhuǎn)速有很大關(guān)聯(lián)，故轉(zhuǎn)矩脈動使得

25、電機速度控制惡化。所以減小轉(zhuǎn)矩脈動提高電機性能也一直是國內(nèi)外研究人員不斷探索研究的課題。第2章 無刷直流電機的工作原理及數(shù)學模型2.1 無刷直流電機的結(jié)構(gòu)永磁無刷直流電動機主要由永磁電動機本體，功率電子開關(guān)（逆變器）和轉(zhuǎn)子位置傳感器三部分組成，圖2-1所示為其原理框圖。直流電源通過電力電子開關(guān)給電動機定子繞組供電，由位置傳感器檢測電動機轉(zhuǎn)子位置并發(fā)出電信號去控制功率電子開關(guān)的導通或關(guān)斷，使電動機轉(zhuǎn)動。圖2-1 永磁無刷直流電機原理框圖永磁無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-2所示，各主要組成部分的結(jié)構(gòu)如下所述。圖2-2 無刷直流電機結(jié)構(gòu)原理圖2.1.1 電機本體電動機本體是一臺反裝式的普通永磁直流

26、電動機，它的電樞放在定子上，永磁磁極放在轉(zhuǎn)子上，結(jié)構(gòu)和永磁同步電機結(jié)構(gòu)基本相同。定子鐵心中安放對稱的多組繞組，通常是三相繞組，繞組可以是分布式或集中式，結(jié)成星形或封閉形，各繞組分別與電子開關(guān)中的相應功率管連接。永磁轉(zhuǎn)子多用鐵氧體或釹鐵硼等永磁材料制成，不帶鼠籠繞組等任何的啟動繞組，主要有表面貼裝式或內(nèi)嵌式兩種結(jié)構(gòu)形式，如圖2-3所示：圖2-3永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)2.1.2 逆變器逆變器的主電路有橋式和非橋式兩種，如圖所示。其中，圖2-4（a）、（b）是非橋式開關(guān)電路，其他是橋式開關(guān)電路。在電樞繞組與逆變器的多種連接方式中，以三相星型六狀態(tài)見圖（c）和三相星型三狀態(tài)見圖（a）使用最廣泛。圖2-4 逆變器

27、主電路 （a）星形三相三狀態(tài)；（b）星形四相四狀態(tài)；（c）星形三相六狀態(tài)；（d）封閉三相六狀態(tài)2.1.3 轉(zhuǎn)子位置傳感器位置傳感器與電動機同軸安裝，起著測定轉(zhuǎn)子位置的作用，為逆變器提供正確的換相信息。由于逆變器的導通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而與逆變器一起，起著與有刷直流電機的機械換相器和電刷相類似的作用。位置傳感器種類較多，特點各異。常見的轉(zhuǎn)子位置傳感器有磁敏式、電磁式和光電式三種。(1) 磁敏式位置傳感器磁敏式位置傳感器利用電流的磁效應進行工作，所組成的位置檢測器由與轉(zhuǎn)子同極數(shù)的永磁檢測轉(zhuǎn)子和多只空間均布的磁敏原件構(gòu)成。目前，常用的磁敏原件為霍爾原件和霍爾集成電路，它們在磁場作用下產(chǎn)生霍爾

28、電動勢，經(jīng)整形、放大后得到所需的電壓信號，即位置信號。圖2-5為霍爾集成電路，圖2-5（a）是其外形圖，它和小型的片式晶體管相似?；魻柤呻娐酚芯€性和開關(guān)型，無刷直流電動機中一般使用開關(guān)型。開關(guān)型集成電路由霍爾原件、差分放大器、施密特觸發(fā)器和功率輸出電路組成，如圖2-5（b）所示。圖2-5（c）是霍爾集成電路的輸出特性，其磁滯回線相對于零磁場軸是非常對稱的，霍爾元件輸出電壓的極性隨磁場變化而變化。當外加磁感應強度高于時，輸出電平由高變低，傳感器處于開狀態(tài)。當外加磁感應強度低于時，輸出電平由低變高，傳感器處于關(guān)狀態(tài)。從圖2-5中可以看出，工作特性有一定的磁滯，這有利于開關(guān)動作的可靠性。不同型號的

