（控制理论与控制工程专业论文）基于st7mc的无刷直流电机控制系统设计.pdf

摘要 随着高性能稀土永磁材料、微电子技术、现代智能控制技术和电力电子技 术特别是大功率半导体器件的发展，永磁无刷直流电机得到了越来越迅速的发展 和广泛的应用，在许多场合丌始逐步取代其它种类的电机。为适应无刷电机的进 一步发展，无位置传感器无刷直流电机应运而生，并逐步耿代带位置传感器的无 刷直流电机，使得无刷直流电机的发展与应用步上一个新的台阶。 针对无位置传感器无刷直流电机控制的关键转子位置检测，本论文提 出了基于s t 7 m c 的全数字反电动势法解决方案。以数字滤波器代替模拟滤波器， 三电阻构成输入通道，避免了滤波延时，提高了信噪比：硬件结构简单可靠，集 成度高；信号无衰减且灵敏度高。在分析无刷直流电机转矩脉动原因和不同 p w m 载波方式对电机换相转矩脉动影响的基础上，本论文对p w m 载波方式进 行了优化，以减小电机换相转矩脉动。在闭环调速时，由于传统的p i 调节难以 同时满足系统的动、静态性能，所以本论文采用一种智能型p i 调节器。其响应 速度快，超调量小，动态性能指标优越，鲁棒性强；具有参数自调整能力，可适 应各种复杂工况，大大提高了系统性能。 本论文基于s t 7 m c 单片机完成了无位置传感器无刷直流电机控制系统的 软硬件设计，系统集成度高、外围设计简单、系统成本低且能保持很高的控制精 度和性能。 关键词：无刷直流电机、反电动势法、s t 7 m c 、转矩脉动、智能型p i 调节器 浙江大学硕士学位论文基于s t 7 m c 的无刷直流电机控制系统设计 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g hp e r f o r m a n c et h u l i u mp mm a t e r i a l s m i c r o e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g y ，m o d e mi n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yh i g h p o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e s ，p mb l d c m h a sb e e nd e v e l o p e d m o r ea n dm o r er a p i d l ya n da p p l i e de x t e n s i v e l y ，w h i c hg r a d u a l l yr e p l a c e do t h e rt y p e s o fm o t o r si nm a n yo c c a s i o n s t om e e tt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fb l d c m p o s i t i o n s e n s o r l e s sb l d c me m e r g e d ，w h i c hg r a d u a l l yr e p l a c e dp o s i t i o ns e n s o rb l d c ma n d m a d et h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f b l d c m s t e pan e wl e v e l a i m i n ga tt h ec o n t r o lk e yo fp o s i t i o ns e n s o r l e s sb l d c m r o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o n t e c h n o l o g y o nt h eb a s eo fs t 7 m c t h i sp a p e rp r e s e n t e dt h es o l u t i o no fa l l d i g i t a l b e m fm e t h o d r e p l a c i n gd i s c r e t ea n a l o gf i l t e rw i t he m b e d d e dd i g i t a lf i l t e r w i t h 3 - r e s i s t a n c ei n p u tc h a n n e l ，t h i sm e t h o da v o i d e df i l t e r i n gd e l a ya n dp r o v i d e ds i m p l e r e l i a b l eh a r d w a r es t r u c t u r e ，w i t hh i g hs e n s i t i v i t y , h i g hi n t e g r a t i o n ，m i n i m u mh a r d w a r e c o s t ，n os i g n a la t t e n u a t i o na n dh i