（电力电子与电力传动专业论文）无刷直流电机控制系统的设计与研究.pdf

长春工业人学硕士学位论文 i i 型系统。 综上所述，本文所提出和设计的控制方案的思路经理论分析、仿真证明是可行的， 本文所研究的控制系统达到了设计任务的要求。该系统还具有结构简单、可靠性高等 特点，具有广泛的应用前景。 关键词：无刷直流电机位置检测闭环控制数字信号处理器数字控制系统 l l 长春工业人学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em e c h a n i c a lp o s i t i o ns e n s o ro fb r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) e f f e c t st h e d e p e n d a b i l i t y , t h ec o s ta n dt h ev o l u m eo ft h ew h o l es y s t e m , a n de v e nm a k e si tc a l ln o tb e u s e di ns o m eo c c a s i o n w h i l eb e c a u s ep e r m a n e n t - m a g n e tb r u s h l e s sd cm o t o r p o s s e s s e st h e a d v a n t a g e s o fs i m p l es t r u c t u r e ，r e l i a b l ep e r f o r m a n c ea n de a s ym a i n t e n a n c e ，i ti s w i d e a p p l i e di nv a r i o u sf i e l do fp r e s e n tn a t i o n a le c o n o m y t h i st e x ta d o p t sb a c k - e m fa s b a s i cc o n t r o lm e t h o do ft h es y s t e m , a f t e rr e a d i n gl o t so ff o r e i g na n dd o m e s t i cr e f e r e n c e s ， r e s e a r c h i n gi n t om a n yc o n t r o lm e t h o d so fb l d c m w i t h o u tp o s i t i o ns e n s o r , a n da n a l y z i n g t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e s em e t h o d s b e m fz e r oc r o s s i n gp o 幻td e t e c t i o ni s m o s t 、v i d e - a p p l i e dr o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o nm e t h o d 、i t l lm o s tr i p et e c h n i q u e a n di sm o s t e a s yt or e a l i z e n l i sm e t h o dm a k e se l e c t r o n i cc i r c u i t , w h i c hi sf o r m e db yt h r e e - p h a s e l o w - p a s s f i l t e ra n dv o l t a g ec o m p a r a t i v ee q u i p m e n t , i n s t e a do ft r a d i t i o n a lm e c h a n i c a l p o s i t i o ns e n s o r , a n dr e a l i z e st h ec a t c h i n go f r o t o rp o s i t i o ni n f o r m a f i o m i m p r o v e t r a d i t i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e lo fb l d c m ，a n de s t a b l i s h i m p r o v e d m a t h e m a t i c a lm o d e lo f m o t o rw i t h o mp o s i