29、傳感器、和不同，如型號為UGN-3020的開關(guān)型霍爾傳感器，其為0.0220.035T，為0.0050.0165T，為0.0020.0055T。一般，配套的磁鋼感應強度應大于0.15T。圖2-5 霍爾集成電路(a) 外形；（b）電路原理；（c）開關(guān)型輸出特性霍爾位置傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小，但對環(huán)境和工作溫度有一定限制。霍爾位置傳感器是永磁無刷直流電動機中使用較多的一種。（2） 電磁式位置傳感器電磁式位置傳感器利用電磁效應來測量轉(zhuǎn)子位置，其結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。傳感器由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子由磁心、高頻勵磁繞組和輸出繞組組成。定、轉(zhuǎn)子磁心均由高頻導磁材料（如軟鐵氧體）制成。電機運行時，輸入繞組

30、中通入高頻勵磁電流，當轉(zhuǎn)子扇形磁心處在輸出繞組下面時，輸出和輸入繞組通過定、轉(zhuǎn)子磁心耦合，輸出繞組中感應出高頻信號，經(jīng)濾波整形處理后，用于控制逆變器開關(guān)管。這種傳感器機械強度較高，可經(jīng)受較大的震動沖擊，它的輸出信號較大，一般不需要放大便可驅(qū)動開關(guān)管，但輸出電壓是交流，需先整流；缺點是過于笨重復雜。圖2-6 電磁式位置傳感器結(jié)構(gòu)圖1-轉(zhuǎn)子鐵心；2-定子磁心；3-輸出繞組；4-高頻輸入繞組（3） 光電式位置傳感器光電式位置傳感器由固定在定子上的幾個光電耦合開關(guān)和固定在轉(zhuǎn)子軸上的遮光盤所組成，如圖2-7所示。若干個光電耦合開關(guān)沿圓周均勻分布，每個光電耦合開關(guān)由相互對著的紅外發(fā)光二極管VD1和光敏三極

31、管VT1組成。遮光盤P處于發(fā)光二極管和光敏三極管中間，盤上開有一定角度的窗口。紅外發(fā)光二極管通電后發(fā)出紅外光，遮光盤隨電機轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動，紅外光間斷的照在光敏三極管上，使其不斷的導通和截止，它輸出的信號反應了電機轉(zhuǎn)子的位置，經(jīng)VT2放大后驅(qū)動逆變器開關(guān)管。這種傳感器輕便可靠，安裝精度高，抗干擾能力強，調(diào)整方便，獲得了廣泛的應用。圖2-7 光電式位置傳感器另外，隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展和高性能DSP的應用，近幾年來無位置傳感器無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展。結(jié)構(gòu)上，無位置傳感器無刷直流電動機與有位置傳感器無刷直流電動機的主要差別，是前者不使用轉(zhuǎn)子位置傳感器，而使用硬件和軟件來間接獲取轉(zhuǎn)子位置信號

32、，從而增加了系統(tǒng)的可靠性。2.2 無刷直流電機的運行原理下面針對一相導通的星形三相三狀態(tài)和兩相導通的三相六狀態(tài)永磁無刷直流電機，分析它們的工作原理。2.2.1 一相導通星形三相三狀態(tài)圖2-8所示為一臺一相導通星形三相三狀態(tài)永磁無刷直流電動機（P=1），三只光電位置傳感器H1、H2、H3在空間對稱均布，互差120°，遮光盤與電機轉(zhuǎn)子同軸安裝，調(diào)整圓盤缺口與轉(zhuǎn)子磁極的相對位置使缺口邊沿位置與轉(zhuǎn)子磁極的空間位置相對應。圖2-8 星形三相三狀態(tài)無刷直流電動機設缺口位置使光電傳感器H1受光而輸出高電平，開關(guān)管VT1導通，電流流入A相繞組，形成了位于A相繞組軸線上的電磁磁勢。順時針方向超前于轉(zhuǎn)子