g hs i g n a lt on o i s er a t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h e r e a s o n so fb l d c mt o r q u er i p p l ea n dt h ee 仃e c to fd i f f e r e n tp w mc a r r i e rw a y so n m o t o rc o m m u t a t i o nt o r q u er i p p l e ，t h i sp a p e ro p t i m i z e dp w mc a r r i e rw a yt or e d u c e c o m m u t a t i o nt o r q u er i p p l e a st h et r a d i t i o n a lp 1r e g u l a t i o nw a sv e r yh a r dt os a t i s f ya s y s t e m sd y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c ea tt h es a m et i m ew h e nr e g u l a t i n gs p e e di n c l o s e dl o o p ，t h i sp a p e ra d o p t e dak i n do fi n t e l l i g e n tp ir e g u l a t o rw i t hh i g hr e s p o n s e s p e e d ，s m a l io v e r s h o o t ，e x c e l l e n td y n a m i cp e r f o r m a n c e s t r o n gr o b u s t n e s sa n d p a r a m e t e r sa u t o - t u r ca b i l i t yt 0a d a p tm a n yc o m p l e xc o n d i t i o n s w h i c hi m p r o v e dt h es y s t e m p e r f o r m a n c e b a s e do ns t 7 m c ，t h i sp a p e rc o m p l e t e dt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no ft h e p o s i t i o ns e n s o r l e s sc o n t r o ls y s t e mw i t i lh i 曲s y s t e mi n t e g r a t i o n ，s i m p l ep e r i p h e r y d e s i g na n dl o ws y s t e mc o s t ，w h i c hs t i l lk e p th i 曲c o n t r o lp r e c i s i o na n dp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：b l d cm o t o r 、b a c ke m f 、s t 7 m c 、t o r q u er i p p l e 、 i n t e l l i g e n tp ir e g u l a t o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝望蠢鲎或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位敝作者繇刁阌签字隰 7 年2 月勿同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂姿盘茎有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权逝垄盘堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者答名：却闰 料嗍：印年兽月加同 f 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： e m a i l 地址 导师签名： 签字日期：朋年争月l o 日 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 基于s t 7 m c 的无刷直流电机控制系统设计 1 1 引言 第一章绪论 由于需要电刷进行机械换向，传统的直流电机可靠性差，需要经常维护： 而且换向时容易产生电磁干扰，噪声大，影响了直流电机在控制系统中的进一步 应用。为了克服机械换向带来的缺点，随着现代电子技术和永磁材料的发展，以 电子换向装置取代机械换向装置的无刷直流电机应运而生。它不仅保持了直流电 机宽阔而平滑的优良调速性能，运行效率高且无励磁损耗，克服了有刷直流电机 机械换向带来的一系列缺点，同时还具备交流电机结构简单、运行可靠、维护方 便等优点，使得无刷直流电机在国民经济各个领域得到了广泛的应用，在许多场 合丌始逐步取代其它种类的电机。 