t i o ns e n s o l , t h i st h e s i se m p l o y ss t a t ee q u a t i o nt o b u i l dt h ed y n a m i cm o d e lo ft h em o t o r , a n ds i m u l a t e st h es y s t e mu n d e rd i f f e r e n ：tc o n d i t i o n o nt h eb a s i so f m a t h e m a t i c a lm o d e lo f i m p r o v e dm o t o rw i l l l o mp o s i t i o ns e n s o r , w es i m u l a t e c o n t r o ls y s t e m , c o m b i n i n gs o f tw a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n , t ot e s tt h ec o l t a - = 仃i e s so fc o n t r o l s e h e m e c h e c ke l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c ea n dr e d u c ep u l s a t i o nr o t a t i n gm o m e n t w ce m p l o y e l e c t r o n i cc o m p o n e n t s 埘t hb e t t e rf r e q u e n c yq u a l i t ya n dh i g h 盯s t a b i l , t od e s i g nl o w - n o i s e r e g u l a t e dc i r c u i tt oc h e c ke l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c e i nb l d c m ，t h e r ei sb i gp r o b l e mo f p u l s a t i o nr o t a t i n gm o m e n t i tm a k e sm o t o rc a nn o tr e a l i z em o r ec o r r e c tp o s i t i o nc o n t r o la n d b e t t e rs p e e d i n gc o n t r 0 1 s oi ns y s t e md e s i g n , w et a k ea p p r o p r i a t em e a s u r e st or e d u c e p u l s a t i o nr o t a t i n gm o m e n t b a s e do nd s pc o n t r o l l e r , w ed e s i g nt h eh a r d w a r ec i r c u i to fb l d c mw i t h o u tp o s i t i o n s e n s o r t h em c uo fs y s t e mi st h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 2d s pc h i p i ti se s p e c i a l l yd e s i g n e df o r m o t o rc o n t r o la n dp e r f o r m a n c ec o n t r 0 1 i tp o s s e s s e sp o w e r f u lp r o c e s s i n gc a p a c i t ya n dp l e n t y p e r i p h e r a l s i nv i e wo f h a r d w a r ec o n t r o lc i r c u i to f m o t o r , d e s i g nc o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e w c a d o p tt h et w oc l o s e d l o o pc o n t r o ls t r a t e g yo f s p e e da n dc u r r e n t t h ef u n c t i o no f c u r r e n tl o o p i st ol i m i tt h em a x i m u mc u r