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摘要 无刷直流电机无位置传感器控制技术研究 摘要 论文从无刷直流电机无位置传感器控制技术的具体实践出发，在借鉴国内外 已有研究成果的基础上，分别针对电机转子位罱检测、电机换相、起动和p w m 调制方式等问题，从理论和实践两方面展开较为全面的研究。 介绍了无刷直流电机的基本结构、：亡作原理和控制方式。总结了各种转子位 置检测方法的优缺点，通过对比分析，选择了端电压法作为本课题的方案。并提 出使用软件滤波的方法解决端电压中含有大量噪声，干扰严重的问题，克服了以 往使用低通滤波引起的相位误差大，难以精确补偿的缺点，提高了转子位置检测 的准确性和精度，增加了系统运行的可靠性。反电势法中不可避免地会存在转子 位置检测误差，论文对误差产生的原因进行了分析，给出补偿方法。针对无位置 传感器控制条件下电机起动容易失败的难点，在分析常用“三段式”起动方法和 “自寻晟佳点”切换法的基础上，提出一种新的起动方法，克服了前两种起动方 法易失败的缺点，并在试验中证明该方法具有简单、易行、可靠的优点。 论文对p w m 调制方式对无刷直流电机无位嚣传感器控制系统的影响进行了研 究和探讨。首先简述了无刷直流电机的数学模型和常用的五种p w m 调制方式，然 后详细分析了各种调制方法对电磁转矩的影响，对换相转矩脉动的影响，对关断 相电流的影响，总结了各种调制方法的优缺点，对调制方式的选择有指导意义。 在以上研究分析的基础上，使用c 8 0 5 l f 3 3 0 作为控制核心，设计完成了一套 完整的无刷直流电机无位置传感器控制系统，具有很高的成本优势和可靠性。详 细介绍了软硬件设计方法。通过对系统运行中端电压的实测波形分析，表明该系 统具有良好的运行性能，达到了设计要求。对低功耗、小成本的无刷直流电机无 位置传感器控制器的设计有参考价值。 关键词：无刷直流电机无位置传感器反电动势p 1 v m 调制方式单片机 江南大学硕二i 二学位论文 t h e s t u d yo ns e n s o r l e s sc o n t r o l1 1 e c h n o l o g y f o r b r u s h l e s sd c ( b l d c ) m o t o r a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h er e s e a r c ho ft h ec o n t r o lo fb r u s h l e s s d cm o t o r ( b l d c m ) w i t h o u tp o s i t i o ns e n s o r s i na l l u s i o nt ot h ek e yp r o b l e m o nt h ec o n t r o lo fb l d c m ，t h em e t h o d so fr o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o n ， c o m m u t a t i o na n ds t a r t i n go fm o t o ra n d t h ei n f l u e n c e so fd i f f e r e n t s w i t c h i n gm o d eo fp w ma r ed i s c u s s e di nt h e o r ya n dp r a c t i c e ， b a s e do no f r e f e r r i n gt ol o t so fl i t e r a t u r e s t h ed i s s e r t a t i o ne x p o u n d st h eb a s i cc o m p o n e n tp a r t s ，t h er u n n i n g p r i n c i p l ea n d t h ec o n t r 0 1o fb l d c m s o m em e t h o d so fr o t o rp o s i t i o n d e t e c t i o na r ed i s c u s s e d t h e nt h ec h a d t e rd i s s e r t a t e st h es o f t w a r e r e a l i z a t i o no ft h eb e m fz e r oc r o s s i n gp o i n td e t e c t i o na l g o r i t h mb y m e a s u r i n gs u p p l yv o l t a g e ，a n dt h em o d i f i c a t i o no fp h a s ed i s p l a c e m e n t t h e t h r e e s t e ps t a r t i n gt e c h n i q u ei n c l u d i n gp o s i t i o n i n gt h er o t o r ， a c c e l e r a t i n ga n dc h a n g i n gt h es