33、磁勢 150°電角度，如圖2-9（a）所示。電樞磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢相互作用，拖動轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動。電流流通路徑為：電源正極A相繞組VT1管電源負極。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過120°電角度至2-9（b）所示位置時，與轉(zhuǎn)子同軸安裝的圓盤轉(zhuǎn)到使光電傳感器H2受光，H1遮光，功率開關(guān)管VT1關(guān)斷、VT2導通，A相繞組斷開，電流流入B相繞組，電流換向。電樞磁勢變?yōu)椋陧槙r針方向繼續(xù)領(lǐng)先轉(zhuǎn)子150°電角度，兩者相互作用，又驅(qū)動轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動。電流的流通路徑為：電源正極B相繞組VT2管電源負極。當轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)到圖2-9（c）所示位置時，電樞電流從B相換流到C相，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩繼續(xù)使電機轉(zhuǎn)子旋

34、轉(zhuǎn)，直至重新回到圖2-9（a）位置，完成一個循環(huán)。圖2-9三相三狀態(tài)無刷直流電動機繞組通電順序和磁勢位置圖（a）A相導通；（b）B相導通；（c）C相導通從上面的分析可知，由于同軸安裝的轉(zhuǎn)子位置傳感器的作用，定子三相繞組在位置傳感器信號的控制下依次供電，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過120°，功率管就換流一次，換流順序為VT1VT2VT3。這樣，定子繞組產(chǎn)生的電樞磁場和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁場在空間始終能保持近似垂直（相位差為30°150°電角度，平均90°電角度）的關(guān)系，為產(chǎn)生最大電磁轉(zhuǎn)矩創(chuàng)造了條件。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過120°電角度，逆變器開關(guān)管換流一次，定子磁場狀態(tài)就改變一次?？?/p>

35、見，電機有3個磁狀態(tài)，每一個狀態(tài)對應不同的開關(guān)管導通，每個功率開關(guān)元件導通120°，逆變器為120°導通型；另一方面，每一個狀態(tài)導通的開關(guān)管與不同相繞組相連，每一個狀態(tài)導通一相，每相繞組中流過的電流時間相當于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過120°電角度的時間。同時也可以看出，換相過程中的電樞磁場不是勻速旋轉(zhuǎn)磁場而是跳躍式的步進磁場，由這種磁場產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩就是一個脈動轉(zhuǎn)矩，使電機工作時產(chǎn)生抖動和噪聲，解決該問題的方法之一是增加轉(zhuǎn)子一周內(nèi)的磁狀態(tài)數(shù)，如采用兩相導通的三相六狀態(tài)工作模式。2.2.2 兩相導通星形三相六狀態(tài)對于上述三相永磁無刷直流電動機，當配上圖2-4（c）所示的逆變器時可實

36、現(xiàn)兩相導通星形三相六狀態(tài)，其原理接線如圖2-2所示。當轉(zhuǎn)子永磁體轉(zhuǎn)到圖2-10（a）所示的位置時，轉(zhuǎn)子位置傳感器發(fā)出磁極位置信號，經(jīng)過控制電路邏輯變換后驅(qū)動逆變器，使功率開關(guān)管VT1、VT6導通（見圖2-2），A進B出，繞組A、B通電，電樞電流在空間形成磁勢，見圖2-10（a）所示。此時定、轉(zhuǎn)子磁場相互作用拖動轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動。電流流通路徑為：電源正極VT1管A相繞組B相繞組VT6管電源負極。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60°電角度，到達圖2-10（b）所示的位置時，位置傳感器輸出信號，經(jīng)邏輯變換后開關(guān)管VT6截止、VT2導通，此時VT1仍導通。繞組A、C通電，A進C出，電樞電流在空間合成磁場如圖2

37、-10（b）所示，定、轉(zhuǎn)子磁場相互作用使轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時針方向轉(zhuǎn)動。電流流通路徑為：電源正極VT1管A相繞組C相繞組VT2管電源負極。依次類推，每當轉(zhuǎn)子沿順時針方向轉(zhuǎn)過60°電角度時，功率管就進行一次換流。隨著電機轉(zhuǎn)子的連續(xù)轉(zhuǎn)動，功率開關(guān)管的導通順序依次是：VT1、VT2VT2、VT3VT3、VT4VT4、VT5VT5、VT6VT6、VT1，使轉(zhuǎn)子磁場始終受到定子合成磁場作用而沿順時針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動。圖2-10 兩相導通三相六狀態(tài)工作原理示意圖（a）A、B相導通；（b）A、C相導通從圖2-10（a）、（b）的60°電角度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子磁場順時針連續(xù)轉(zhuǎn)動，而定子磁場在空間保持2-10