r e n to f m o t o r , a d j u s tt h ed y n a m i cs t r u c t u r eo f t a r g e t ，a n dq u i c k e n t h ed y n a m i cr e s p o n do fs y s t e m c u r r e n tl o o pi sd e s i g n e di n t o if o r ms y s t e m ，a n dc u r r e n t r e g u l a t o ri sp ir e g u l a t o r w h i l et h ef u n c t i o no fs p e e dr e g u l a t o ri st om a k es p e e dc h a n g e i i l 长春工业大学硕t 学位论文 f o l l o w i n gt h eg i v e nv a l u e s p e e dl o o pc a nb ed e s i g n e di n t ot y p i c a li if o r ms y s t e m t h ec o n t r o ls c h e m e ，w h i c hi sp r e s e n t e da n dd e s i g n e di nt h i st h e s i s ，h a sb e e np r o v e dt o b ep r a c t i c a b l eb yt h e o r ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n t h ec o n t r o l s y s t e mo fi tr e a c h e st h e d e m a n do fd e s i g na s s i g n m e n t a n dt h i sb l c d mc o n t r o ls y s t e mh a st h ec h a r a c t e r i s t i co f s i m p l es t r u c t u r e ，h i g hd e p e n d a b i l i t y , a n dc a nb eu s e di nm a n yf i e l d s k e y w o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o nc l o s e d - l o o pc o n t r o ld i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) ；d i g i t a lc o n t r o ls y s t 长春工业人学硕学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中 以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 6 l 论文作者签名：召璐 日期：7 秽刀年弓月2 争日 长春工业大学硕l 二学位论文 第一章绪论 1 1 无刷直流电动机研究的目的及意义 无刷直流电动机是随着电子技术、功率元件技术和高性能的磁性材料制造技术的 飞速发展而发展起来的。因其优质的性能，而广泛应用于各个领域。它利用电子换向 器取代了机器电刷和机器换向器。但许多小型无刷电动机在应用时往往需要精确的速 度控制，尤其在高速运行场合，对信号反馈控制灵敏度的要求更为严格。而传统的微 处理如m c s 5 1 、9 6 系统在实现控制时，由于本身指令功能不强，处理速度慢等缺点， 使无刷电动机的性能得不到充分的发挥。传统的无刷直流电机大多以霍尔元件或其他 位置检测元件为位置传感器，以光电码盘为速度检测元件，安装在电机内部。但在某 些场合因无法安置位置和速度传感器，且由于传感器自身的一些缺点，以及系统成本 等因素，促使了人们对无刷直流电动机的无传感器控制展开研究。 无刷直流电动机在快速性、可控性、可靠性、体积小、重量轻、节能、效率高、 耐受环境和经济性等方面具有明显的优势，故在当今国民经济各个领域，如医疗器械、 仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及。无刷直流电动机与有刷 直流电动机相比，前者去掉了电刷和换向器，克服了换向电磁干扰、可靠性差、寿命 短、维修困难、噪声大等各种缺陷。随着无刷直流电动机的性能的不断提高，成本的 不断降低，会逐渐替代有刷直流电动机。同样，与步进电机相比，在高速度、高精度、 高分辨率、高可靠性的伺服系统应用中，闭环控制的永磁无刷直流电动机可以满足步 进电机所满足不了的各种要求。