t a t ei sd e s c r i b e di nd e t a i l i nt h e d i s s e r t a t i o n b a s e do nt h r e e s t e ps t a r t i n gt e c h n i q u ea n df i n d i n gb e s t o c c a s i o nm e t h o d ，an e ws t a r t i n gt e c h n i q u ei se x p o u n d e d i ti se a s ya n d c r e d i b l e d i f f e r e n tp w mm o d eh a sd i f f e r e n ti n f l u e n c eo nt h ec o n t r o ls v s t e mo fb l d c m o t o r s t h em a t h e m a t i cm o d e la n df i v et v d e so fp 删m o d ea r ed i s c u s s e d d i f f e r e n tp w mm o d eh a sd i f f e r e n ti n f l u e n c eo nt h ep u l s a t i n gc u r r e n t g e n e r a t e db yb e m fi nt h es w i t c h o fp h a s e ，w h i c hm a ym a k ec o 唧u t a t i o ne r r o r i nt h ec o m u t a t i o nc o n t r o la n dt h e nd e c l i n et h er e l i a b i l i t va n d t h e s t a b i l i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e m t h eb e s tp w mm o d ei nf i v et y p e st or e d u c e i t si n f l u e n c eo nt h ec o m m u t a t i o nc o n t r 0 1i ss e l e c t e d t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mi s d i s s e r t a t e di nd e t a i l t h ek n o w l e d g eo nc f 8 0 5 1 f 3 3 0i si n t r o d u c e da n d w h y t os e l e c ti t i sd i s c u s s e d t h eh a r d w a r ed e s i g nf i r s te x p o u n d st h ew h 0 1 e d e s i g n t h ev 0 1 t a g ew a v eo ft h es y s t e mi sg i v e n t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a t t h es y s t e mh a se x p e c t e dg o o dp e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t y k e yw o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o r ，s e n s o r l e s s ，b a c k e m f ，p w m l o d e ， s i n g l e c h i pm i c r o p r o c e s s o r s 独创性声明 y9 6 8 0 0 5 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。尽我所知，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 本人为获得江南大学或其它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已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：纽 日期：删年弓月留日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学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，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，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 日期：加嵋年弓月，f 日 1 绪论 绪论 o 1无刷直流电机概述 直流电动机具有运行效率高、调速性能好等诸多优点。但是传统的直流电动 机的换相器和电刷在电动机高速转动时容易产生噪音、电火花，从而减少电机寿 命，甚至引起火灾、爆炸等事故。