（电工理论与新技术专业论文）永磁无刷直流电机控制器的设计.pdf

t h e “& s i g no f c o n t r o l l e rf o rp e r m a n e n tm a g n e tb m s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) ”i s s t u d i e d0 1 1i nt h i st h e s i s , a n dt h ek e yt e c h n o l o g i e sa r 。p r e s e n t e d s u c ha s m o t o rs t a r t i n g , r o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o n , c o n t r o l l i n gm e t h o da n dp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n a tl a s t , t h ec o n t r o l l i n gs y s t e mi sd e s i g n e da n dt h ed e t a i l si sg i v e nf o rd e s i g no fs o f t w a r e a n dh a r d w a r e c o n t r o u i n gs o l u t i o nf o rb l d c m i sd i s c u s s e d ，t h em e t h o df o rr o t o rp o s i t i o n d e t e c t i o ni sa n a l y z e da n dt h ec i r c u i ti sd e s i g n e df o rr o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o nb a s e d0 1 1 b a c k 觚a tt h es a m et i m e ，i ti ss t u d i e do nh o wt os t a r tb l d c mb y “t h r e es t o p ” s t a r t i n gt e c h n i q u e , h o wt oa d o p tp i d t or e g u l a t es p e e di nc l o s e dl o o pt om a k em o t o rr u n m o r er e l i a b l y i no r d e rt os a t i s f y “3 c , s t a n d a r d s ，t h ep o w e rf a c t o rc o r e c t o r ( p f oi s i n d u c e di ns y s t e ma n dt h ed e s i g np a r a m e t e ri sg i 、，眈i nd e t a i l s t h es p m ( s m a r tp o w e r m o d u l oi su s e dt om a k et h es y s t e md e s i g nm o r ec o n v e n i e n ta n db l i e a tl a s t , u s e i n 丘l l e o nx c l 6 4 c ma sc o n t r o l l i n gc o r ea n dt h ec o n t r o l l i n gs y s t e mi sd e s i g n e d i ti ss h o w e db yt h ee x p e r i m e n tr e s u l t st h a tt h ec o n t r o l l e ri sb e t t e rt h a no t h e r sa t t h e s es i d e s ，s u c h 鹤f a s ts t a r t i n g ，s t a b i l i z a t i o na n dw i d cs p e e dr e g u l a t i o n , a n di ti sa l s o c h e a p t h ep o w e l ? f a c t o ri sh i g h e r s ot h ec o n t r o l l e rw o u l db e u s e dw i d e l y k e yw o r d s ：b l d c m ，s e u s o r l e s s ，p i dc o n t r o l l e r , x c l 5 4 c m ，p f c , s p m i i 曲北i 业大学硕十学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 无刷直流电机发展概况 传统的有刷直流电动机以机械的方法进行换向，因此存在相对的机械摩擦， 由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短、可靠性差等致命的弱点【i 】。