永磁无刷直流电机是闭环机电一体化系统，以转子磁极位置信号决定电子 开关电路的换相。因此，准确检测转子位置并根据转子位置及时对功率器件进行 切换，是无刷直流电动机t f 常运行的关键。传统的永磁无刷直流电机通常采用电 磁式、光电式、霍尔磁敏式等各种外置式位置传感器检测转子位置信号。但位置 传感器的存在，增加了无刷直流电动机的重量和结构尺寸，且不易安装和维护； 同时，传感器的安装精度和灵敏度直接影响电机的运行性能；而应用最多的霍尔 传感器存在一定的磁不敏感区；其次，过多的传输线使系统易受干扰且可靠性降 低：再次，在某些恶劣的工作环境中，常规的位置传感器根本就无法使用。为适 应无刷电机的进一步发展，无位置传感器无刷直流电机应运而生。目前永磁无刷 直流电机无位置传感器控制研究的核心和关键就是架构转子位置信号检测电路， 从软硬件两个方面来问接获得可靠的转子位置信号，借以触发相应的功率器件进 行电子换相。 本论文的研究内容即为无位置传感器无刷直流电机的控制系统设计。 注：后面章如无特镪说明。论文中所指无融直流电机均为方渡翠永磁无鼬直流电机， 理想情况h 其电流为力渡反电动耱勾1 2 0 。波琐宽瘦桷梯形波。 浙江大学硕士学位论文 基于s t 7 m c 的无刷直流电机控制系统设计 1 _ 2 课题的研究背景 1 2 1 无刷直流电机的发展 无刷直流电机的发展至今已有5 0 多年的历史。传统的直流电机需要电刷机 械换向而可靠性差，需要经常维护且换向时易产生电磁干扰和火花，噪声大。在 此背景下，随着现代电力电子技术特别是大功率电子器件的迅速发展，无刷直流 电机应运而生。 早在1 9 1 7 年，b o l i g e r 就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，从 而诞生了无刷直流电机的基本思想。2 0 世纪3 0 年代，就有人丌始研制用电子管 线路取代机械滑动接触的永磁无刷直流电机，但由于当时大功率电子器件的发展 尚处于起步阶段，技术水平和制造成本的限制，使这种电机没有得到推广应用。 直到1 9 5 5 年，美国d h a r r i s 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，标志着现代无刷电机的诞生。2 0 世纪7 0 年代以来，随着电力电子工 业的飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件相继出现，如g t r 、m o s f e t 、 i g b t 等，以及高能永磁材料如钐钻、钕铁硼等的问世，均为永磁无刷直流电机 的广泛应用奠定了峰实的基础。1 9 7 8 年，原西德m a n n e s m a n n 公司的 n d r a m a t 分部推出经典m a c 无刷直流电动机及其驱动器，从而标志着电子换相的无刷直 流电机真正进入实用阶段。人们开始用位置传感器和电子换相线路来代替有刷直 流电动机的机械换向装置，出现了磁电耦合式、光电式及霍尔元件作为位置传感 器的无刷直流电机。之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研 制成方波无刷直流电机和f 弦波无刷直流电机。 随着微电子技术的快速发展，数字信号处理器d s p 的出现使许多控制算法 的实现成为可能，位置传感器的无刷直流电机逐步被无位置传感器无刷直流电机 取代，这也是实际应用中提出的要求。近几年出现了专f - i n 于电机控制的高性能、 低价位的d s p 和单片机( 如s t 7 m c ) ，使永磁无刷直流电机的全数字无传感器 控制成为研究的热点，它克服了位置传感器的种种弊端，大大的提高了电机的控 制精度，简化了应用方案，使无刷直流电机的发展和应用步上一个新的台阶。 浙江大学硕士学位论文 基于s t 7 m c 的无刷直流电机控制系统设计 1 2 2 无刷直流电机的特点及应用 作为电机技术和电子技术结合的机电一体化产品，无刷直流电机具有与普 通有刷直流电动机相似的机械特性。除了调速范围宽、起动力矩大、效率高等优 点以外，还具有如下特点l i j ： ( 1 ) 与电子技术相结合，采用电子驱动控制器实现电子换向代替机械接触换 向，没有电刷和换向器的电气接触火花和磨损，电磁干扰小，可工作于高速，电 机运行稳定，寿命长，工作可靠性高。 ( 2 ) 电机结构上，定子为电枢绕组，定子绕组与机壳相接触，散热面积大， 散热效果好。永磁材料作转子，无通电绕组，几乎无损耗和发热，效率高。 ( 3 ) 电子线路部分与电机本体分丌，实现对电动机的良好控制。如可以不改 变电源总线电压，通过改变逻辑信号顺序，实现电机的正反转，通过改变逻辑 部分p w m 的占空比，实现电机的调速控制；通过位置传感器可实现速度闭环， 使电动机在一定速度下稳定运行。 ( 4 ) n i 作于高真空、有腐蚀性气体介质和液体介质等特殊环境中，例如宇 航设备。 ( 5 ) 与数字化技术、现代控制理论结合，有较好的可控性，调速范围宽，使 电机向智能化方向发展。 无刷直流电动机诈在高性能的应用领域内逐步取代其它类型电机，占据主 导地位是一个不可逆转的趋势。