再加上制造成本高、维修困难，限制了直流电 动机在许多场合下的应用。为了解决传统的直流电动机带来的种种问题，早在本 世纪3 0 年代，就开始研制以电子换相来代替机械换相的无刷直流电动机，但只 是停留在实验室研究阶段。近年来随着微处理器技术的发展和高开关频率、低功 耗新型电力电子器件的应用，以及控制方法的优化和低成本、高磁能积的永磁材 料的出现，无刷直流电机进入了实用阶段。 无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机一样，但它的电枢绕组放在 定子上，转子上安装永久磁钢。电枢绕组一般采用多相形式，经由驱动器接到直 流电源上，定子采用电子换相代替有刷电机的电刷和机械换相器，各相逐次通电 在空间产生磁场和转子磁极主磁场相互作用，产生转矩使电动机旋转。无刷直流 电动机一般可以分为两类：正弦波型永磁无刷直流电动机和方波型永磁无刷直流 电动机。正弦波型永磁无刷直流电动机反电势波形和供电电流波形均为正弦波， 一般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，所以一般用于伺服控制系统。方波型永磁无刷直 流电动机的反电势波形和供电电流波形均为方波，控制系统对转子位置信号要求 不高，只需获得若干个转子关键位置的离散信号。具有成本低、结构简单、控制 方便的优点，因此应用范围广泛。本课题研究的是方波型永磁无刷直流电动机， 在论文中不做特殊说明的地方均指这类电机。”4 无刷直流电动机由于具有较高的功率密度和较小的体积，在中小功率驱动领 域得到广泛应用。又由于其没有机械换相装置，使其最高转速不受机械换相器的 限制，因此在高转速领域应用不可替代。1 。目前在工业先进的国家，在其工业自 动化领域中己经实现了以无刷直流电动机代替有刷电动机的转换。无刷直流电动 机还在其它的领域得到了很广泛的应用，如办公自动化领域、视听领域、汽车和 电动车辆中的应用、现代家用电器中的应用“1 。国内高校、研究单位开展无刷直 流电机的研究已有时日，积累了丰富的理论和经验，但大部分仍处于仿真或实验 室阶段。近几年来无刷直流电机得到了大量的应用，许多冰箱空调厂商宣传的直 流变频产品就是采用无刷直流电机，还有电动自行车基本全部采用的是无刷直流 电机。因此，与生产厂家共同开发此类科技成果，使之产业化具有广阔的发展前 江南大学硕士学位论文 r o o 2 无刷直流电机无位置传感器控制研究现状 准确的检测转子位置是控制无刷直流电机正确换相的关键。用位置传感器作 为位置检测装置是最直接有效的方法，利用传感器得到的位置信号经过门电路、 模拟开关或专用芯片就可以得到控制逻辑信号，实现电机的换相。然而这些传感 器对环境条件很敏感，如振动、潮湿和温度变化都会使性能下降，使得整个传动 系统的可靠性难以得到保证。传感器还大大增加了电气连接线数目，给抗干扰设 计带来一定困难。在精确的位置伺服系统中，位置传感器也占了整个系统成本的 一大部分，有些微型和小型电机由于空间有限，没有安装传感器的余地。 由于传感器有上述诸多缺点，所以，在近年来对无刷直流电机无位置传感器 控制的研究比较多，国内外文献对无刷直流电机无位置传感器控制的研究集中于 以下几点： 1 无位置传感器无刷直流电机转子位置的检测方法 反电势过零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 种转子位置信号检测方法。实现方法多用“端电压法”和“相电压法”。这种方 法的基本原理就是在忽略永磁无刷直流电机电枢反应影响的前提下，利用无刷直 流电机的端电压或相电压检测反电动势的过零点或换相点实施换相控制，驱动电 机运转。对于端电压或相电压大小的检测，文献 5 使用低通滤波器进行滤波， 并延时9 0 电角度得到反电动势的过零点信号，由于电机转速的改变而导致滤波 电路引起的延时发生变化，使得补偿困难；文献 6 不使用低通滤波器，而是通 过将直流电压分压得到的参考电压与各相端电压分压后的电压进行比较，从而可 以准确地获得反电势过零点时刻。此过零点信号不经过滤波，因此不存在相移。 文献 7 使用软件滤波的方法，也可以避免滤波引起的相移。 反电势过零法也有两个弱点：起动困难和误差补偿。当电机静止时或转速较 低时，反电势为零或很小，很难通过反电势过零点检测来得到正确的位置信号， 使得电机起动困难。此外，反电势法因为忽略了电枢反应对气隙合成磁场的影响， 故在原理上就存在一定的误差。且反电势系数k e 越小或电机转速越低，误差就 越大，所以在反电势法的永磁无刷直流电机的无位置传感器控制中，要有一定的 误差补偿措施。文献 8 、 9 对此作了详细的分析并给出了补偿办法，取得了一 定的效果。 另外还有反电动势积分法“”“，以及利用电机相电流信号来估计转子位置 信息，如直接电流检测法“、电流变化率检测法“”“1 和续流二级管法等“。此外 还有可以通过转子磁链的值来确定其位置信号，但电机转子磁链不能直接检测得 2 l 绪论 到，为了获得电机转予磁链值，必须先测量电机的相电压和电流，再结合电阻值， 计算磁链值。目前从磁链的角度估计转子位置信号的方法有两种：磁链函数法 “”，转子磁链3 次谐波法”“”1 。卡尔曼滤波器法估计转子位置和转子速度的方 法最早是由m s c h r o e d l 于1 9 8 8 年提出的，根据卡尔曼状态方程，应用电机测量 电压和测量电流就可得到转子位罱的初步估测”3 。