为 了消除有刷电机的弱点，b o l i g e r 于1 9 1 7 年提出了无刷直流电机的思想。后来随 着电力电子及制造等相关专业的发展，美国d h a r r i s o n 等人于1 9 5 5 年首次以“用 晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷”的技术申请了专利，这也是现代无 刷直流电机诞生的标志口1 。1 9 7 8 年，第一台无刷直流电机及其驱动器的展示，标 志着无刷直流电机真正进入应用。 与其它电机相比，无刷直流电机具有高可靠性、高效率和优良的调速性能等 诸多优越性，因此诞生之仞就得到青睐，随着新型稀土永磁材料性能的提高与价 格的下降，更是带来永磁无刷直流电机成本的降低，使这种优越性更加明显。表 卜1 为无刷直流电机与交流异步电机、有刷直流电机综合特性的比较。 表1 13 种电机的性能比较 性能机械过载 平稳性可控性噪声效率维护体积成本 系统特性能力 无刷直流硬 大 好 易 小高 易 小 较高 有刷直流硬大较好易 大 高难较小较高 交流异步软小较差难 较大 低 易 大低 最初无刷直流电机主要应用于航空航天等高尖端领域，但是随着制造技术和电力 电子技术的发展，以及成本的降低，无刷直流电机在工业和民用领域得到广泛的 应用，目前在电脑硬盘、打印机、音箱、v c d ，家电领域的空调、洗衣机、冰箱、 微波炉，工业领域的纺织机械、数控机床，农业领域的灌溉设备等都得到广泛的 应用。尤其是在家电领域，随着节能、降噪、绿色环保的要求越来越高，无刷直 流电机更是以其高优越性得到了长足的发展，在不久的将来，将会完全取代交流 异步电机，成为家电领域的主流。因此，研究无刷直流电机的驱动，不仅具有理 论意义，而且具有很好的现实意义。 1 两北t q k 大学硕十学付论文第一章绪论 1 2 无刷直流电机分类 按照不同的分类方法，无刷直流电机可以有不同的种类，但是本文只讨论其 中的一种分类，即按照是否有位置传感器来分类，可以分为有位胃传感器和无位 置传感器两种。 有位置传感器的无刷直流电机的位置检测是通过安装在转子上的位置传感 器来提供转子位置信号，当控制系统检测到转子位置信号就控制换向系统进行换 向。目前主流的传感器有光电式位置传感器( 如遮光板) 和磁敏式位置传感器( 如 霍尔位置传感器) 等。光电式位置传感器轻便可靠、安装精度高、调整方便，应 用较为广泛：磁敏式位置传感器按照工作原理可以分为两类，锁量式和非锁量式 霍尔位置传感器。非锁量式霍尔位置传感器应用范围较小，只能在一些简单应用 场合应用【3 l ，锁量式霍尔位置传感器目前有比较成熟的电子器件，而且体积小、 简单可靠、安装灵活方便、易于实现机电一体化等，因此在目前得到了最为广泛 的应用 4 1 。 无位置传感器无刷直流电机的控制是指不依赖位置传感器，通过另外的方式 得到转子的位置信号、角速度等状态量，确定逆变器功率管的切换，进而对定子 绕组进行换相，保持定予电流和反电势在相位上的严格同步的一种控制方式。由 于理论和实践的发展，无位置传感器的位置检测问题已经得到了解决，通常使用 的方法有反电势法、三次谐波检测法、电流通路检测法等。但是综合起来，这些 方法都是通过检测相电压和相电流这两个量，然后通过软件和硬件的方法，构建 一种转子位置的检测电路，从中得到转子位置信息，为电机的闭环控制提供依据。 1 3 无刷直流电机的控制方法f 4 j 自从无刷直流电机诞生以来，围绕它的控制理论也得到了迅速的发展。智能 控制理论是近年来发展起来的一门新兴学科，模糊逻辑和神经网络是该学科发展 和研究的关键。应用智能控制技术能够解决一些用传统方法难以解决的问题。目 前常用的方法就有p i d 控制、模糊控制、神经元网络和专家系统等。为了更好的 控制，又出现了各种控制方式的组合如：模糊控制和p i d 相结合的f u z z y p i d 控制， 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 等多种控制方法。总体来看，智能控制具有两个方面的特点：对控制模型的依 赖较小，按照实际的效果进行控制；具有非线性特征。由于无刷直流电机是一 个多变量、非线性、强藕合系统，因此利用智能控制方法可以很好的建立被测相 2 曲北t 业大学硕+ 学傍论文 第一章绪论 电压、电流和转子位置的相互关系，提取位晋信号，很好的实现控制。目i i 主流 的控制方式有以下几种； ( 1 ) p i d 控制 这是发展最早、应用最为广泛的一种方法，将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 、 微分( d ) 通过线性组合构成控制器，用这一控制量对控制系统进行控制。p i d 控制器结构简单，参数容易整定，不一定需要系统的确切数学模型。目前，p i d 控制被广泛应用于无刷直流电机的控制。 ( 2 ) 模糊控制 模糊控制属于计算机智能控制，它以模糊集合论、模糊语言及模糊逻辑推理 为基础实现系统的智能化控制。其原理图如图卜1 所示，核心部分为图中实线框 内的模糊控制器m 。 图1 1 模糊控制器 ( 3 ) 神经元网络控制 神经元网络是近年来发展起来 的一门学科，具有大规模并行性、冗 余性、容错性、本质的非线性及自组 织、自学习、自适应能力。