38、（a）中位置不動，只有當轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)過60°電角度到達圖2-10（b）中的位置時，定子合成磁場才從圖2-10（a）中位置順時針躍變至圖2-10（b）中的位置。定子合成磁勢在空間也是一種跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場，其步進角度為60°電角度，即1/6周期。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60°電角度，逆變器開關(guān)管換流一次，定子磁場狀態(tài)就改變一次?？梢?，與一相導通三相三狀態(tài)不同，兩相導通三相六狀態(tài)控制方式時電機有6個磁狀態(tài)，每一個狀態(tài)各不同相的上、下橋臂開關(guān)管導通，每個功率開關(guān)元件導通120°電角度，逆變器為120°導通型；另一方面，每一個狀態(tài)導通的兩個開關(guān)管與不同相繞組相連，每一個狀

39、態(tài)導通兩相，每相繞組中流過電流的時間相當于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過120°電角度的時間。兩相導通星形三相六狀態(tài)永磁無刷直流電動機的三相繞組與開關(guān)管導通順序見關(guān)系表I。表I 兩相導通星形三相六狀態(tài)三相繞組和開關(guān)管導通順序表 電角度 0° 60° 120° 180° 240° 300° 360° 導通順序ABCBCAB VT1 導通 VT2 導通 VT3 導通 VT4 導通 VT5 導通 VT6 導通 導通2.3無刷直流電機的數(shù)學模型不同于永磁同步電機的正弦波反電勢，無刷直流電機的反電勢為梯形波，包含有較多的高次諧波，定子和轉(zhuǎn)子的互感

40、是非正弦的，且無刷直流電機的電感為非線性。同時，由于d 、q方程只適用于氣隙磁場為正弦分布的電機，因此采用d 、q變換理論已不是無刷直流電機有效的分析方法。如果將繞組電感表示為級數(shù)形式，同時采用多參考坐標理論，也可以進行這種坐標變換，但是運算非常繁瑣；若僅僅取其基波進行變換，則計算結(jié)果誤差比較大。而直接利用電機原有的相變量來建立數(shù)學模型不僅方便，反而能獲得較為準確的結(jié)果。在此，直接采用相變量法，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置，采用分段線性表示感應電動勢。為簡化數(shù)學模型的建立，在電機模型建立時，認為電機氣隙是均勻的。并作以下假設：（1）忽略齒槽效應，三相繞組完全對稱，均勻分布于光滑定子的內(nèi)表面； （2）忽略磁路飽

41、和，且不計渦流和磁滯損耗； （3）不考慮電樞反應，氣隙磁場分布近似為矩形波，平頂寬度為 120°電角度； （4）轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組，永磁體不起阻尼作用。2.3.1 基本方程（1）電樞感應電動勢在永磁無刷直流電動機中，大量使用方波形狀的氣隙磁場，其理想波形如圖2-11（a）所示，當定子繞組采用集中整距繞組時，方波磁場在定子繞組中感應的電動勢為梯形波。對于兩相導通的三相星形六狀態(tài)無刷直流電機，方波氣隙磁感應強度空間的寬度應大于120°，在定子繞組中感應的反電動勢的平頂寬度也應該大于120°電角度，方波電流寬度為120°電角度。電流與梯形波反電動勢同相位，如圖

42、2-11（b）所示： 圖2-11（a）方波氣隙磁場波； （b）梯形波反電動勢與方波電流設電樞每相繞組串聯(lián)匝數(shù)為W，每相感應電動勢為 （2-1） （2-2）式中，e為單根導通在氣隙磁場中的感應電動勢；為氣隙磁感應強度，為導體的軸向有效長度；為導體相對于磁場的線速度。由于 （2-3）方波氣隙磁感應強度的每極磁通為 （2-4）式中，n、D、p分別為電機轉(zhuǎn)速、電樞內(nèi)徑、極距和極對數(shù)；為極弧系數(shù)。將式（2-2）、式（2-3）和式（2-4）帶入式（2-1）得每相繞組的感應電動勢為： （2-5）則線電動勢為： （2-6）式中，為電動勢常數(shù)。根據(jù)圖2-11（b）即可得出每相繞組反電動勢在02內(nèi)的表達式，如表I