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”“。 2 无位置传感器无刷直流电机转子的定位与起动 无刷直流电机在静止或低速时感应电势为零或很小，很难用来判断电机转子 磁极的位置，因此必须利用其他方法对电机转子定位和起动，最常用的方法是“三 段式”起动技术。”1 ，即“转子定位”、“外控同步加速运行”、“自控同步运 行”三个阶段。这种方法的关键在于“外控同步”阶段到“自控同步”阶段的切 换，这关系到无刷直流电机起动的成败。实际应用中需经过多次调试确定电机的 最佳切换速度，带来繁重的工作量。而且这种方法使切换时电机转矩小，易受干 扰，当负载变化时又必须重新调整切换转速。针对这一问题，文献 2 9 、 3 0 提出了“自寻最佳点”切换法，其原理示于图o 1 。在外控同步运行过程中，由 微机按一定的压频比输出频率不断增加的三相外同步信号( s a 、s b 、s c ) ，同时 检测由位置检测电路输出的自同步信号( v a 、v b 、v c ) ，计算某相( 如图中a 相) 二者之差6 ，当6 达到某一阀值时即可以进行切换。这样就避免了由于外同 步信号与反电势换相信号间相位失调进而导致电机失步。同时，通过调节阈值 6 可以对切换时电机的转矩予以精确控制，并且由于切换点由计算机自动找寻， 亦省去了进行多次调试以找寻最佳切换点的繁琐工作。本课题将这两种方法有机 的结合起来，有效的保证了电机的顺利起动，具体见2 2 节。 切换 时刻 d l 6 26 3 图0 1 切换过程波形图 另外文献 3 1 提出短时检测脉冲转子定位起动法。该方法的原理和实现如 下：永磁体转子对带铁心的定子线圈具有增磁或去磁作用：使线圈电感l 减小或 增大，转子的位置不同，线圈电感的大小不同。当对定子绕组施加固定脉宽的检 测脉冲后，不同的检测峰值脉冲电流对应不同的铁心电感，通过成对比较铁心线 圈电感的大小，逆推回去，就可检测出转子的位置，从而实现转子的定位。在起 动的过程中，发出检测脉冲确定转子的位置，然后再确定将要通电的相序并进行 加速，不断重复检测一加速一检测一加速，直到电机转速高到可以用反电势法检测 江南大学硕士学位论文 转子位置时为止，此时再把电机切换到无刷直流电机运行状态，从而完成电机 的起动过程。短时检测脉冲转子定位法的优缺点：( 1 ) 转子定位时能保证电机转 子在起动时不产生振荡，加速时控制简单，易于实现；( 2 ) 这种起动方式是建立 在铁心电感磁饱和基础之上的，如果无刷直流电机的定子绕组不是铁心线圈，比 如是空心线圈或电机转子本身是一个标准的圆柱状永磁体，则以上方法的可靠性 将降低。因为这样很难准确区分出电流脉冲峰值的大小，从而无法实现转子的定 位，也无从实现电机的可靠起动。 3 无刷直流电机转矩脉动问题 按转矩脉动产生的原因，可分为：电磁因素引起的转矩脉动、电流换相引起的 转矩脉动等。 ( 1 ) 电磁因素引起的转矩脉动的抑制方法： 文献 3 2 提出采用电流最优开通角来降低电机转矩波动的方法。首先推导出 转矩脉动与开通角之间的函数关系式，再求取电流最优开通角，使电流波形和反 电势波形的配合适当，通过控制最优开通角而达到削弱转矩脉动的目的。文献 3 3 、 3 4 提出谐波消去法，根据反电势和电流的各次谐波分量之值可以计算出 转矩的各次谐波分量。对于一台给定的电机，只要其反电势一定，通过优化定子 电流就可以消除主要的转矩谐波分量，从而达到减小转矩波动的目的。 ( 2 ) 电流换相引起的转矩脉动的抑制方法： 文献 3 5 通过引入直流侧和交流侧电流反馈的方法，在低速下对非换相相电 流进行控制以及在高速下对续流相电流下降速率进行控制的方法，抑制换相过程 中的非换相相电流的波动，从而减小换相电流脉动，仿真和实验证明有着很好的 效果。文献 3 6 根据理论分析提出根据反电动势e m 的大小把电机运行范围分成 中低速区和高速区，( 直流母线电压v d c ) e m v d c 4 的中低速区，在换相期间 开通相按占空比d = 4 e m v d c 进行p w m 调制；在e m v d c 4 的高速区，开通两相 常开，关断相按占空比d = ( 4 e - v d c ) v d c 进行p _ | i m 调制，换相电流脉动已经接 近于零。但是方法比较复杂，难以精确控制，不易实现。文献 3 7 对上述方法进 行了改进，大大减少了控制的复杂性，原理是在换相期间通过滞环比较器直接控 制非换相相电流来减少换相转矩脉动，仿真验证了控制方案的可行性。 无刷直流电机转矩脉动问题是一个比较复杂的问题，目前还没有有比较完善 的解决方案，并且提出的解决方法大多数仅仅停留在仿真阶段，实现起来还有一 定的困难，因此还需要进一步的研究。 4 数字控制技术 如今，随着微电子技术的迅速发展和微处理器技术的日益更新，高速微处理 器和d s p ( 数字信号处理器) 的出现，以及专用控制芯片的出现，使得无刷直流电 动机控制系统的运行速度、处理能力和基本性能有了很大的提高。无刷直流电动 绪论 机控制系统正由传统的模拟控制技术转向微处理器控制的数字技术。数字控制技 术使得许多硬件工作都有软件来完成，这样，减少了硬件电路，提高了可靠性和 性能，减小了尺寸，提高了效率。