这是步进电机固有特点所决定的，即使采用闭环控制 的步进电动机控制以及细分技术，步进电机也无法适用于速度更快、定位更精确、分 辨率更高的情况。小功率感应电机的应用领域主要集中在家用电器，而随着家用电器 对性能和质量的要求不断提高，对配套应用的电动机也提出诸如低噪声、高性能、长 寿命、小型化、高效率等许多更高的要求。这样以高性能无刷直流电动机来代替性能 差、效率低的小功率感应电动机也就成了必然趋势。 基于提高无刷直流电动机的效率、简化系统的结构、提高系统的性能与价格比、 。适应当今电机驱动系统发展的数字化方向为目的，本文主要研究设计无刷直流电机的 无位置传感器的控制系统，利用无刷直流电机运行是各项绕组本身存在的反电动势作 为转子位置的反馈信号代替机械位置传感器的作用，在转子位置检测硬件电路的基础 上，借助t m 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 芯片的可编程功能，充分利用c 2 4 0 的高速信号处理能力 和电机控制优化的外围电路，具有控制精度高，抗干扰能力强且成本较低等优点，可 以为高性能传动控制提供可靠高效的信号处理与硬件控制。从而可以弥补传统设计所 带来的不足。整个控制系统结构紧凑，功能完善。实验结果证明系统设计是正确、可 行的。该设计方案对设计实际产品，具有一定的指导意义。 长春工业大学硕l 学位论文 1 2 无刷直流电机国内外发展状况 在国外早在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动机的机械电刷， 从而诞生了无刷直流电动机的基本思想。1 9 5 5 年美国的d h a r r i s o n 等人首次申请了用 晶体管幻想线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电动机 的诞生。 国际上一般意义的无刷直流电动机( b r u s h l e s sd cm o t o r ) 是指方波无刷直流电动 机系统。其特征是只需简单的开关位置信号即可驱动逆变桥工作。1 9 7 5 年无刷直流电 动机首次出现在n a s a 报告中。之后，由于高性能、低成本的第三代永磁材料的出现， 以及大功率、全控型功率器件的出现，使无刷直流电动机系统获得了迅速的发展。1 9 7 7 年，出现了采用钐钴永磁材料的无刷直流电动机。之后不久，无刷直流电动机系统开 始广泛采用高磁能积、高矫顽力、低成本的第三代n d f e b 永磁材料，且采用霍尔元件 作为位置传感器，采用三项全桥驱动方式，以提高输出力矩，使其更加实用【j 1 1 2 1 1 3 1 。1 9 8 6 年，h r b o l t o n 对方波无刷直流电动机系统进行了全面地总结，该文献标志着方波无 刷直流电动机系统在理论上、驱动控制方法上己基本成熟。 为克服方波无刷直流电动机系统力矩平稳性差的缺点，人们又研制出了正弦波无 刷直流电动机系统，国际上一般称之为永磁同步电动机( p e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r ) 。该系统实际上为带有位置传感器的逆变器驱动的永磁同步电动 机系统，反电势波行为正弦波，相应的绕组电流也为正弦波。正弦波无刷直流电动机 系统的研究主要集中于电机的新型结构形式、气隙磁场的设计、计算和绕组电流的控 制。其中绕组电流的控制为大部分文献研究的焦点。1 9 8 2 年g p f a f f 从理论上指出了两 种获得正弦绕组电流的有效方法，即静止坐标系下的电流控制方法：电流调节型s p w m 控制方法( c r p w m ) 和电流滞环控制方法，指出了其应用范围，并加以实验验证。至 今，这两种方法在正弦波无刷直流电动机系统中得到了最广泛的应用。1 9 8 7 年，p p i l l a y 在总结正弦波无刷直流电动机各种研究成果的基础上，提出了基于旋转坐标系下的正 弦波无刷直流电动机系统绕组电流控制方法：i 。、i 。法。此后的研究虽然在控制手段 上不断改进，但控制方法没有本质的突破。一般实现电流控制的手段有模拟控制方法、 数字控制方法和数字模拟混合控制方法。同时，无刷直流电动机本体的研究也取得了 丰硕成果。在无刷直流电动机本体的研究中，许多文献集中于无刷直流电动机的永磁 转子结构形式的研究，主要有以下几种：表面磁钢结构、插入式磁钢结构、埋入式结 构、切向结构、盘式结构、外转子结构，平面结构及轴向励磁结构等。 我国从八十年代初开始对无刷直流电动机进行研究，主要集中在方波无刷直流电 动机系统和小功率正弦波无刷直流电动机伺服系统等方面，并取得了一定成果，方波 无刷直流电动机系统国内已形成了系列产品，如西微所s t 系列电动机，兰州电机厂的 i f s 系列电动机和华腾公司a s m 系列电动机等，正弦波无刷直流电动机系统国内尚无 2 长春1 = 业大学硕上学位论文 系列生产厂家【4 】【5 1 。 