它模拟人 脑的工作方式，由大量的基本单元经 复杂的互连而成，是一种高度复杂、 非线性、并行处理的信息处理系统。 神经元网络用于控制的最大优越性 是可以处理那些难以用模型或规则 描述的过程或系统，这个优越性适用于高性能驱动系统。图卜2 是个神经网 络结构的例子，采用三层b p 结构，输入层有三个节点，输出层有一个节点。 3 两北t 业大学硕十学竹论文笫一章绪论 1 4 研究背景及主要研究内容 本论文是受西安高新区庆安制冷公司的委托而开发研究的，其主要内容是为 其开发永磁无刷直流压缩机测试用平台，用于测试新开发的压缩机产品，由于压 缩机内部无法安装电机转子位置传感器，因此要求控制器能够驱动的是无位置传 感器的无刷直流电机。目前该项目已经结束，系统运转良好，达到了预期的效果。 本论文的研究主要围绕此项目展开，具体研究内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 以反电势法为基础，设计一种电路以实现反电势的检测； ( 2 ) 以“三段式”启动方式，实现电机的可靠启动； ( 3 ) 采用数字p i d 和积分分离控制技术，实现系统的闭环运行； ( 4 ) 设计系统的硬件电路； ( 5 ) 设计系统软件。 1 5 本人在项目中承担的任务 在整个研制过程中，本人全程参与，主要完成以下的工作： 总体方案论证； 硬件电路的原理设计、制作、调试； 软件的算法研究； 系统实验； 1 6 本文的内容安排 第2 章无刷直流电机的工作原理 第3 章系统的总体方案设计和论证 第4 章关键技术研究 第5 章驱动控制器的硬件设计 第6 章驱动控制器的软件设计 第7 章系统调试和实验 4 西北工业大学硕士学位论文第二章永磁无刷直流电机的工作原理 第二章永磁无刷直流电机的工作原理 2 1 基本构成嗍 无刷直流电动机是一种新型的无级变速电机，又叫“无换向器电机”或“无 整流子电机”，具有直流电机良好的调速特性，但由于没有换向器，因而可做成无 接触式，具有结构简单，制造方便，不需要经常性维护等优点，是一种理想的变速 电机在直流电机的基础上，将定子磁极用装有永磁体的转子代替，实现系统励 磁，而用多相绕组的定子取代电枢，实现电机的馈电，用由固态逆变器和转子位 置检测器组成的电子换向器取代机械换向器和电刷，就得到了永磁无刷直流电机 ( b l d c m ) 。与有刷直流电机相比，最大的不同点是用电子换向器实现换向，而 不是传统的机械换向。电流的输入方式也不同，无刷直流电机的电流是输入定子， 而有刷直流电机的电流是输入转子。从工作原理上来讲，永磁无刷直流电机和交 流永磁同步电机相同，都是从定子输入三相电流，通过转子实现励磁，所不同的 是永磁无刷直流电机输入的是方波电流，而后者输入的是正弦波电流。一般讨论 的“无刷直流电动机”系指永磁同步电动机、逆变器和转子位置检测器的组合体， 本文也这样认为。图2 1 是无刷直流电机系统的结构原理，没有画出转子，只画 出定子三相绕组，因为本文重点关注的是无位置传感器无刷直流电机，图中的转 子位置检测是通过检测三相端电压实现的。 + 图2 1 无刷直流电机的系统结构 5 西北工业大学硕士学位论文第= 章永磁无刷直流电机的工作原理 2 2 工作原理【8 】 2 2 。1 感应电势和电磁转矩的关系 对于无刷直流电机的控制一般通过三相六步的方式，因此在同一时刻只有两 相处于导通状态，因此电磁功率表达式可以写成 p 。= e x i x + e y i y + e z i z = 2 e s i s ( 2 1 ) 由l q ，- - p 。得电机的输出电磁转矩为 l = 毒= 击岛如( 2 - 2 ) 式2 - 1 和2 - 2 都是在电机处于理想化状态下推导出来的，在这种情况下， b l d c m 的电磁功率和电磁转矩都是恒定的，因此转速也不会产生波动。将上述描 述的无刷直流电机称为理想化直流电动机。感应电动势e 。的大小由励磁磁场磁 通密度b ，和电机转速q ，决定，于是电磁转矩又可以表述为 t e = k b b f l s ( 2 3 ) 式中，k 。是常数，由电动机结构决定。从式( 2 2 ) 可知，当e 。和i s 处于 同相位时，转矩最大，这就是后边需要讨论的延时补偿的原因。 2 2 2 控制原理 电机在运转过程中，定子通入电流，永磁体转子励磁，两个磁场在空间的作 用产生合成磁势，推动转子向前运转。图2 2 是三相绕组电流导通状态和磁动势 合成图。要让电机转起来，必须按照一定的顺序给电机三相绕组通电，表2 1 是 电机在某一种转向下的的通电顺序，或者叫换相逻辑。图2 - 2 中，x + 、y + 、z + 表示三相绕组x y z 通以正向电流后产生的空间磁动势，与各自的绕组轴线方向一 致。x 一、y 、z 表示三相绕组通以反向电流后产生的空间磁动势，与各自的 绕组轴线方向相反。t 1 、t 5 表示开关管v t l 、v t 5 导通，t 1 、t 6 表示开关管v t l 、 v t 6 导通，等等。如果是另外一种转向，那么通电顺序就和上述相反。 结合图2 - 1 和2 - 2 知，当电机刚起动时，即电机转角= 0 。时刻，逆交器 开关管t l 和t 5 导通，则x 相绕组正向导通，y 相绕组反向导通。在这种导通状 态下，x 相绕组磁动势f v + 与y 相绕组反向磁动势f v 一相加，得到合成磁动势f l ，。 