43、I所示:表II 每相繞組反電動勢在02內(nèi)的表達式 0A相反電動勢（2）電樞電流每個導通時間內(nèi)有電壓平衡方程式為 （2-7）式中，U、和分別為電源電壓、一個功率管飽和壓降、每相電樞繞組電流和每相繞組電阻。由式（2-7）得 （2-8）（3）電磁轉(zhuǎn)矩電機的電磁轉(zhuǎn)矩 （2-9）式中，為電機的機械角速度。則有 （2-10） 其中（4）轉(zhuǎn)速將式（2-6）帶入式（2-7）得 （2-11） （5）電動勢系數(shù)與轉(zhuǎn)矩系數(shù)電動勢系數(shù)為 （2-12）轉(zhuǎn)矩系數(shù)為 （2-13）2.3.2 電壓方程（1）相電壓對于三相星形連接的繞組來說，相電壓指相繞組兩端的電壓，即繞組端部到中心點的電壓。以A相繞組為例，A相相電壓即圖2-

44、12中的。圖2-12 相電壓，端電壓原理圖在如上假設條件下，利用基爾霍夫電壓定律（KVL）得到三相繞組的電壓平衡方程為： （2-14）式中 、 、定子相繞組電壓（V）； 、 、 定子相繞組電流（A）； 、 、定子相繞組電動勢（V）； L 每相繞組自感（H）； M 每兩相繞組間的互感（H）； P 微分算子 P=d/dt。 由于轉(zhuǎn)子磁阻不隨轉(zhuǎn)子位置變換而變化，因而定子繞組的自感和互感為常數(shù)。對于星形連接的三相繞組，且沒有中線，則有 （2-15）所以有 （2-16）將式（2-15）和式（2-16）代入式（2-14）中，得到無刷直流伺服電機的電壓方程為： （2-17）由上式得到無刷直流伺服電機的等效電

45、路圖，如圖 2-13所示。 圖2-13 無刷直流電機的等效電路圖（2）端電壓實際應用中，無刷直流電機定子繞組大多為星形接法且中性點不引出，相電壓難以直接測量，基于相電壓的數(shù)學模型在某些場合并不適用。相比之下，端電壓測量較為簡單，以A相繞組為例在圖2-12中即為A相繞組端電壓。對于三相星型連接的繞組來說，所謂端電壓是指繞組端部至電源地之間的電壓。從圖2-12中不難看出端電壓就是在相電壓的基礎(chǔ)上加上了中心點電壓。用表示中心點對地電壓，所以有 （2-18）根據(jù)三相繞組的對稱性，由式（2-14）可以推導出三相繞組端電壓平衡方程的矩陣表達式為 （2-19）任一時刻只有兩相繞組導通，導通的兩相繞組中的電流

46、大小相等、方向相反，第三繞組懸空，電流為零，將矩陣中三個方程相加得 （2-20）假設該時刻A相繞組懸空，B、C相繞組導通，則B、C相繞組反電動勢大小相等、方向相反，將式（2-18）帶入式（2-20）可得 （2-21）繞組導通時，假設C相流入，B相流出，則C相繞組和B相繞組的端電壓之和等于電源電源U，則 （2-22）將式（2-22）帶入式（2-18）可得 （2-23）2.4 無刷直流電機的運行特性2.4.1 機械特性由式（2-11）可得永磁無刷直流電動機的機械特性為 （2-24）可見，無刷直流電動機的機械特性與有刷直流電動機的機械特性表達式相同。圖2-14所示的機械特性曲線產(chǎn)生了彎曲的現(xiàn)象，是由