其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、 信息、家电、汽车、电动工具以及工业自动化等领域迅速发展，具有广泛的应用 前景【2 1 。在军事领域，无刷直流电机能满足现代军用电机高性能、高精度、高 可靠性和轻型化的严格要求，同时能适应恶劣环境，如高低温、高空、振动冲击 和三防等。在航空航天领域，无刷直流电机可以工作于高真空，广泛应用于各种 宇航设备中。在精密电子设备如信息、医疗等领域，由于电子线路均由直流电源 供电，且要求电机具有调速、稳速、定位控制等特性，大多数精密设备中均采用 无刷直流电机驱动控制，如计算机硬盘、软盘、c d 唱机、医疗诊断c t 机、治 疗用高速牙转等。在家电行业，以微处理器控制的无刷直流电机具有十分宽的调 速范围，且噪声低、效率高，可实现一定的“智能”操作，使家电产品实现省电、 多功能自动控制，获得很好的节能和节材效果。在汽车和电动车领域，现代汽车 浙江大学硕士学位论文 基于s t t m c 的无刷直流电机控制系统设计 自动化程度很高，使用了多种类型的电机，其中无刷直流电机在很多难以维修部 件中采用。另外，电动车作为无污染的未来交通工具，受到各国工业界的重视， 而无刷直流电机是其最理想的动力源。在工业自动化领域，目阿已应用的有高档 数控加工设备以及一些工业加工设备。另外，工业机器人的驱动控制对速度、力 矩和定位控制均有要求，成为无刷直流电机的主要应用领域之一。 1 2 3 无刷直流电机的研究现状 当i | 订，国内外对无刷直流电机，特别是无位置传感器的无刷直流电机的研 究主要集中在起动、转子的位置检测以及减少转矩脉动几个方面： 1 无位置传感器无刷直流电机的起动 无位置传感器无刷直流电机在起动时，绕组的感生电动势为零或者很小， 无法依次判断电机转子磁极的位置，也就无法实现电机自动换相。因此必须用其 他方法实现电机起动。起动方法主要有：通过机械或其他方法，使电机从可知 的位置起动或在特定的位置停止；对于凸极电机，可以采用对特定绕组施加电 压，并观测其电流的询问法；采用如卡尔曼滤波器的方法，通过电流检测转子 位置；开环起动技术。 开环起动技术现在通常被称为“三段式”起动技术，即首先对转子进行定位， 然后采用外同步的方式，使电机逐步加速至预定速度，当可以稳定得到反电势过 零点信号时切换到自同步方式进行。其过程为： ( 1 ) 定位：导通预定绕组，并控制电流，使转子转动到预定位置。 ( 2 ) 加速：按适当的顺序导通绕组，控制电压和换相时间，使电机转速逐步 上升。 ( 3 ) 切换：即将电机从外同步方式切换到自同步方式。当电机的转速达到可 以稳定检测反电势过零点时，就可以按照控制策略切换到自同步状态。 由于“三段式”方法与电机的自身特性、负载转矩、外施电压、加速曲线 等密切相关，因此实际应用中，需要进行多次的调试来确定最佳切换时刻和速度。 2 无位置传感器无刷直流电机的位置检测方法 无位置传感器无刷直流电机转子位置检测的方法主要有：反电动势法、续 流二级管法、电感法和状态观测器法i 】。 4 浙江大学硕士学位论文基于s t 7 m c 的无刷直流电机控制系统设计 反电动势法基本原理就是在忽略永磁无刷直流电机电根反应影响的前提 下，利用转子旋转时定子绕组“悬浮相”( 未导通相) 产生的反电动势进行位置检 测。国外还提出把三相反电动势首先由方波转化成三相对称诈弦波，再通过星形 连接，得到中心点电平来代替零电平的方法来得到精确0 + 点，减小位置检测 误差。续流二极管法又称“第三相导通法”，它是通过检测反向并联于逆变桥功 率丌关管上续流二极管的导通状态来获得转子的位置。其基本原理还是反电势 法，但是从电流角度来考虑反电动势的。电感法是通过检测绕组电感因转子位置 改变而发生的相应变化，经过一定的计算得到转子的位置信号。状态观测器法即 转子位置计算法，是将电机三相电压、电流作坐标变换，在派克方程的基础上估 算出电机转子位置的方法。这种方法同卡尔曼滤波法一样，需要大量的计算，直 到近年单片机性能和d s p 的发展j 得以应用。 此外，国内外还出现了其他一些转子位置检测方法，涡流法在转子表 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束获得转 子位胃信号的方法：模糊控制和神经网络控制法一通过自适应技术、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；转子磁链法通过相电压、线电流信号计算出定子绕组各相的磁链，再 根据磁链得到转子位置信号的方法；电流检测法根据电流波形决定换相时序 的方法以及矢量表法等。这些方法或因实现难度较大，或因应用条件荷刻，或因 检测误差太大等缘故，应用都不是很广泛，都只能在特定场合个别应用。 国内对无位置传感器无刷直流电动机的间接转子位置检测方法的研究起步 稍晚，而且大部分集中于对反电势的研究。本课题提出的基于s t 7 m c 的反电动 势法结构简单且灵敏度高，赋予了反电动势法更大的生命力。 3 无刷直流电机的转矩脉动 引起无刷直流电机转矩脉动的原因很多，主要有电枢反应、电流换相、齿 槽效应、电流调节误差和机械加工等因素【4 j 。 国内外就如何减小电机转矩脉动做了很多研究，取得了显著的结果。国内： 文献【5 】分析电根反应引起的转矩脉动，并在设计磁路和换相控制两个方面提出 了削弱电枢反应对转矩脉动的影响。