数字控制技术不仅使系统获得高精度、高可靠 性，还为新的控制理论( 如矢量控制、直接转矩控制、参量自适应控制、模糊控 制、神经网络控制等) 的应用提供了物质基础”。特别是适用于实时控制的： 业单片机和高速数字信号处理器( d s p ) 在调速系统中的应用，这大大简化了系统 结构，提高了系统的性能。因此在今后的相当长时间内发展基于微处理器的全数 字式变频调速系统将一直是研究的重点。 目前，对无刷直流电机无位置传感器控制的研究主要集中在上述几个方面。 总的来说，理论上的研究比较多，但真正用于生产实践的却比较少。本文针对这 方面的不足，从具体实现的角度，对无刷直流电机无位置传感器控制中存在的问 题进行了深入的研究，将在以后的章节中详细讨论。 0 3 课题研究的目的和内容 综上所述，无刷直流电机不仅在工业中广泛使用，而且正向家电、信息产品 等消费品领域迅速发展，有着十分巨大的市场潜力。然而，无刷直流电动机相对 于其它类型电动机来说还是一种新型电动机，研究和应用还不十分的成熟和完 善，而且目前是研究的较多而用于生产实践的比较少，国内这方面的差距更大。 因此，对无刷直流电机无位置传感器控制技术进行研究有着十分重要的理论意义 和实践价值。 本课题研究的内容是以航模用无位置传感器无刷直流电机为控制对象，设计 一套采用检测端电压法的无刷直流电机无位置传感器控制器4 。在原理分析的基 础上进行电路设计和软件的编写，并完成系统的实际调试运行。课题的具体工作 如下： 1 介绍检测端电压法的无刷直流电机无位置传感器控制方式的原理，详细 阐述转子位置的检测以及转子位置误差的补偿，并详细给出了使用软件滤波的具 体实现方法。 2 详细阐述无刷直流电机无位置传感器控制系统的起动问题，提出解决方 案，并通过试验对其进一步验证。 3 详细分析p w m 调制方式对电机电磁转矩、换相转矩脉动和关断相电流的 影响，并通过m a t l a b 仿真验证分析结果，总结出各种p w m 调制方式的优缺点。 4 设计控制系统的硬件电路，使用p r o t e l 9 9 s e 完成印刷电路板的设计； 借助c 8 0 5 1 f 3 3 0 单片机仿真器完成软件设计和系统调试，对调试结果进行分析。 # 本课题获得龙泰一江大技术服务合同6 1 0 a 无感无刷直流电机控制器) 资助。 江南大学硕士学位论文 第一章无刷直流电机的工作原理和控制方式 1 1 无刷直流电机的结构和工作原理 一般的有刷直流电动机的定子由永久磁钢组成，并在电动机气隙中产生磁 场，电枢绕组放在转子上，通电以后产生反应磁场。由于电刷的换相作用，使得 这两个磁场的方向在直流电机运行过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩 驱动电动机不停的旋转。无刷直流电动机与有刷永磁直流电动机的结构刚好相 反，电枢绕组在定子上，而永磁磁钢在转子上。使用位置检测电路、电子换相电 路来共同构成电子换相装置，使得无刷直流电机在运行过程中定子绕组所产生的 电枢磁场与转动中的转子磁钢产生的永磁磁场，在空间始终保持9 0 。左右的电 角度。1 。所以，无刷直流电机的基本结构可以认为由电子换相电路、电机本体以 及位置检测电路三者共同组成。 无刷直流电机的电机本体在结构上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。其定子绕组一般为多相( 三相、四相、五相等) 结构，转子按 一定极对数( p = 1 ，2 ，) 组成。无刷直流电机的运行方式因电动机本体的绕组 型式不同而各异，多数无刷直流电机的定子绕组是三相绕组，本文针对这种结构 的无刷直流电动机来进行分析研究。 机本体 图1 1 三相全控电路方式 三相绕组无刷直流电机绕组的连接方式有三相星形连接和三相三角形连接。 三相星形连接有两种运行方式：三相半控电路方式和三相全控电路方式，三相半 控电路方式结构简单，但是每个绕组只通电1 3 周期的时间，因此利用率很低， 转矩的波动也大。三相全控电路运行方式转矩脉动小，绕组利用率高，所以在大 部分场合都采用三相全控电路方式。图1 1 所示为三相全控电路方式。三相全控 方式因同时导通的绕组数的区别而分为两两导通方式( 也称为1 2 0 。导通方式) 和三三导通方式( 也称为1 8 0 。导通方式) 。两两导通方式就是指每一瞬间有两个 l 无刷直流电机的：1 ：作原理和控制方式 功率管导通，每隔l 6 周期( 6 0 。电角度) 换相一次，每次只换相一个功率管，每 个功率管导通1 2 0 。电角度，如图1 】所示，各功率管的导通顺序依次是v 6 v l 、 v 1 v 2 、v 2 v 3 、v ：j v 4 、v 4 v 5 、v 5 v 6 。 ( a ) f b c ( b ) ( c ) ( e ) ( f ) 图1 2 定子磁场旋转示意图 其工作原理为：当功率管v l 和v 2 导通时，电流经v 1 管从a 相绕组流入， c 相绕组流出，再由v 2 管回到电源地，如图1 2 ( a ) 所示。这时两相绕组中的电 流在空间产生的合成磁场方向为如图1 2 ( b ) 中所示的f a c 的方向，该磁场与转 子磁场相互作用，使转子沿图1 2 ( a ) 箭头方向( 顺时针) 转动。当转子转到如 图1 2 ( c ) 所示位置后，v 1 管关断，v 3 管导通，电流经v 3 管，从b 相绕组流入， c 相绕组流出，再由v 2 管回到电源。