从总体来讲，由于我国无刷直流电动机系统的研究起步较晚，自行研制和开发无 刷直流电动机的能力与国外还有一定的差距，相关的理论研究还有待深入。 1 3 无刷直流电动机发展趋势 进入九十年代以来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼的热稳 定性和耐腐蚀性的改善以及电力电子器件的进一步发展和改进，加上无刷直流电动机 研究和开发经验的逐步成熟，无刷直流电动机的应用、开发进入一个新阶段，具有下 述特点【6 】【7 】： 1 、应用范围已经开始拓广到高温、高真空度或空间狭小等特殊使用场合； 2 、微型化和超微型化； 3 、由传统的三相发展成五相、六相等多相化电机。由于环境保护的要求，促进了 电动汽车用电机的发展。因蓄电池的电压较低，为适应这种情况，电动机已由三项发 展成五相等多项化无刷直流电动机，以达到在较低电压供电情况下，能够有较高的转 矩输出； 4 、高转矩、大推力、大功率化； 5 、数字化、智能化； 6 、多功能、一体化。 回顾历史，无刷直流电动机已有近8 0 年的发展史。由于电机理论和其他相关技术 发展推动下，“无刷直流电动机”的概念已由最初特制方波驱动电子换向的直流电动 机发展到泛指一切具备有刷直流电动机外部特征的电子换向式永磁电动机。无刷直流 电动机的发展以促使电机理论与电力电子技术、微电子技术、计算机技术、现代控制 理论及高性能材料的紧密结合。如今，无刷直流电动机集特种电机、变流机构、检测 元件、控制软件和硬件于一体，形成新一代电动伺服系统，体现着当今应用科学的最 新成果，是机电一体化的高技术产物。 新材料、新技术的应用和加工工艺的改进电动机性能的改进离不开高性能材料的 应用。首先应该提及的是永磁材料性能的提高。研制和采用磁性能更好、温度特性更 佳、防锈防腐特性更强、价格更便宜的稀土材料是一个关键。在导电材料上，国外已 经普遍采用了无氧铜线，它的电阻率更小。更可贵的是硬度小、易弯曲、下线方便。但 目前国内应用尚少，应该加速推广应用。另外绝缘材料、高速运行时的轴承以及部分结 构材料的塑料化等都是很有意义的课题。在加工技术方面首先应该提到的是充磁技术， 应该保证气隙磁场形状、保证性能。其它的还有加工的一致性、精确度、高效等等。 无刷直流电动机虽然已经发展到相当成熟的阶段，但是相对于其它类型电动机还 是一种新型电动机，有着更优越的性能。无刷直流电动机是机电一体化产品，是多学 长春工业人学硕t 学位论文 科技术相结合的产物。它的驱动、控制更是和电子技术息息相关。因此不论是它的开 发、研究还是推广、普及都有很多工作要做。 近几十年，稀土永磁材料迅速发展，其本征矫顽力高、抗去磁能力强，且常规去 磁曲线在大范围线性可逆等特点为永磁无刷直流电动机的设计开辟了广阔的前景。随 着稀土永磁材料性能的不断提高，特别是钦铁硼永磁材料的热稳定性、耐腐性的改善 和价格的逐步降低以及电力电子器件技术的进一步发展，稀土永磁电机的开发和应进 入了一个新阶段，一方面，原有开发的成果在国防、工农业和日常生活等方面得到广 泛的用；另一方面，正向大功率化( 高转速、高转矩) 、高功能化和微型化方向发展，扩 展新的电机品种和应用领域。目前，稀土永磁电机的单台容量已超过1 0 0 0 k w ，最高转 速己超过3 0 0 0 0 0 r p m ，低转速低于o o h - p l h ，最小电机外径只有0 8 m m ，长1 2 m m 。在 技术上研究方向主要分为电机本体和电子线路两方面。在本体方面：转子永磁磁钢材 料尺寸及磁钢的排列方式的选择应该合理，在满足各项性能指标的前提下，使电机的 成本尽量低，存在一个优化问题，另外永磁电机的漏磁场情况比较复杂对电机性能也 有一定影响，所以研究永磁电机的漏磁场分布一直是一个研究方向。 转距波动是p m - b l d c m 存在的突出问题，特别是在低转速、高精度，调速范围 广的情况下，更要求尽量减少转距波动，目前国际国内的研究人员正通过各种途径来 解决这个问题，因此减少转距波动是又一主要研究方向。 在电子线路方面，用观测电量的方法替代位置传感器的作用是一个必然趋势，如 何对电势或电流进行采样，通过控制线路进行适当处理，使电机按正常的逻辑运行， 都是目前课题的研究任务，向更高一步发展，可以利用计算机发展数字信号，控制电 机的运行，使电机的控制人工智能化，也是研究的主导方向。 在这些研究领域上，各国研究人员推出了自己的最新科研成果，其中美国的a h m e d r u b a a j 博士研制出一种新型的p m b l d c m ，其转子跟普通的p m b l d c m 一样，而其 定子却和普通的有刷直流机的转子极为相似，并能以转子位置传感器及逻辑开关电路， 使定子绕组依次换向。这样，大大减少了转矩波动，可在较大范围内自然换向，充分 提高了电机体积的利用率。