文献 6 】利用转矩观测器间接转矩反馈方法， 浙江大学硕士学位论文基于s t 7 m c 的无刷直流电机控制系统设计 利用反电势、相电流、电机转速作为输入信号，脉动转矩作为输出信号构成脉动 转矩观测器，实时在线估计转矩的大小变化，针对不同的情况作相应的补偿。这 种方法虽然复杂，但完全能在线控制转矩，对各种转矩都有抑制作用，且不需要 直接测量电机输出的瞬时转矩。国外：文献【7 】根据换相过程中端电压方程的推 导，在未参与换相那一相的相电压保持不变的条件下，控制换相过程中的脉冲占 空比，以减小换相转矩脉动。文献 8 建立无刷直流电机的动态数学模型，推导 了换相过程中的三相电流方程，并由此计算出换相过程中电机脉动表达式，得到 减小换相转矩脉动的条件：同时，利用状态观测器对电机参数进行辨识，以减小 参数变化对换相转矩脉动的影响，仿真结果表明这种方法在很大程度上减小了换 相转矩脉动。文献 9 】【1 0 】对电机的相电压和相电流进行f o u r i e r 级数分解，推导 出转矩结果也具有基波和高次谐波，针对转矩谐波通过调节绕组的导通相位作相 应的补偿，达到消除谐波转矩的目的，这种方法虽然计算量比较大，但是控制精 度高。文献 1 1 】把电机的端电压在同一导通时1 自j 内分解成三段，通过调节各小段 的导通相位和时徊j ，使之产生的谐波恰好和转矩高次谐波抵消，其效果比较理想。 文献【1 6 】更是分别从六个方面对当甜国内外抑制无刷直流电机转矩脉动的 研究作了十分详尽的介绍：齿槽转矩抑制技术、反电动势波形优化设计、方波型 无刷直流电动机换相转矩脉动抑制、非理想反电动势无刷直流电机转矩脉动抑 制、闭环转矩直接控制、先进控制策略以及人工智能技术在转矩脉动抑制中的应 用等。涵括了上一段所涉及的研究成果和方法。 本课题从方波型无刷直流电动机换相转矩脉动抑制出发优化p w m 调制方 式来减小电机的转矩脉动。 1 3 课题的研究内容 本课题的研究内容是基于s t 7 m c 的无位置传感器无刷直流电机控制系统 设计。以上海臻妙电气有限公司的z m w 9 2 1 1 0 0 a 型无刷直流电机为控制对象， 其额定功率为1 i k w ，额定电压为2 2 0 v a c ，额定转速为3 5 0 0 r p m ，额定转矩为 2 6 n m ，额定电流为6 5 a 。本课题完成控制系统的软硬件设计，实现无位置传感 器无刷直流电机的起动、调速与制动等控制，并提高系统性能。 i 目前大多数的转子位置检测方法或因实现难度较大算法复杂不易控制， 6 浙江大学硕士学位论文基于s t 7 m c 的无刷直流电机控制系统设计 或因应用条件荷刻，或因检测误差太大等缘故，应用都不是很广泛。本课题基于 s t t m c 微处理器实现全数字反电动势法检测转子位置，以数字滤波器代替传统 的模拟滤波器，硬件结构简单且软件实现容易，灵敏度和信噪比高，检测准确， 从而赋予了反电动势法新的生命力。 2 针对无刷直流电机的转矩脉动，从电流换相的角度考虑减少转矩脉动。 在分析不同p w m 调制方式对换相转矩脉动影响的基础上，通过优化p w m 调制 方式来减少电机换相转矩脉动，从而使电机运行更加平稳，减小噪音。 3 提高无刷直流电机的调速性能，采用转速闭环控制。由于传统p i 控制 算法难以同时满足系统的动、静态性能，且在快速调节时会带来过大的退饱和超 调，严重时还会导致系统振荡。所以必须研究采用更先进的控制算法满足系统的 调速性能。本课题采用一类智能型p i 调节器，响应速度快、超调量小、动态性 能指标优越且参数具有白调整能力、鲁棒性强。 4 基于s t 7 m c 完成系统的软硬件设计。由于控制电机功率较大，电压高 电流大，在设计时考虑干扰问题，保证硬件稳定可靠。 1 4 课题的研究意义与技术可行性分析 1 4 1 课题的研究意义 随着微电子技术的飞速发展，高性能的单片机和数字处理器d s p 逐渐改变 了传统的电机控制方式，使得许多控制思想得以实现，极大的提高了控制性能。 随着集成度的提高，专用的电机控制微处理器成为发展方向。它们提供了电机控 制优越的解决方案，集成度高，减少了电机控制的外围电路，提高了可靠性和抗 干扰能力，大容量存储与高速度处理可以支持复杂的算法与功能，简化了控制系 统，又能满足控制需求。最终的结果是在保证控制需求的基础上，极大的降低系 统成本与丌发周期，在竞争同益激烈的今天能够迅速占领市场。 1 4 2 技术可行性分析 无位置传感器无刷直流电机控制的关键是转子位置检测。反电动势法是迄 今为止最成熟、最有效，也是最常见和应用最为广泛的一种转子位置检测方法。 浙江大学硕士学位论文基于s t 7 m c 的无刷直流电机控制系统设计 它的缺点在于起动以及低速运行困难和误差补偿。采用基于$ t 7 m c 的全数字反电 动势法，灵敏度高，可以在低速下检测到转子的反电动势过零点，从而实现电机 低速运行。而且采用数字滤波器取代模拟滤波器，避免了延时带柬的误差补偿， 使电机准确换相。采用“三段式”方法起动，在加速过程实时检测反电动势过零 信号，通过时问过滤和事件过滤保证信号可靠后切换进入电机自动换相，完成起 动。因此，基于s t 7 l d c 的无位置传感器无刷直流电机控制系统设计在技术上是可 行的。 1 5 论文的组织结构 本论文分六部分组成。 绪论部分主要介绍了课题的研究背景，包括无刷直流电机的发展、特点和 应用，课题研究现状和研究内容，以及研究意义和技术可行性分析。 