这时两相绕组中的电流在空间产生的合成 磁场方向为如图1 2 ( d ) 中所示的f b c 的方向，该磁场与转子磁场相互所用，使 转子继续朝顺时针方向转动，如图1 2 ( c ) 箭头所示。当转子转到如图1 2 ( e ) 所示位置后，v 2 管关断，v 4 管导通，电流经v 3 管，从b 相绕组流入，a 相绕组 流出，再由v 4 管回到电源。这时两相绕组中的电流在空间产生的合成磁场方向 为如图1 2 ( f ) 中所示的f b a 的方向，该磁场与转子磁场相互作用，使转子保持 朝顺时针为向转动，如图1 2 ( e ) 箭头所示。如此，在v 1 v 2 v 3 v 4 v 5 v 6 六个管子 的循环轮流导通控制下，每两相之间依次馈电，转子磁场始终受到定子合成磁场 的作用，使得转子沿顺时针方向连续转动，实现电机的旋转。不难看出，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6 0 。电角度。 从上述的分析中可以看出，转子每转过6 0 。电角度，逆变器开关管之间就进 行一次换流，定子磁状态就改变一次。电机总共有六个磁状态，每一个磁状态都 终 哆，、 桨一 江南大学硕：i ：学位论文 是两相导通，每相绕组中流过电流的时问相当于转子旋转1 2 0 。电角度的时间， 每个开关管的导通角为1 2 0 。电角度，所以这种逆变器称为1 2 0 。导通型逆变器， 这种导通方式习惯上也称之为1 2 0 。导通方式。本文针对1 2 0 。导通三相六状态 星形连接稀土永磁无刷直流电机进行分析研究。 1 2 无刷直流电机的控制方式 无刷直流电机的控制方式按照有无位置传感器分为两种：带位置传感器方式 和无位置传感器方式。 1 2 1 带位置传感器控制方式 无刷直流电动机定子上安装位置传感器来检测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，提供正确的换相信息，使电动机电枢绕 组中的电流随着转予位置的变化按次序换相，在空间形成步进式的旋转磁场，驱 动永磁转子连续不断地旋转。所用的位置传感器有电磁式位置传感器( 如磁阻旋 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。电磁式位置传感器由于笨重、复杂，在方波电机中基本上已经被淘汰； 光电式位置传感器轻便可靠、安装精度高、调节方便，应用较为广泛；磁敏式位 置传感器应用也很广泛，例如霍尔位置传感器目前有比较成熟的i c 器件，具有 体积小、简单可靠、安装灵活方便、易于实现机电一体化等优点，是目前应用最 为广泛的位置传感器。 相对于无位置传感器控制方式，其控制方法简单，控制电路成本低，较多的 应用于电动自行车、洗衣机等。 1 2 2 无位置传感器控制方式 正如电刷和机械换相器限制了有刷直流电机的应用一样，位置传感器的存在 也给无刷直流电机带来诸多不利影响： ( 1 ) 为安装位置传感器而增加了电机的体积和成本，例如在家电产品领域，由 于对成本的敏感，使得增加传感器所带来的额外费用不可接受： ( 2 ) 连线众多的位置传感器容易引入干扰而降低电机运行的可靠性，即便是应 用最为广泛的霍尔传感器也存在一定程度的磁不敏感区； ( 3 ) 高温、低温、污浊空气等恶劣工作环境会降低位置传感器的可靠性，例如 对于像压缩机类型的密封的无刷直流电机长时间在高温状态下工作，一般 不允许安装位置传感器： ( 4 ) 位置传感器的安装精度和灵敏度直接影响电机的运行性能，且其安装也增 加了生产的工艺难度。 由此可见，虽然带位置传感器的驱动方式简单、方便。但一定程度上限制了 l 无刷直流i b 目【的： 作原理和控制方式 永磁无刷直流电机的推广和应用，棚对而言无位罱传感器方式有比较大的优势。 因此，关于消除位置传感器的设想引起了广大研究人员的极大兴趣，并己有许多 实用方案：反电动势法，定子三次谐波法，电流通路监视法，电感法，状态观测 器法等等。然而各种方案都有其优缺点，并不适用所有应用场合。 ( 1 ) 反电势法 通过过检测电机反电动势来获得位置信号的方法，一般统称为反电势法。根 据对反电势的不同处理方法，反电势法又可以分为反电势过零检测法、数字锁相 环法、反电势积分法等。 1 1 ) 反电势过零检测法 由于无刷直流电机只需要转子的若干个关键位置信号，而某相绕组的反电势 由正变负或由负变正而过零时，转子的直轴必与该相绕组的轴线重合，所以只要 测出各相反电势的过零点就可获得三相电机所需的转子六个关键位置信号。这种 方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信 号检测方法。因此本课题采用此方法检测转子位置，将在第二章中对这种方法进 行详细的讨论。 1 2 ) 数字锁相环法 在每个6 0 。激励区间内，锁定未导通相绕组的反电动势波形，根据其变化获 取位置信息”“。该方法硬件上需要三分频电路、锁相环电路等，电路结构较为复 杂，因此应用并不广泛。 1 3 ) 反电势积分法” 反电势积分法是将两相的反电势进行过零比较处理，得到逻辑电平后再对两 路逻辑电平进行积分，由于这两路逻辑电平积分值关系反映了相位关系，因此可 用于确定电机转子磁场位置。这种方法的优点是只需检测非导通相反电势的极 性，有利于提高低速性能，可用于多种形式变换器( 如桥式逆变器) 供电的梯形波 或f 弦波无刷直流电机。