再如，美国的j y h u a n g 博士，利用定子电流谐波的晟优 权重的设计方法，通过电流调节器等装置有效减少了电磁转矩及齿槽引起的转矩波动。 英国的z o z h m 及d a v i dh o w e r 博士研制成功了无齿槽的p m b l d c m ，其主要作用 也是减少转矩波动，提高电机效率。 对于位置传感器，美国的k e i t hac o r z i n e 博士研制出一种混合观测装置，通过固 定于定子上的霍尔元件获得信号来监测转子位置，代替了成本较高的光学编码器，大 大降低了电机成本，且提高了监测精度。另外，台湾的h g c h e n 及c m l i a n 博士， 通过智能换向调节装置实现了无位置传感器的控制，其主要原理是，监测电机端电压， 通过开关信号发生特性和智能自调系统对换向瞬间进行微调。 4 长春工业人学硕上学位论文 1 4 本文工作 本文主要研究设计无刷直流电机的无位置传感器的控制系统，并重点对无位置传 感器无刷直流电机的起动技术、最佳换相逻辑技术进行探讨和研究。 本文涉及讨论的问题主要包括以下内容： ( 1 ) 永磁无刷直流电动机数学模型的建立与分析。 所谓无刷直流电动机系统，就是将电机本体、逆变驱动电路和电流反馈控制电路 作为一个整体加以考虑。建立无刷直流电动机系统的数学模型，就是准确地描述系统 的各组成部分，并将它们有机地结合，给出系统的完整描述。 ( 2 ) 控制算法的研究与实现 本系统采用速度环和电流环双闭环p i d 控制算法。电流环的主要作用是限制电机 的最大电流，调节对象的动态结构，加快系统动态响应，减小因电网电压波动等环内 因素引起的动态速变。通常调速系统要求稳态时电流环无静差，在动态过程中，电流 环保证电枢电流不超过允许值，因而不希望电流有超调越小越好。从这两个角度出发， 我们可将电流环设计成i 型系统，电流调节器采用p i 调节器。速度调节器的主要作用 是：使转速跟随给定值变化，稳态无静差；对负载变化起抗扰作用；输出限幅决定允 许的最大电流。可将速度环设计成典型i i 型系统。 ( 3 ) 抑制电磁干扰和降低转矩脉动方法的研究 控制系统中电压电流的剧变可引起电磁干扰，因此集成电路的开关动作，电容的 充放电以及电机的运转都可引起电磁干扰。另外由于市电电源并不是理想的5 0 h z 正弦 波，而是充满各种频率噪声，也是很大的电磁干扰源。因此在电路设计中采用频率特 性好，稳定性高的电子元件，设计成低噪声稳压电路以抑制电磁干扰。 无刷直流电动机中存大的转矩脉动问题，使电机无法实现更精确的位置控制和更 高性能的速度控制。电机的齿槽效应及磁通畸变可引起转矩脉动，反电势的谐波，相 电流换向也可引起的转矩脉动，因此在系统设计过程中采用相应的措施，降低转矩脉 动。 ( 4 ) 控制系统实现方面的研究 系统采用1 r i 公司t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为控制芯片是专门为了电机控制和运动控制而 设计的，其事件管理模块所内含的定时器、比较单元、捕获单元、积分编码脉冲电路 使其拥有比较宽范围的电机控制应用场合。其应用优化的外围设备单元与高性能的 d s p 内核一起，使在大气层有类型电机的高精度，高效、全变速控制中使用先进的控 制技术成为可能。 系统主电路采用电力m o s f e t 模块作为开关元件构成逆变器，电网电压首先经过 不可控整流，再由大电容滤波输出直流电压，经6 个电力m o s f e t 开关为电机三相绕 组供电，其实质是一种电流控制的电压源型交一直一交变频器，电力场效应晶体管的 5 长春工业大学硕1 二学位论文 一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小；第二个显著特点是开关速度快、工作频 率高，电力m o s f e t 的工作频率在所有电力电子器件中是最高的。 ( 5 ) 系统硬件电路设计主要包括：功率逆变器电路设计、功率驱动电路的设计、 电流、反电势检测电路设计。 ( 6 ) 主要针对系统的硬件设计利用m a t l a b 进行仿真，然后给出仿真波形，进行 分析。 ( 7 ) 控制系统软件设计主要包括：开环启动程序、电流环调节程序、速度调节程 序、中断调节程序、闭环调节程序、软件示波器程序。 1 5 本章小结 本章说明了本论文的研究意义，介绍了无刷直流电动机的国内外研究现状以及发 展趋势，提出了本文的研究内容。 6 长春工业大学硕士学位论文 第二章无刷直流电动机结构和原理 2 1 无刷直流电动机的基本组成环节 位 图2 - 1无刷直流电动机结构原理图 无刷直流电动机的结构原理图如图2 1 所示。它主要由电动机本体、位置传感器和 电子开关线路三部分组成。电动机本体在结构上与永磁同步电机相似，但没有笼形绕 组和其它气动装置。