第二章首先介绍了无刷直流电机的结构和工作原理：然后给出了它的数学 模型；在此基础上，介绍了反电动势法检测转子位置的原理，着重介绍了基于 s t 7 m c 的全数字反电动势法。 第三章就如何减少电机换相转矩脉动进行了探讨，研究了不同p w m 调制 方式在不同桥臂换相时对换相转矩脉动的影响，优化p w m 调制方式减少换相转 矩脉动。 第四章介绍了s t 7 m c 微处理器，着重介绍了其内部的电机控制单元m t c 以及在无位置传感器无刷直流电机控制中的应用。 第五章给出了系统的总体构架，并分别对硬件和软件主要部分的设计做出 了阐述，对软件中的起动程序以及闭环速度p i 调节程序作了较详细的晚明。 最后一章是课题的总结和展望。对课题的研究成果进行了总结，同时提出 了使系统进一步完善的改进建议和课题以后的研究发展方向。 浙江大学硕士学位论文基于s t 7 m c 的无刷直流电机控制系统设计 第二章无刷直流电机及转子位置检测 2 1 无刷直流电机的结构 无刷直流电机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部 分组成，其原理方框图如图2 1 所示。电子换相电路一般由控制部分和驱动部 分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制器根据位 置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管来驱动电机。 图2 1 无刷直流电机的原理方框图 1 电动机本体 无刷直流电机在电磁结构上和有刷直流电机基本一样，但它的电枢绕组放 在定子上，转子采用永磁材料。永磁材料的使用，大大减小了无刷电机的重量、 简化了结构、提高了性能，使其可靠性得以提高。 2 电子换相电路 控制电路：无刷直流电机通过控制驱动电路中的功率开关器件来控制电机 的转速、转向、转矩以及保护电机。目前，控制电路一般有专用集成电路、微处 理器和数字信号处理器等三种组成形式。 驱动电路：驱动电路驱动电机的电枢绕组，并受控于控制电路。驱动电路 由大功率丌关器件组成，使用脉宽调制的丌关状态控制。 3 转子位置检测电路 永磁无刷电动机是一闭环的机电一体化系统，以转子磁极位置信号作为电 子开关电路的换相信号，因此，准确检测转子位置，并根据转子位置及时对功率 器件进行切换，是无刷直流电机正常运行的关键。 用位置传感器来作为转子的位置检测装置是最直接有效的方法。一般将位 置传感器安装于定子的外壳，实现转子位置的实时检测。间接方法是检测电机的 浙江大学硕士学位论文基于s t 7 m c 的无刷直流电机控制系统设计 电压电流或其它量经过一定的转化来确定转子位置，最常用的是反电动势法、续 流二极管法、电感法和状态观测器法。 2 2 无刷直流电机的工作原理 一般的永磁式直流电机的定子由永久磁钢组成，其主要作用是在电机气隙 中产生磁场。其转子电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电刷的换向作用，使得 这两个磁场的方向在直流电机运行的过程中始终保持垂直，从而产生最大转矩而 驱动电机不停的旋转。无刷直流电机的结构与一般的直流电机刚好相反，不能像 一般直流电机一样进行控制。因为一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生 固定磁场。它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以产生单一方 向的转矩来驱动转子转动。无刷直流电机需要如图2 - 1 所示的由转子位置检测、 控制电路以及功率逻辑开关共同构成的换相装置，使其在运行过程中定子绕组所 产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场在空间上始终保持在9 0 0 左右 的电角度3 】。 下面以两对极6 绕组的三相无刷直流电机为例说明无刷直流电机的工作原 理，如图2 2 所示，其中f 对面的绕组为同一线圈。 图2 - 2 两对极6 绕组无刷直流电机工作原理图 假设转子起始位置如图2 - l ( a ) 所示( 小黑点用于辨别转子位置，箭头表示电 流方向) 。此时电流从a 相流进b 相流出，产生的定子磁场与转子磁场相互作用， 0 浙江大学硕士学位论文基于s t 7 m c 的无刷直流电机控制系统设计 使转子顺时针转动。当转子旋转3 0 0 至图2 - 2 ( b ) 所示位置时，同一磁极下的电枢 绕组中有部分导体的电流方向不一致，它们互相抵消，削弱磁场，使电磁转矩减 小。如果此时定子绕组电流方向不发生改变，转子最终将在这个位詈稳定下来。 为了使转子继续旋转，就必须在此时改变绕组中电流的方向，进行换相，使电流 从c 相流进而a 相断电，如图2 - 2 ( b ) 。此时，在定子磁场和转子磁场的相互作 用下，使转子继续顺时针旋转。当转子旋转3 0 。到达图2 - 2 ( c ) 时，必须又进行换 相使电机继续旋转。 依次类推，转子每转过3 0 0 电机就如图2 2 换相一次，使定子磁场随着转子 的位霄不断变化，与转子永磁磁场始终保持9 0 。左右的空间角，产生转矩推动电 机转子平稳地旋转下去。 