但是，这种方法需要进行积分比较，增加了检测电路的 复杂性，同时也增加了软件的运算处理量，使得成本增加，不利于实用化。 ( 2 ) 定子三次谐波法 由于无刷直流电机的反电势为梯形波，它包含了三次谐波分量。三次谐波在 基波的一个周期内有6 个过零点，而且每个过零点都和反电势的过零点一一对 应，因此，只要检测出三次谐波分量的6 个过零时刻即可得到功率器件的开关信 号。要将三次谐波分量检测出来，一种办法是在y 连接的绕组三个端子并联一组 星型连接电阻，两个中性点之间的电压即为三次谐波分量。当电机的中性点没有 引出线或不便引出时，可以用星型电阻中性点与直流侧的中点之问的电压来获得 三次谐波。不过它要用滤波器来消除高频分量。 同反电势法相比，3 次谐波法不需要深度滤波，因此不会产生过大的相移， 江南大学硕士学位论文 而且在低频段也可以进行位罱检测。但是在不能引出中心点的地方需要加入滤波 器，另外还要加入星形电阻，给安装带来了不便。同时，三次谐波的幅值小于反 电势的幅值，检测不易，特别是低速的情况下，三次谐波信号比较弱，易淹没在 噪声中，难以获得位置信号。 ( 3 ) 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相二级管的导通情 况来确定电机功率管的换相瞬时。1 2 0 。导通型无刷直流电机三相绕组中总有一 相处于断开状态，于是通过监视六个续流二级管的导通关断情况就可以获得六 个功率管的开关顺序。只要检测到续流二极管的导通状态，就可以知道反电势的 过零点，并做适当延迟后依次触发下一状态的功率管。这种方法实际上是一种变 相的反电势法。 该方法可以提高电机的调速范围，特别是可以拓宽电机的转速下限。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p _ | v m 斩波方式，增大了控制难 度。另外，对于续流二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。这种方法的转子位置误差也比较大，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，这就需要一定的 补偿措施。这种检测方法需在二极管上并列检测电路，这对于集成的功率器件很 难实现。正因为以上的种种缺点，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。 ( 4 ) 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。第一种电感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。在凸极机中，绕组自感可表示成绕组 轴线与转子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 转子轴线的大致位置。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，且只能应用于凸极机，所以现在较少应用。 与第一种方法相比，第二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，绕组电感会因为转子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，即可得到转子位置信号。 该方法中，低速时探测电压容易被反电势所湮没，所以起动技术的实现难度 较大，而且需要对绕组电感进行不问断的实时检测，所以应用不是很广泛。 ( 5 ) 状态观测器法 状态观测器法也称为转子位置计算法。它是指在获取绕组电压和电流的基础 上，通过坐标变换等方法直接计算转子位置。这类方法一般适用于正弦波电机， 对方波电机不大适用。此外，该方法的实现对数据处理要求较高，一般需要用到 1 0 无刷直流i b 机的- t 作原理和控制方式 d s p 之类的高速处理器，而这类处理器价格相对较高，开发成本大，所以一般也 不常用。 随着控制理论的不断发展，许多现代控制和智能控制如矢量控制、白适用控 制、模糊算法、神经元网络和专家系统等，均被用于无刷直流电动机的控制。智 能控制法是控制理论发展的高级阶段，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， 无刷直流电机是一个多变量、非线性、强耦合的控制对象，利用智能控制方法可 以建立被测相电压、电流和转子位置的相互关系，提取位置信号。但是这些方法 技术上还不是很成熟，理论上也需要进一步研究。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熟，智能控制方法必将会进一步推动无刷直流 电动机控制技术的发展。 1 3 小结 通过上面的介绍和分析可以看出，在各种无位置传感器控制方法中反电势法 具有线路简单、技术成熟、成本低等优点，尤其是反电势过零检测法简单易行、 最为成熟、可靠，应用也最多，是比较理想的无位置传感器无刷直流电机控制方 法。 但这种方法也有两个弱点，即：起动困难和误差补偿。当电机静止时或转速 较低时，反电势为零或很小，很难通过反电势过零点检测来得到正确的位置信号， 故这种方法严重影响了电机的调速范围。此外，反电势法因为忽略了电枢反应对 气隙合成磁场的影响，故在原理上就决定了检测存在一定的误差。