当电机转过6 0 。电角度后，即国。= 6 0 。时，需要换向，即切换到下一相，从表 6 曲北t 业人学硕十学忙论文第二章永磁无刷盲流电机的t 作原理 2 一l 知，此时是t 5 断丌，t 6 导通，y 相与z 相电流换相，电流导通状态为x 相 正向导通，z 相反向导通，f v + 与t 一相加得到合成磁动势f l 。依次下去，每隔 6 0 。电角度，绕组进行一次换相，定子合成磁动势就向前转动6 0 。电角度。从 表2 1 中可以看出，逆变器开关有六种状态，每次只有一个开关状态发生改变， 对应一次换向，相应的磁动势也发生一次改变，合成磁动势便向前步进一步。这 个步进的合成磁动势与转子永磁励磁磁场相互作用便产生了电磁转矩，使转子不 断旋转。电机的电磁转矩是由合成磁动势产生的，而合成磁动势是时刻变化的， 它的变化取决于换向，因此，最终是由转子位置决定的。 表2 - 1 换相触发逻辑 时问段 相应时间段内被导通的器件 o 一6 0 o t 1t 5 6 0 1 2 0 。 t 1 t 6 1 2 0 1 8 0 。t 21 6 1 8 0 2 4 0 。 t 2 t 4 2 4 0 3 0 0 。 t 3t 4 3 0 0 - - 3 6 0 。 t 3 t 5 t 2 t 6 t 3 t 4 图2 2 三相绕组电流导通状态图 7 t 3 t 5 两北1 一业大学硕十学何论文第二章永磁无刷甫流电机的t 作原理 2 2 3 感应电动势和电流波形 永磁式直流电动机转子由永磁体构成，其主要作用是在电动机气隙中产生磁 场，其定子绕组通电后产生定子电磁场。为了驱动电动机运转，需要在电机运转 过程中，始终保持这两个磁场在空间上保持垂直，从而产生最大转矩。这些工作 需要通过系统的控制部分根据转子位置实时换向来完成。 图2 3 给出b l d c m 在理想情况下的感应电动势与电流波形，图中e 。、e ，、 e ，为三相反电势，i ，、i ，、i ，为三相相电流。由图可以看出感应电动势与电流 波形具有如下的特点： ( 1 ) 感应电动势为三相对称的梯形波，其波顶宽度为1 2 0 。电角度； ( 2 ) 电流波形是1 2 0 。方波，且三相对称； ( 3 ) 梯形波感应电动势与方波电流在相位上严格同步。 b 0 图2 3b l d c m 感应电动势与电流波形 a ) x 相b ) y 相c ) z 相 结合式( 2 2 ) 和图2 3 ，可以看出，若想获得恒定的电磁转矩，就要使感 应电动势和相电流保持严格的同相位，也就是图2 3 中的方波电流落在梯形波感 应电动势1 2 0 。平顶区间内，即方波电流中心线与梯形波感应电动势中心线重合。 若将万定义为方波电流超前梯形波感应电动势的相位移( 电角度) ，则应使相位 8 曲北t 业大学硕十学付论文 第一章永磁无刷育流屯机的t 作原理 移万= o 。 为了保证万= o 。，换向时刻的选择非常重要。在具体实施时，应将转子永 磁磁场的中心线与定子相带交界线重合的时刻，选定为电流换相时刻，或者每当 转子磁场轴线与定子绕组轴线垂直时，就进行一次换相。控制芯片根据检测到的 转子位置信号，推算出换向的相和换向的时刻，输出换向逻辑脉冲，触发电子换 向器进行换向。这样图2 - 2 中的合成磁动势就会旋转，从而产生转矩驱动电机不 断的旋转。 2 3 数学模型i s ， 由于无刷直流电机的磁场不是正弦，不能用矢量和双轴理论分析，因此，只 能采用比较普通的状态变量法来加以描述。为简化分析，先假设： ( 1 ) 相绕组完全对称，气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场分布皆对称； ( 2 ) 忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响； ( 3 ) 电枢绕组在定子内表面均匀连续分布； ( 4 ) 磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗。 三相绕组的电压平衡方程可表示为： 刚言 l h 乞，我堆 a ， 上式中， u 。、【，y 、为三相绕组电压；r 。为每相定子绕组电阻；k 、 工r 、岛为定子三相绕组自感：如、k 、切、k 、k 为定子三相绕 组互感；i x 、i y 、i ：为定子三相绕组电流；e 。、e 。、e z 为三相绕组感应电动 势。 对于三相绕组为星形连接，且没有中线，则有： i x + i y + i z = 0 因此有 ( 2 - 5 ) m y + m i z = 一m i x ( 2 - 6 ) 式中，l 。为每相绕组自感；m 为绕组问的互感。对于面装式转子结构，由于 互感和自感均各自相等，将式( 2 5 ) 和( 2 - 6 ) 代入式( 2 4 ) 得到方程式( 2 - 7 ) 。 9 k k ，l p + 、 k k k v o o o o o 八 o o 墨 o 砖o 两北t 业大学硕十学付论文第二章永磁无刷盲流电机的t 作原理 ( 寥 = 言吾兰 蓦 + 岛i m 岛；必岛；m p 蕃 + i i c z 一， 电磁转矩方程为 t e2 壶( e x l x + e v l v + e z i z ) 2 埘 运动方程为 鲁= 扣一t l - r n ( 2 - 9 ) 式中，t c 为电磁转矩，正方向与旋转方向相同；t 1 为负载转矩，正方向与t c 相反；r 。