其定子绕组一般制成多相( 三相、四相、五相不等) ，转子由永久磁 钢按一定极对数( 2 p = 2 , 4 ，) 组成。图2 1 中的电动机本体为三相两极。三相定子绕组 分别与电子开关线路中相应的功率开关器件相联接，在图2 1 中的a 相、b 相、c 相绕 组分别与功率开关管vl ，v 2 ，v 3 相接。位置传感器负责跟踪转子与电动机的转轴相联 接。 当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作 用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子位置信号变换成电信号，控制 电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化 按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了 机械换向器的作用。 因此，所谓无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线 路，永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的。电动机系统”。其原理框图如图 2 2 所示。 图2 2 无刷直流电动机原理框图 电动机转子的永久磁钢与永磁有刷电动机中所使用的永久磁钢作用相似，均在电 7 长春工业大学硕上学位论文 动机气隙中建立足够的磁场，其不同之处在于：直流无刷电动机中永久磁钢装在转子 上，而直流有刷电动机的永久磁钢装在定子上。 图2 - 3 无刷直流电动机的组成框图 无刷直流电动机电子开关线路用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时 间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻辑单 元是控制电路的核心，其功能是将电源功率以一定的逻辑关系分配给直流无刷电动机 定子上的各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕组导通顺序和时间 主要取决于转子位置传感器信号。但位置传感器所产生的信号一般不能直接用来控制 功率逻辑开关单元，往往需要经过一定的逻辑处理。综上所述，组成无刷直流电机各 个主要部分部件的框图，如图2 3 所示。 2 2 无刷直流电动机的工作原理 因为有传感器的无刷直流电机与无传感器的无刷直流电机的基本工作原理】是一 致的，主要区别是有传感器的无刷直流电机是利用霍尔元件作为位置传感器来检测转 子位置信号。而无位置传感器的无刷直流电机取消了作为位置传感器的霍尔元件，利 用一些控制算法来计算出转子位置信号。虽然本为研究的是无位置传感器的无刷直流 电机，但可以简单的通过有位置的无刷直流电机的工作原理的叙述来了解无位置传感 器的无刷直流电机的工作原理。 无刷直流电动机的电枢绕组通常有三种接法，下面就这三种接法分别阐述无刷直 流电动机的工作原理。 三相非桥式星形接法 图2 - 4 表示一台采用非桥式晶体管开关电路驱动两极星形三相绕组，并带有电磁 式位置传感器的无刷直流电动机。转子位置传感器的励磁线圈由高频振荡器供电，通 长春1 二业大学硕1 ：学位论文 过导磁片的作用使信号线圈获得较大的感应电压，并经整流、放大加到开关功率管的 基极上使该管导通，因而与该管串联的定子绕组也就与外界的电源接通。由于导磁片 与电动机转子同轴旋转，所以信号线圈w a ，w b ，w c 依次得电，三个功率管依次导 通，使定子三相绕组轮流通电。 图2 - 4 直流无刷电动机工作原理 三相桥式星形接法 三相星形桥式电路的通电方式称为两相导通三相六极状态，这种导通方式较常用。 本文所采用的无刷直流电动机即为三相星形桥式接法。如图2 5 所示，下面就对这种 图2 - 5 三相星形桥式开关电路 运行方式的无刷直流电动机的工作原理进行具体的分析。三相电枢绕组与各晶体管导 通顺序的关系如表2 1 所示。可以看出，电机应有六个通电状态，每一状态都是两相 1， 同时导通，每个晶体管导通角仍为口。= ；石，位置传感器扇形片张角口。石。电枢 3 3 p 合成磁场是由通电的两相磁场合成。若每相磁密在空间是正弦分布的，用向量合成法 可得合成磁密的幅值等与每相磁密幅值的3 倍，它在空间相应有六个位置，磁状态角 2 在本实验中采用的是无位置传感器的无刷直流电机作为执行元件。它与有位置传 感器的无刷直流电机的最大区别在于它去掉了位置传感器，但是它们的基本原理并没 有本质区别。所以可用位置传感器的无刷直流电机的工作原理、数学模型等来说明无 9 长春工业人学硕上学位论文 位置传感器的无刷直流电机相对应的工作原理，数学模型等。 表2 1 两相导通星形三相六状态导通顺序表 电角度。 