47、于當轉(zhuǎn)矩較大，開關(guān)管管壓降隨著電流增大而增加較快，加在繞組上的電壓有所減小，使特性曲線偏離直線而向下彎曲。圖2-14 機械特性曲線2.4.2 調(diào)節(jié)特性根據(jù)式（2-8）、式（2-10）和式（2-11）可分別求得調(diào)節(jié)特性的始動電壓和斜率K，即 （2-25） （2-26）得到調(diào)節(jié)特性曲線如圖2-15所示。圖2-15 調(diào)節(jié)特性從機械特性和調(diào)節(jié)特性可見，永磁無刷直流電機具有與有刷直流電動一樣良好的控制性能，可以通過改變電壓實現(xiàn)無級調(diào)速。2.4.3 工作特性工作特性是指電機運行時，相電流、輸出功率和電機效率三者之間在外接電壓不變的情況下的相互關(guān)系。電機的輸入功率為： （2-27）其中，是電樞繞組的銅耗，是

48、電磁功率，是功率器件損耗。電機的效率為: （2-28）電磁功率和電機損耗組成了電機損耗功率，由上式可知，負載為零，效率就等于零，負載增加，效率也增加，與是不隨著負載變化的損耗，而隨著負載增加，電流增大而增大，當時，效率達到最大值，負載繼續(xù)增加則效率開始下降，如圖2-16所示。 圖2-16相電流和效率隨負載轉(zhuǎn)矩變化的曲線2.4.4 起動特性對啟動的特性分析，主要是指電機在恒定直流電壓作用下，轉(zhuǎn)速和電流在轉(zhuǎn)速由零值上升到穩(wěn)定速度值過程中的變化曲線。以A相為例，在電機剛開始啟動時，沒有反電動勢，但是存在功率管的管壓降，還有相電阻，因此相電為： （2-29）在電機的啟動階段，啟動電流往往很大，因為管壓

49、降和相電阻一般很小，反電動勢又還不存在，導致轉(zhuǎn)矩也會很大，能夠讓電機快速啟動，轉(zhuǎn)速也跟著快速增加，又因為反電動勢與轉(zhuǎn)速成正比，因此反電動勢也從無到有，也隨之不斷增加，此時電流增速開始變慢，轉(zhuǎn)速加速度也開始變慢，當轉(zhuǎn)速達到額定值的時候，電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩就達到一個動態(tài)平衡。運行特性如圖2-17所示。 圖2-17電機啟動電流與轉(zhuǎn)速曲線關(guān)系圖2.5 無刷直流電機的傳遞函數(shù)無刷直流電機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-18所示。 圖2-18 電機動態(tài)結(jié)構(gòu)圖由此動態(tài)圖可以推出其傳遞函數(shù)： （2-30）其中：為電動勢傳遞函數(shù)，為電動勢系數(shù)； 為轉(zhuǎn)矩傳遞函數(shù)，R為電機內(nèi)阻，為轉(zhuǎn)矩系數(shù)； 為機電時間常數(shù)，G為轉(zhuǎn)子重量，D為

50、轉(zhuǎn)子直徑。 第3章 無位置傳感器無刷直流電機的檢測技術(shù)及起動方法3.1 無位置傳感器檢測技術(shù)3.1.1 有位置傳感器無刷直流電機的缺陷無刷直流電機運行時需要檢測轉(zhuǎn)子位置信號，以控制逆變器功率管的換流，實現(xiàn)電機的調(diào)試運行。帶位置傳感器無刷直流電動機控制是通過位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置，以保證各相繞組的換流。相對而言，其控制方法簡單，控制成本低。然而，帶位置傳感器有其自身不可避免的缺點：(1) 增加了電機的體積。安裝了位置傳感器后，電機結(jié)構(gòu)變得復雜了，也相對增大了電機體積，妨礙了電機的小型化，特別是對微型電機。(2) 增加了電機成本。容量在數(shù)百瓦以下的小容量方波型永磁無刷直流電機常用的霍爾IC傳感器的

51、成本，相對于電機本體來說所占比例比較大。同樣，對于小容量的正弦電機，采用旋轉(zhuǎn)變壓器或光電碼盤等傳感器，其成本往往也很高。(3) 可靠性差。一臺三相方波電機采用霍爾IC傳感器，至少增加五根連線。過多的引線使得系統(tǒng)的可靠性變差。(4) 傳感器的輸出信號易受干擾。傳感器的輸出信號都是弱電信號，在高溫、低溫、濕度大、有腐蝕物質(zhì)、空氣污濁等工作環(huán)境及振動、高速運行等工作條件下，都會降低傳感器的可靠性。若傳感器損壞，還可能連鎖反應引起逆變器等器件的損壞。(5) 傳感器的安裝精度對電機的運行性能影響很大，相對增加了生產(chǎn)工藝的難度。由此可見，雖然帶位置傳感器的控制方式簡單、方便，但有一定程度上限制了永磁無刷直