2 3 无刷直流电机的数学模型 方波型无刷直流电机一般具有梯形波的反电动势，使得电机定子与转子问 的互感是非正弦的。因此，不适合将电机三相方程变换为d 一口方程。利用电机 的相变量来建立数学模型则比较方便且可以获得较准确的结果。对于三相无刷直 流电机，作以下假设： ( 1 ) 定子绕组为6 0 。相带整距集中绕组，三相对称，星形连接且无中线； ( 2 ) 忽略齿槽效应，绕组均匀分布于光滑定子的内表面： ( 3 ) 磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗； ( 4 ) 不考虑电枢反应，气隙磁场分布近似为1 2 0 0 电角度矩形波； ( 5 ) 转子上没有阻尼绕组，永磁体不起阻尼作用； ( 6 ) 对于凸装式转子结构，忽略凸极效应； 定子三相绕组的相电压方程可表示为 荔1 = 言吾墨 医l h + d 生r 乏芝参 匡 + 量 。：一。， 其中，、心分别为三相绕组的相电压：r o 、r h 、足分别为三相绕 组的电阻；i o 、i c 分别为三相绕组的电流：厶、厶、t 为三相绕组的自感 浙江大学硕士学位论文 基于s t 7 m c 的无刷直流电机控制系统设计 l 。为a 相和b 相问的互感，其余亦然，且有k 2 厶。，k 。k ，k 2 l h 。：e 。、 式( 2 一1 ) 中的反电动势为梯形波，电流为方波。假定各相绕组对称，且各相 参数一致并为常数。根据假设( 6 ) ，则定子三相绕组的自感以及绕组问互感也为 k = k = k = k = k = k = m 。于是，相电压方程改写为 f 蔓 = l i l 医 + 丢妻笔錾 匿 + 圣1 c z 国 由假设( 1 ) 定子三相绕组为星形连接且无中线则+ + = o ，代入式( 2 2 ) 得 f 塞 = ；1 ； + 丢 j _ 三三m 呈m ； + f 圣 c z 一， 瓦一t “警邶( 2 - 4 ) 假设各相绕组对称，相应的时间常数忽略不计，则可推导出电机的机械特 =tu-aun一去k 疋 ( 2 - 5 ) = 一。 一o ， k。k r 。 e = k h ( 2 _ 6 ) 式【2 4 ) 至式( 2 7 ) 中：t 为三相绕组产生的合成电磁转矩，t 为负载转矩， 为转动惯量，为转子的机械角速度，b 为阻尼系数( 不考虑永磁体阻尼作用时 可视b ：0 ) ，e 为反电动势系数，蜀为转矩系数，n 为电机的转速( r m i n ) ，u 为 浙江大学硕士学位论文基于s t 7 m c 的无刷直流电机控制系统设计 电源电压，a u 为功率管压降，r 为无刷直流电机的内阻，e 为平均反电动势， ，为矩形波平均电流。 对于某个具体的无刷直流电机而言，无刷直流电机反电动势系数和转矩系 数均为常数，其大小同主电路的接法以及功率管的换相方式有关。所以无刷直流 电机的反电动势与电机的转速成正比，转矩与相电流成正比。 出式( 2 5 ) 可得，无刷直流电动机的机械特性方程同一般直流电动机的机械 特性方程在形式上完全一致，只不过其中的转矩和反电动势运用平均转矩和平均 反电动势的概念。改变电源电压可以很容易地改变输出转矩( 在同一转速下) 或 改变转速( 在同一负载下) 。 由式( 2 3 ) 至式( 2 7 ) ，可以推导出无刷直流电机的动态结构图，见图2 3 。 图2 - 3 无刷直流电机的动态结构图 设 ( s ) = 口( j ) ，则图2 3 中，k o = 口k 。电动机的输入量为u a s ) ，输出 量为机械角速度( s ) ，而负载转矩五( s ) 则通常作为系统外部的干扰量来考虑。 2 4 无刷直流电机的转子位置检测反电动势法 从酊面章节的叙述中我们知道，无刷直流电机的转子位置检测是控制的关 键。只有知道了转子的位置信息从而决定何时换相，才能保证无刷直流电机的j 下 常运行。传统的无刷直流电机靠位置传感器得到转子的关键位置信号，这也是最 直接有效的办法。但位置传感器的存在，增加了无刷直流电机的重量和结构尺寸， 且不易安装和维护；同时，传感器的安装精度和灵敏度直接影响电机的运行性能： 而应用最多的霍尔传感器存在一定的磁不敏感区：其次，过多的传输线使系统易 受干扰且可靠性降低；再次，在某些恶劣的工作环境中，常规的位置传感器根本 就无法使用。为适应无刷电动机的进一步发展，无位置传感器无刷直流电机应运 浙江大学硕士学位论文基于s t 7 m c 的无刷直流电机控制系统设计 而生。目前永磁无刷直流电机无位冒传感器控制研究的核心和关键就是架构转子 位詈信号检测电路，从软硬件两个方面来f 日j 接获得可靠的转子位置信号，借以触 发相应的功率器件进行电子换相。 无位霄传感器无刷直流电机一般通过检测电机的电压电流或其它量经过一 定的处理来恻接确定转子的位置。反电动势法是其中最成熟和应用最广泛的位置 检测方法。对于两两导通的无刷直流电机，定子绕组会切割转子永磁体产生的磁 场而产生感应电动势。由于永磁无刷直流电机中的电枢反应是交轴方向，对主磁 通影响不大，可以近似认为绕组中的感应电势等于反电动势。所以，反电动势法 的原理就是定子磁链随转子位置的变化反应为感应电势，即反电动势。所以我们 通过检测反电动势就可以得到转子的位置信息。永磁无刷直流电机的反电动势波 形为梯形波，它可以很准确的反应电机的转子位置。只要检测出反电动势波形的 过零点，就可以得到转子的位置信息，从而控制电机的准确换相。 