为旋转阻尼系数，通常为速度的函数；j 为包括转子在内的系统惯量。 2 4 机械特性【8 】 由前分析已知，对于b l d c m 而言，任何时刻只有两相同时导通，例如图2 - 1 中开关管v t l 和v t 5 导通时，x y 两相绕组线电压u x y 等于直流电源电压v c ，由 式2 - 7 经推导得 v c = u 。，= r ，i 。一r 。i 。+ ( l , - m ) d l x + ( m l 。) 旦善+ ( e x - e v ) ( 2 - 1 0 a t ( i t ) 因为 i x = 一i y = i 。 所以有 v c = 2 r 。i ，+ 2 ( l , - m ) d d t l , - + e 。( 2 - 1 1 ) 式中，e o = e x - e y 。 在稳念情况下，可得 v c = 2 r ，i 。+ e o ( 2 1 2 ) 式中，e 。与电动机的转速n ，成正比。另由式2 - 3 可知，电磁转矩t e 与定子 电流i ，成正比。于是有 e o = k 。r l ， ( 2 1 3 ) 西北f 业大学硕十学何论文 第二章永磁无刷盲流电机的j 作原理 t o = k t i 。 ( 2 1 4 ) 式中，k 。与k ，均为常值。 将式2 - 1 3 和2 - 1 4 带入2 - 1 2 ，可得机械特性方程 n ，2 ( v o 一面2 r , t e 图2 - 4 给出了不同v o 下的机械特性曲线。 n r t c 图2 4 不同v c 下b l d c m 的机械特性曲线 ( 2 1 5 ) 两北t 业大学硕十学何论文 第= 章系统的总体方案设计和论证 第三章系统的总体方案设计和论证 3 1 系统技术要求 无刷直流电机： 输入电压：1 8 7 v a c 一2 4 0 v a c ； 额定功率：2 o k w ； 频率变化范围：1 5 1 5 0 h z ； 额定转速：3 0 0 0 r p m ； 频率误差：1 h z ，且稳定工作； 控制方式：o n _ p w m ； 3 2 系统技术方案 3 2 1 系统组成结构 l 一一h 一电路b 开关电源 彳谶： 一 和 逆变模块 刮塑p 电路 主控制板电路 母 图3 - 1 控制系统结构图 整个控制系统由整流滤波电路、s p m 功率模块、p f c 功率因数校正电路、转 子位置检测电路、电流检测电路、开关电源及微处理器控制电路构成，结构如图 3 一l 所示。其中，整流滤波电路将交流2 2 0 v a c 整成直流3 1 0 v d c ，功率因数校正 1 2 西北t = 业人学硕十学侍论文第二章系统的总体方案设计和论证 电路将电压升雎为3 8 0 v d c 为逆变器提供驱动电机用的直流电源，并且对系统的 功率因数进行校正。三相全桥逆变器将直流电变换为驱动电机的交变电压。微处 理器控制电路是整个系统的核心，它要完成包括电机转子位置信号、输入控制、 系统状态等各种信息的检测，准确的输出电机驱动信号，完成转速控制、电机运 转信息显示、系统控制等任务。开关电源为逆变器、芯片等提供工作电压。 3 2 2 关键部件的选择 ( 1 ) 电源及逆变器的选择 电源部分采用全桥整流滤波电路，2 2 0 v 、5 0 h z 的交流电经过整流桥及p f c 升 压后，经过滤波电容平滑后得到3 8 0 v d c 的直流电压，将其作为逆变器的直流输入 电源。同时，由于系统输出功率较大，考虑到系统的e m c 性能，在整流桥前加装 了e m i 滤波器。逆变器部分采用f a i r c h i l d 公司的s p m 模块作为三相全桥电路的开 关器件。另外采用p i 公司生产的单片开关电源芯片t o p 2 2 3 y 设计了小功率的系统 内部电源，为整个系统提供供电电源。 ( 2 ) 功率因数校正( p f c ) 电路的设计 为了系统的简洁和可靠性考虑，选择美国t i 公司的u c c 3 8 5 4 b 为核心控制芯 片，设计p f c 电路，完成系统的功率因数校正。 ( 3 ) 控制芯片的选择 本系统采用以微处理器为控制核心的控制方案。芯片选择本着以高性能、高 可靠性、低成本以及在电机控制方面的通用性为原则，同时应具有便利的软件开 发环境，因此我们选择了德国i n f i n e o n 公司最新推出的1 6 位电机控制专用单片机 x c l 6 4 c m 作为系统的控制核心。 x c l 6 4 c m 的特点是：采用c 1 6 6 s v 2 内核，具有5 级指令流水线，指令执行时 间达到2 5 n s ，可以媲美d s p ；具有片内f l a s h ，容量达6 4 k b ；2 k 字节片内双 d r a m ，2 k 字节片内数据s r a m 及2 k 字节片内程序数据s r a m ；有功能强大的 c c u 6 单元，用来产生驱动三相电机( 交流，无刷直流电机) 的信号；具有自 校检的1 0 比特1 4 路a o 转换器，转换速度2 1 5 us 。具有单周期1 6 x1 6 位乘法、 3 2 1 6 位除法及乘法累积指令，可快速处理复杂的数学运算。x c l 6 4 c m 的最大优 点是：内部c c u 6 单元使电机控制的外部硬件电路大大简化，其强大的运算能力可 以完成如位置信号预测估计等更为有效复杂的算法，非常适应于变频调速的电控 系统。