52、流電機的推廣和應用，相對而言，無位置傳感器方式在控制上有更大的靈活性和比較大的優(yōu)勢。在很多特殊場合，比如冰箱、空調(diào)中的壓縮機等由于工作環(huán)境差，必須采用無位置傳感器控制方式。因此，無刷直流電機的無位置傳感器控制近年來日益受到人們的重視，同時其應用也越來越廣泛。3.1.2 無位置傳感器控制方法的提出無位置傳感器控制方式一般是指電機無機械位置傳感器，即不在無刷直流電動機的定子上直接安裝位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子位置。但是在電機的控制運行中，轉(zhuǎn)子位置換相信號是必需的。所以，永磁無刷直流電機的無位置傳感器控制的關(guān)鍵是設計轉(zhuǎn)子信號檢測電路，從硬件和軟件兩個方面來間接獲取轉(zhuǎn)子的位置信號。檢測得到轉(zhuǎn)子位置信號后電機

53、的控制方法，與有位置傳感器控制法相同。目前，大多是利用定子電壓、電流等容易獲取的物理量進行轉(zhuǎn)子位置的估算，以獲取轉(zhuǎn)子位置信號，較為成熟的方法有反電動勢過零檢測法、鎖相環(huán)技術(shù)法、定子三次諧波和電感法等，其中，反電動勢過零檢測法具有線路簡單、成本低、性能可靠等優(yōu)點，是目前應用較多的一種無位置傳感器無刷直流電機控制方法。3.1.3 反電勢過零檢測法1.“反電動勢法”無位置傳感器無刷直流電機控制原理根據(jù)電機學原理，在無刷直流電機中，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場會在定子繞組中產(chǎn)生感應電動勢，由于該電動勢方向與繞組電流方向相反，所以稱其為反電動勢；另一方面，由前面分析知道，當定子繞組采用集中整距繞組，方波磁場在定子繞組中

54、感應的電動勢為梯形波?！胺措妱觿莘ā睙o位置傳感器控制方法主要面向的就是這種具有方波氣隙磁通密度分布、梯形波反電動勢是無刷直流電機。如圖3-1（a）所示，在時刻轉(zhuǎn)子d軸滯后B相繞組軸線電弧度。為使電機轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動，觸發(fā)逆變器功率管VT1和VT2，電流經(jīng)VT1管，從A相繞組流入，C相繞組流出，再由VT2管回到電源。B相繞組不通電，沒有電流流通，稱為懸空相。這時，定子合成磁場方向為圖3-1（a）中方向，和轉(zhuǎn)子磁場相互作用，推動轉(zhuǎn)子繼續(xù)朝順時針方向轉(zhuǎn)動。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過電弧度后，在時刻，轉(zhuǎn)子d軸真好與B相繞組軸線相重合，此時B相繞組反電動勢為零，如圖3-1（b）所示。理想情況下，反電動勢過零點出現(xiàn)在每次換向后30°電角度時刻。反過來說，從反電動勢過零時刻開始，延遲30°電角度時間后就是下一次換相時刻。圖3-1 “反電動勢法”原理圖(a) 定轉(zhuǎn)子磁勢相對位置；（b） 梯形波反電動勢2. “反電動勢法”的實現(xiàn)由“反電動勢法”的原理圖可知，只要知道反電動勢的過零點就知道轉(zhuǎn)子位置信息。但是，在實際應用中，繞組中的反電動勢是難以直接獲得的，因此，需要采用其他方法來獲取反電動勢波形，找出過零點。目前，對應于反電動勢過零檢測有兩種有效的方法，稱之為“相電壓法”和“端電壓法”。 （1）相電壓法。對于兩相導通的星形三相六狀態(tài)永磁無刷直流電機工作原理的分析可知，無刷直流電機任意一相繞