同时，如果检 测反电势过零点的电路使用低通滤波器，将会使检测到信号发生较大的移位。所 以在反电势法的永磁无刷直流电机的无位置传感器控制中，必须要考虑误差补偿 措施。 本课题采用反电势过零检测法，在论文中把这种方法简称为反电势法。对反 电势法的两个弱点做了详细的阐述并提出具体的解决方法。 江南大学硕士学位论文 第二章无刷直流电机的无位置传惑器控制 如引言所述，无刷直流电机的无位置传感器控制主要解决的前两个问题是转 子位置的定位和起动。本章节对这两个问题进行深入的分析研究。 2 1 反电势过零点法的转子位置检测 反电动势波形严格地反映无刷直流电机转子磁极的位置，所以检测电机反电 动势波形就可以确定电机转子磁极的位置。但是，在实际应用中电机反电动势不 能被直接检测，因此必须利用间接方法检测或计算电机反电动势波形。本章介绍 了反电动势过零点的检测原理，推导出算法，给出实现方法；此外还分析了这种 方法产生的转子位置误差，并给出补偿方法。 2 1 1 反电势过零点法的原理 无刷直流电机的定子上放有电枢绕组，定子绕组所产生的电枢磁场与转子永 磁体产生的永磁磁场相互作用，使转子沿着一定的方向连续转动。转子旋转就会 在空间形成导体切割磁力线的情况。根据电磁感应定律可知，导体切割磁力线会 在导体中产生感应电势。所以，在转子旋转的时候就会在定子绕组中产生感应电 势，由于该电势方向与绕组中电流的方向相反，故称其为反电动势( b a c k e l e c t r o m o t i v ef o r c e ) 。简称反电势( b a c ke m f 或b e m f ) 。 对于稀土永磁无刷直流电机，其气隙磁场波形与永磁体形状、电机磁路结构 和磁钢充磁等有关，可以为方波、梯形波或正弦波，由此把无刷直流电机分为方 波电机和正弦波电机。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，所以可以方便的获得具有较好方波形状的气隙磁场，其 理想波形如图2 1 所示。 牛当扛 铲 石l 一抚 图2 1 方波气隙磁场分布图2 2 梯形波反i l 王势与方波电流 对于方波气隙磁场的电机，极对数q = 1 时，方波磁场在定子绕组中感应的电 势为梯形波，如图2 2 所示。对于两相导通星形三相六状态稀土永磁无刷直流电 机，方波气隙磁密在空间的宽度一般是1 2 0 。电角度，在定子电枢绕组中感应的 梯形波反电势的平顶宽一般大于1 2 0 。电角度。如前所述，方波无刷直流电机采 用方波电流驱动，即与1 2 0 。导通型逆变器相匹配，由逆变器向方波电机提供三 1 2 2 无删直流电机的无位置传感器控制 相对称的、宽度为1 2 0 。电角度的方波电流。方波电流应与电势同相位或位于梯 形波反l 乜势的平顶宽度范围内，如图2 2 所示。本文研究的无位置传感器控制方 法主要针对的就是这种具有方波气隙磁密分布、梯形波反电势的无刷直流电机。 t 1 丁 6 ( a ) ( b ) 图2 3 换相点和反i u 势过零点相位关系 在t 0 时刻转子d 轴滞后a 相绕组轴线3 0 。电角度，如图2 3 ( a ) 所示。为使 电机继续按顺时针方向转动，触发逆变器功率管v 2 和v 3 ，电流经v 3 管，从b 相绕组流入，c 相绕组流出，再由v 2 管回到电源。a 相绕组为悬空相，即a 相逆 变器功率管全部关断，没有电流流过。这时，定子在空间合成磁场方向为图2 3 ( a ) 中所示的f b c 的方向，f b c 和转子磁场相互作用，推动转子继续朝顺时针方 向转动。当转子转过3 0 。电角度后在t l 时刻，转子d 轴正好与a 相绕组轴线相 重合，此时a 相绕组的反电势e a 正好为零，如图2 3 ( b ) 所示。在理想情况下， 反电势过零点出现在每次换相后3 0 。电角度的时刻，由于是三相六状态导通， 每个状态是6 0 。电角度，所以反电势过零点延时3 0 。电角度时间后就是下一次 换相时刻。 入。 塾1 惑， 劢 o 3 6 ，。入 ； 一 n j ， 二 畸l v 1i 、4 v ： v 6v l _ j 气 v 5l v 2 图2 4 反电势波形和逆变器功率管触发顺序的组合关系 江南大学硕：t 学位论文 图2 4 给出了反电势波形和逆变器功率管触发顺序的组合关系，从图2 4 可 以看出，如果能够准确的检测到反电势的过零点信号，就可以判断出转子的位置， 经过3 0 。电角度延时处理后就可确定换相时刻，再根据导通顺序触发相应的功 率管进行换相操作，保证电机按固定的方向连续旋转。 2 1 2 反电动势过零点法的端电压法实现 对于两两导通三相六状态星形连接方波永磁无刷直流电机，电动机绕组中性 点0 一般未引出，直接测定绕组反电动势相值比较困难，而便于测量的是三相端 子对地的电压。以下分析表明反电势的过零点可以通过检测端电压间接获得。图 2 5 为无刷直流电动机定子相等效电路，其中l 是相电感，r 是相电阻，e x 是反 电势，v n 是电机定子绕组中性点对地电压，u 。、u ，、u 是每相输出端对地电压， 依图2 5 建立的三相端电压平衡方程为m 1 ： u 。：r + 三譬+ k + k ( 2 1 ) “i 以：取+ l 譬+ 既+ k ( 2 2 ) l u 。：啦+ 譬+ t + k ( 2 3 ) o 图2 5 定子相等效电路 由于采用的是两两通电方式，所以在每个瞬间只有两