而且其价格低廉，具有广泛的市场前景。同时，在软件开发环境上，著名 的k e i l 公司丌发的k e i l l 6 6 软件提供对该芯片完善的支持，支持c 及汇编语言的编 译、汇编，可进行全面的软件仿真及硬件在线仿真下载，使用十分方便i i “。 1 3 两北t 业大学硕十学付论文第一章系统的总体方案设计和论证 3 2 3 转子位置检测方法的选择 所谓的无位置传感器控制，即无机械的位置传感器控制。在电机运转的过 程中，作为逆变桥功率器件换向导通时序的转子位置信号仍然是需要的，只不过 这种信号不再由位置传感器来提供，而应该由新的位置信号检测措施来代替，即 以提高电路和控制的复杂性来降低电机的复杂性。所以，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设计一个转子位置信号检测线路，从软 硬件两个方面来间接获得可靠的转子位置信号，借以触发导通相应的功率器件， 驱动电机运转。 在无位置传感器的控制方式中，研究的核心问题主要是如何通过软件和硬件 的方法，构建一种转子状态量的检测电路。由于可以直接测量到的一般只有相电 压和相电流这两个量，因此，国内外研究成果所提出的无位置传感器控制方法中， 绝大部分都是基于以上两个观测量的。下面对于这些方法逐一介绍： ( 1 ) 反电势法 通过检测电机反电动势( b a c ke l e c t r o m o t i v ef o r c e ，以下简称b a c k e m f ) 来获得位置信号的方法，称为“反电势法” t l l 。对于反电势的处理方法有反电 势过零检测法、锁相环技术法、反电势逻辑电平积分比较法等，相应的可以分为 以下几种方法： 1 ) 反电势过零检测法 由于在无刷直流电机中，绕组的感应电动势( 反电势) 通常是正负交变的，当 转子旋转到某个位置使转子直轴与该相绕组轴线重合时，此绕组的反电势就发生 过零，反过来只要检测到各相反电势的过零点，就可获知转子的位置，从而省去 位置传感器。 2 ) 锁相环技术法 将非导通相反电动势经逻辑处理后得到周期为6 0 。电角度的脉冲列，再采用 p l l 锁相技术将脉冲列倍频，通过同步计数器计数值和锁存器预置数值的比较， 可获得理想的换相点。 3 ) 反电势逻辑电平积分比较法【1 2 1 由于此项技术比较复杂，需要进行积分比较，增加了检测电路的复杂性，也 增加了软件的运算量，同时还增加了成本，不便实际应用，在此不再详述。 ( 2 ) 电流法 由于反电势法的抗干扰性比较差，容易受到速度变化、电机换向、低通滤波 以及定子电阻电感等的影响，使检测到的转子位置信号的准确性和精确性都受到 1 4 西北i 业人学硕十学何论文 第二章系统的总体方案设计和论证 不同程度的影响，给电机的正确换向带束很大的影响。后来出现了如直接电流检 测法和续流二级管法等，这些方法都是基于“相电流和霍耳信号理想情况下是同 相位的”这个原理，固然电流不太容易受到上述因素的影响，但是这种方法对电 流检测的精度要求很高，算法很复杂，因而成本高；并且其运行范围较小【9 i 。 ( 3 ) 三次谐波检测法 无刷直流电机的反电势梯形波是由基波及其高次谐波分量叠加而成的，通过 简单的叠加运算，就可以使非3 的倍数的高次谐波相互抵消，只剩下3 次谐波及3 的奇数倍高次谐波，可以从中提取反电势的3 次谐波分量，以检测转子位置f 1 3 l 。 ( 4 ) 磁链估计法 由于电机磁链信号和转子位置直接相关，因此可以通过转子磁链的值来确定 其位置信号。由于电机转子磁链不能直接检测得到，因此需要根据磁链和电机的 相电压、相电流之间的函数关系计算。从原理上来看，此法有较高的准确度，受 测量误差和电机参数变换的影响也很少，而且调速范围宽，但要求测量的参量较 多，算法复杂，系统成本高且实现困难。 ( 5 ) 状态观测器法 状态观测器法又叫转子位置计算法，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一种方法m 】。此法不适用于方波驱 动的无刷直流电机，因此在此不再详细分析。 ( 6 ) 电流通路监视法1 1 4 1 通过监测与逆变器并联的二极管的通断来获得电机转子的位詈信息。由于存 在较大的检测误差，且反电势系数、绕组电感量不是常数、反电势波形不是标准 的梯形波等都会造成转子位置误差。目前主流的逆变器都是集成的，使此法根本 无法使用，所以这种方法在国内应用并不是很广泛，技术也不是很成熟。 ( 7 ) 人工智能方法 人工智能技术具备一定的智能行为，能够产生合适的求解问题的响应。随着 人工智能技术的蓬勃发展和研究的深入，很多学者已经尝试着将人工智能的方法 应用于电机控制1 1 5 , 1 6 1 。 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。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 之间的相互关系，基于检测到的电压和电流信号来估算转子位置信息。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。虽然人工智能方法将是未来的一种发展方向，但是离实际应用 还存在一定的距离。 