反电动势法常用于电枢绕组采用星形接法的“三相六拍一1 2 0 0 方波型”驱动 的永磁无刷直流电机。在逆变器供电的任一瞬间，总有一相其上下桥臀均处于断 丌状态，即电机该相绕组是悬浮的，故该相绕组的相电压等于其感应电势。 2 4 1 传统反电动势检测方法 由式( 2 3 ) ，我们j 以得到电机的瑞电址万栏 u a = u a + 础埘) 鲁+ 巳州v ( 2 - 8 ) “刮一例硼m 叫) 鲁+ 州( 2 - 9 ) u c ：+ u 。= m ：郴州) + e 。+ u n(2qo) 上式中，虬、以、q 为三相绕组端电压，为星形连接中性点电压。 假设某一时刻，a 相j 下向导通，b 相负向导通，c 相悬浮，电流从a 相流进b 相流出。则乩= h v - v 。以= k 。，= 一，= o ，其中、k 。分别为母线电压 和功率管导通压降。将f 。= 一代入式( 2 8 ) ，并与式( 2 9 ) 相加，得 u 。+ u j = 口。+ e + 2 u ( 2 - 1 1 ) 浙江大学硕士学位论文基于s t 7 m c 的无刷直流电机控制系统设计 将饥= h v k u h = k 。：代入式( 2 - 1 1 ) ，则 u n = 半一! 学= 孚一! 学( 2 - 1 2 ) 将t = o 代入式( 2 1 0 ) ，得 u = u a , + e c ( 2 - 1 3 ) 因此，要测量反电动势电压即“悬浮相”相电压( 忽略电枢反应) ，我们必须得到 三相绕组的中性点以得到比较参考电压。但在诸如压缩机的很多应用中，是不可能直 接连线到中性点的。要得到电压信息，必须创建一个虚拟中性点，如图2 - 4 。 式( 2 1 2 ) 可知，功率丌关导通时虚拟中性点电压包含h v 2 成分，另外考虑开关 噪声对低频反电动势的影响，所以传统反电动势法需要对每相以及中性点进行电阻分 压和阻容滤波。对反电动势进行实时采样。 hv 图2 _ 4 传统反电动势检测法 这种方法的不足之处在于： l 、需要创建一个虚拟中性点； 2 、滤波造成的相位偏移必须找到一个补偿值，而且相位偏移会随频率不同而不 同，使得控制难以实现； 3 、电阻分压降低了被检测信号的灵敏度，低速检测困难，使系统可靠性降低 4 、对不同的电机及速度范围，须重新设计反电动势检测电路参数。 鉴于以上种种缺陷，本课题不采用这种检测方法。利用s t 7 m c 内部集成的反电 浙江大学硕士学位论文 基于s t t m c 的无刷直流电机控制系统设计 动势过零检测器，采用全数字的反电动势法。 2 4 2 全数字反电动势法 s t t m c 内部集成了反电动势过零检测器，对反电动势进行过零检测；它还嵌入 了一个数字滤波器，可以将反电动势信号仅通过一个电阻直接输入，在内部进行数字 滤波而不需要外部模拟滤波。针对不同的应用需求，主要是p w m 占空比和调速范围， 根据采样时刻的不同，可以选择基于s t ? m c 的不同反电动势检测法。以下将介绍 的3 种反电动势检测方法都基于上桥p w m 斩波、下桥恒通的p w m 单斩调制方式。 2 4 2 1 在功率开关管关断状态结束时采样 同样假设a 相一向导通，b 相负向导通，c 相悬浮，电流从a 相流进b 相流 出，如图2 5 所示。在功率丌关管关断时，a 相绕组通过二极管d 2 续流，则此时 = 一，= k 。其中，咋为续流二极管正向导通压降。由式( 2 1 1 ) 可得 = 半一半 ( 2 1 4 ) 一般情况下，我们认为k 。= 巧；考虑电机三相绕组对称，e 。+ + q = 0 ， 则此时 “，= 螺= 詈+ 巳= 等 ( 2 - 1 5 ) 这样，c 点电压只包含反电动势成分，就可以很方便地检测反电动势过零点。 在实际应用中，反电动势并不是与真正的零点比较。为提高系统检测的准确性 在处理器内部设定一定的比较参考电压。 不需要创建虚拟中心点，不需要电阻分压和阻容滤波，全数字反电动势法完 全克服了传统方法的缺陷。只需3 个电阻分别将电机的三相连接到s t 7 m c 的三个 浙江大学硕士学位论文 基于s t 7 m c 的无_ f 6 0 直流电机控制系统设计 输入引脚，具有无可比拟的优势 集成度高，无须外加反电动势检测电路，最大限度降低成本 不需要分压，信号无衰减，可以得到反电动势的全部信号 反电动势在功率丌关管关断时采样，因此抑制了高频丌关于扰； 一灵敏度高，可以在很大的速度范围驱动电机，使电机在很低的速度运行 且可以最大转矩起动； 数字滤波器代替模拟滤波器，避免了滤波延时 提供了高信噪比。 图2 - 5p w m 关断状态时数字采样 不足之处在于该方法必须在功率开关管关断时对反电动势进行过零检测，所 以必须保证最小的功率丌关管关断时间，使得p w m 占空比无法达到1 0 0 。 2 4 2 2 在功率开关管导通状态时采样 要得到1 0 0 的p w m 占空比，就必须在功率开关管导通状态时对反电动势 采样。为得到反电动势过零检测的参考电压。一种方法是同传统反电动势过零检 浙江大学硕士学位论文基于s t 7 m c 的无刷直流电机控制系统设计 测法一样，建立一个虚拟中性点；在硬件结构上，也同样需要电阻分压。除了建 立虚拟中性点，还有一种更简单的方法可以得到反电动势过零检测的参考电压。 将式( 2 1 2 ) 代入式( 2