1 5 两北t 业大学硕十学付论文第二章系统的总体方案设计和论证 综合考虑系统的可靠性、技术成本和成熟性等问题，本系统中电机转子位 置检测采用了一种新方法，即以反电势法为基础，设计了一种以电路实现反电势 检测的新方法，通过硬件调理能够在反电势较小时就可以可靠的检测到，并且结 合软件延时补偿，可靠的实现了无刷直流电机的换向和闭环运行。 3 2 4 控制方法的选择 目前，在系统综合要求较高的情况下，电机的控制多采用速度、电流双闭环 系统。内环采用电流控制，外环采用速度控制。电流跟踪控制的优点是：跟踪性 能良好、响应快速，通过改变控制系数的办法可以同时满足系统的鲁棒性、快速 性和精准性等多方面的要求，但其缺点是：数学模型过于复杂，系统参数调整比 较困难。而采用速度单闭环控制，系统数学模型简单、调整方便，采用简单的p i d 控制基本可以达到精确调速的目的，但其缺点是很难同时兼顾系统的鲁棒性、快 速性和精准性等多方面的要求。 本系统的无刷直流电机是用于驱动空调压缩机，其特点是系统使用场合干扰 比较大，但是由于压缩机的运行速度是依靠温度来调节，因此负载瞬时变化幅度 小，对控制系统的鲁棒性、快速性要求不是很高，同时兼顾系统的复杂程度、可 靠性以及成本等因素，本系统采用速度闭环控制策略。通过对反电势过零点检测 得到转子当前的位置，并通过软硬件间接计算出电机的转速，控制电子换向器进 行换向，实现系统的闭环运行。芯片检测到电机反馈的实际速度，然后和给定速 度进行比较，得到误差信号，进行p i d 调节，控制系统的脉宽和占空比的输出。 3 2 5 系统启动方法的选择 对于无位詈传感器无刷直流电机的启动是一个关键问题。由于无刷直流电机 在静止的时候没有感应电动势，因此这种控制方式无法实现自起动，它的起动需 要单独设计1 1 7 。目前主流的启动方式有： ( 1 ) 硬件启动 专门设计一个启动电路产生电机的启动信号。采用这种起动方式，电机可 以实现升频升压起动，并可在一定的负载下起动，起动条件也不苛刻，是一种较 成功的起动方式。但是这种起动方式的最大缺点就是附加的起动电路加大了电机 的尺寸，对于广泛应用于微型电机中的无刷直流电机是个不小的障碍，而且对电 机的可靠性也有所降低。 ( 2 ) 预定位启动方式 1 6 两北i 业人学硕十学何论文 第二章系统的总体方案设计和论证 为了克服硬件起动电路的缺陷，在电机控制中，有很多的设计是采用软件起 动的方式来实现的。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x 相、z 相绕组通电，y 相绕组断电，延时使电机转子定位于磁极中心线 和x 相绕组轴线重合的位置并停止摆动后，再使y 相、z 相绕组通电，x 相绕组断电， 转子磁极中心线在磁场力的作用下，从x 相绕组轴线向y 相绕组轴线位霄转动，这 样使三相绕组依次导通截止。当转子达到一定速度后，就能够在定子绕组中感应 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到反电动势换向工作 状态，完成了电机的起动| 1 8 , 3 1 1 。 这种起动的方式虽然实现起来比较简单，不需要外接电路，但对切换时间要 求比较严格，一般只用于空载起动，当电机惯量不同或带一定负载起动时，就要 调整切换时间，否则就会起动失败甚至造成电机反转。 ( 3 ) 三段式启动 三段式起动通常是按他控式同步电动机的运行状态从静止开始加速，直至 转速足够大，再切换至无刷直流电机运行状态。包括转子定位、加速和运行状态 切换三个阶段。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 。 综上所述，硬件起动要增加外围电路，而预定位起动方式的换相时间又与电 机特性联系密切，因而本系统采用三段式起动方法，利用纯软件实现电机的开环 起动。 3 2 6 功率因数校正电路的选择 为了减小用电设备对于电网的谐波污染，满足绿色环保的要求。需要设计功 率因数校正电路。目前的功率因数校正电路分为两类，有源和无源。 ( 1 ) 无源功率因数校正 此方案通过在原有电路上增l j i ：i l c 电路，见图3 2 ，利用电感的蓄流以及二极管 的单向导通特性使电流提前导通来抑制电流谐波的产生。 当2 2 0 v a c 电源经过全波整流后，脉动直流电在0 一2 区间内给电容c l 充 电，同时当电压值u 。小于u ，( u ，为电解电容c 2 处电压) 时，由于二极管d l 的 单向导通性，回路d 1 一l 2 c 2 并没有电流流过，当u 。逐渐升至u ：时，d l 开始 1 7 两北t 业大学硕十学付论文第三章系统的总体方案设计和论证 导通，电解电容c 2 开始充电，在n 2 一区间内，由于电源电压开始下降，交 流电容c 1 丌始放电，同时电解电容c 2 也开始放电，c 1 原“正极”电压下降，“负 极”电压上升，最终“正负极”交换，需要注意的是c 1 放电结束后，靠近l l 处 的电压依然比较高，而且因为二极管d l 的存在，保证了c 1 右边相对于左边有一 个正向电压。在- - 3n 2 区间内，随着电源电压的增大，因为c l 左边电压比 较低，因此电源电压升到c 1 左边电压时，将有电流产生，这样电流比原来方案 将提前产生，减小了电流和电压的不同步性，从而降低了部分高次谐波含量。 图3 2 无源功率因数校正电路原理图 无源滤波方式结构简单、运行可靠、维护方便，然而，无源滤波方式的缺陷 却也是其本身不可弥补的，这些缺陷包括：无源滤波装置有效材料消耗多、体积 大；只能做成对某几次谐波有滤波效果，且滤波效果易受元件或系统参数、以及 电网频率等变化的影响；在某些条件下可能和系统发生谐振，引发事故；当谐波 源增大时，滤波器负担随之加重，以至可能因谐波过载不能运行等。 ( 2 ) 有源功率因数校正睥0 1 对于功率比较大的用电设备需要加装有源功率因数校正( a p f c ) 电路。一 般采用升压型( b o o s t 型) 。图3 3 为b o o s t 型功率因数校正原理图。 工作原理如下：主电路的输出电压v 0 和基准电压v r 比较后，输入给电压误 差放大器v a ，整流电压v d c 检测值和v a 的输出电压信号共同加到乘法器m 的输入 端，m 的输出作为电流反馈控制的基准信号，与开关电流i 。检测值比较后，经过 电流误差放大器c a 加到p 1 1 f 及驱动器，以控制开关t r 的通断，从而使输入电流( 即 电感电流) i 的波形与整流电压v d c 的波形基本一致，使电流谐波大为减少，提 高了输入端功率因数，由于功率因数校正器同时保持输出电压恒定，使下一级开 关电源更加容易设计。 有源功率因数的优点是：输入电流连续，e m i d x ，r f i 低；输入电感可以减小 对于输入滤波器的要求，并且可以防止主电路高频瞬态冲击；容易驱动功率开关， 1 r 西北t 业大学硕十学位论文 第二章系统的总体方案设计和论证 其参考端点( 源极) 的电位为零。 缺点是：输入、输出之间不隔离；若开关s 、二极管d 和输出电容形成的回路 中有杂散电感，容易形成危险的过电压，对开关s 的安全运行不利。 l - 一一 图3 3b o o s t 有源功率因数校正原理图 按照不同的控制方式，有源功率因数校正器可分为以下三种： 电流峰值控制法：最主要的问题是电感电流的峰值i 。与高频状态空间平均值 之间的误差，在一定条件下相当大，以至无法满足使t h d 很小的要求。此外，峰 值对噪声相当敏感。 电流滞环控制法：缺点是负载大小对开关频率影响甚大，由于开关频率变化 幅度大，设计输出滤波器时，要按最低开关频率考虑。因此，不可能得到体积和 重量最小的设计。 平均电流控制法：由于工频电流的峰值是高频电流的平均值，因而高频电流 的峰值比工频电流的峰值更高。t h d 很d x ，对噪声不敏感，电感电流峰值与平均 值之间的误差小，原则上可以检测任意拓朴、任意支路的电流。 基于上述分析，本项目采用有源功率因数校正方案，平均电流控制方式。 1 9 两北t 业大学硕十学 市论文第阴章关键技术研究 4 1 三段式启动 第四章关键技术研究 由于无位置传感器无刷直流电机在静止和低速时很难检测到准确的位置，因 此启动时需要采用它控式同步电动机的启动方式( 外同步方式或开环启动方式) ， 从静止开始加速，直至转速足够大，再切换到无刷直流电动机的运行方式( 自同 步方式或闭环方式) ，即依靠转予位置信号来控制逆变器功率管的导通与关断。 这个过程称为三段式启动技术，包括转子定位、加速、运行状态切换三个阶段嗍。 4 1 1 定位 对于无位置传感器模式，在启动之前，转子位置是未知的。因此需要预先定 位来确定转子的位置或者将转子放在一个确切的位置。本系统通过软件控制的方 法实现电机的定位。 定位阶段，需要将转子放在一个确定的，事先知道的位置。因此在此阶段需 要保持定子绕组中的电流方向恒定，以确保转子移动到期望的位置。当转子接近 启动位置时，为了避免转子的抖动，需要给所有的绕组通电流，如图4 - 1 。 v 位置 z 图4 - 1 转子定位原理图 开关管v t l 、v t 5 、v t 6 开通，这时x 相绕组的电流为正，y 、z 相电流为负，且 i ，= i z = 1 2 i 。，这样转子就处于图4 1 的中问位置。由于此时的转子位置已知， 因此可以按照下确的启动顺序给绕组加电就可以启动。 为了将转子拖动到一个确定的位置，需要按照预定的顺序给绕组通以电流。 传统的方法是通入一个恒定的电流，等待转子转动到预定的位置，这样作的好处 2 0 西北1 一业大学硕十学忙论文第四章关键技术研究 是编程简单，但缺点是容易引起转子抖动。本文采用另外一个办法，能够避免这 个问题。给定子通入一个按照某个斜率缓慢增长的电流，并作用足够的时间让转 子到达预定位置。考虑到电机具有惯性，因此电流需要足够大。但是电流太大会 导致转子在其最终位置左右抖动，因此电流需要按照某个斜率缓慢增大。这个电 流斜率由确定的步数组成，每一步的时间长度相同，但是幅值不同。图4 2 给出 原理示意图，横坐标表示加电次序，纵坐标表示占空比和对应的电流幅值。在实 际操作时根据需要调整占空比的大小，必须要有足够大的电流和足够长的时间才 能完成预定位1 2 ”。 占 空 比 电 流 甙 加电次序 4 。1 。2 外同步 图4 2 预定位加电示意图 定位结束后，电机开始启动、加速，进入外同步状态( 丌环启动) 。根据电 机的运转方向，确定最初应该导通的两个开关管，然后依次导通其他的开关管。 在每个组合导通的过程中，不断的缩短导通的时间，提高输出的电压。使电机由 静止迅速加速到某一转速，以便检测反电势过零点。当进入自同步阶段，加电的 大小由闭环自动调节，不再与启动时的参考电压或电流有关。 定位完成后，为了避免启