詈了2 z t 万 等了5 x 2 万 jjjj abc 导电顺序 bcab v 1 导通 v 2 导通 v 3 导通 v 4 导通 v 5 导通 导通 v 6 导通 2 3 本章小结 在本章中，首先详细的论述了无刷直流电机的基本组成：电机本体、位置传感器 和电子换向线路。同时指出了可用有位置传感器的无刷直流电机的工作原理、数学模 型等来说明无位置传感器的无刷直流电机。然后详细介绍了无刷直流电机的工作原理。 1 0 长春工业人学硕士学位论文 第三章系统总体方案分析与确定 3 1 总体方案设计 在系统总体方案设定中，将系统大致划为如图3 - 1 所示的几个模块。在系统框图中， 包括d s p 控制设计电路、功率主电路、转子位置检测电路、驱动电路以及保护电路等 组成。 图3 i 系统总体框图 转子位置检测电路为电机三相反向电动势过零检测电路，在课题的研究中，很重 要。控制电路起到控制电机起动、停止的作用。速度给定电路是在电机进入速度闭环 之后用来调节电机运行速度。保护电路分成过流保护、过压保护、欠压保护以及过温 保护四部分。 3 2 系统控制电机的选择 对于无刷直流电机的选用，目前有两种选择：一种是采用h a l l 元件作为位置传 感器的普通直流无刷电机，另一种是采用无位置传感器的直流无刷电机。这两种类型 的b l d c m 各具有其优缺点。 传统的永磁无刷直流电机均需一个附加的位置传感器，用以向逆变桥提供必要的 换向信号，它的存在给直流无刷电机的应用带来很多的缺陷与不便；首先，位置传感 器会增加电机的体积和成本；其次，连线众多的位置传感器会降低电机运行的可靠性， 即便是现在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：再次，在某 些恶劣的工作环境中，如在密封的空调压缩机中，由于制冷剂的强腐蚀性，常规的位 置传感器根本就无法使用。此外，传感器的安装精度还会影响电机的运行性能，增加 生产的工艺难度。 有位置传感器的b l d c m 的主要优势在于电机起动力矩大、控制器的结构和软件 实现相对简单，但其缺点较多，如可靠性较低、安全性差、可维护性较弱等。另外， 长春1 = 业大学硕上学位论文 h a l l 元件片薄易碎，导线细且易断，当电机的尺寸小到一定的程度时，元件难以安 装在电动机的内部很有限的空间里，三个h a l l 元件固定时的相位差以及相对于定子 电枢的位置也要安装的十分准确，否则将极大的影响电机的性能。 另外，在电机的制造工艺上，也采用了先进的无槽设计，从而消除了电机的齿槽 效应，减少了电机的损耗，提高了电机的运行效率。并且，在一定的程度上减少了电 机脉动。对于无位置传感器的b l d c m 来说，其主要优势在于电机结构简单、可靠性 高、可维护性强，这几特点正是用户所需求的。而其缺点在于电机起动力矩小，但对 于空调压缩机电机起动时，电机基本上属于空载起动，因而起动力矩小，并不影响电 机的外同步过程。从以上两种电机的对比说明来看，对于空调压缩机用电机，采用无 位置传感器无刷直流电机是非常适用的。 3 3 无传感器b l d c m 的转子位置检测方法的选择 无刷直流电机运行是通过逆变器功率器件随转子不同位置相应改变其不同触发状 态来实现的。因此准确检测转子位置并根据转子位置准时切换功率器件触发组合状态 是控制无刷直流电机的关键。 由于利用位置传感器会给无刷直流电机的应用带来许多困难和不便，为了省去位 置传感器，人们设计了多种方法来检测转子位置【3 】。端点压检测法是根据各相反电势随 转子位置改变，把三相端点压经低通滤波器延时9 0 电角度，在经比较电路得出触发逻 辑信号。但该方法存在着低通滤波器在电机低速时对不足9 0 电角度情况，导致触发信 号提前切换，对电机电流，转矩产生较大影响，严重时引起电机失步。 在端点压检测法的基础上可以在电机低速运行时采用三相端点压两两比较直接得 出触发逻辑信号的方法，在整个运行段根据不同转速，在两个位置检测电路之间进行 切换。随着微处理器的应用，利用软件可以完全简化端电压检测的位置检测信号。 还可以通过检测于功率器件反并联的二极管的导通与否来判断绕组反电势的过零 点。这种方法在低速时也能检测到二极管的导通，是电机能在低速时正常运行且有利 于顺利完成启动过程。但是，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，并且二极管的导通时刻并不是绕组的真正过零时刻，要想消除 这种误差就必须另加补偿电路。 还有一种检测转子位置的新方法，在永磁转子的表面粘贴一些非磁性的导电材料， 利用定子绕组高频开关工作时非磁性的导电材料上的涡流效应，使开路相电压大小随 转子位置角而改变。从而可通过检测开路相电压来判断转子位置，此法不依靠反电势。 因此能保证电机在低速时可靠运行和顺利起动。但此方法需特殊电机，对电机制造工 艺有很大要求。 磁通估计法是通过对电机的电压和电流的检测，合成积分得出定子磁场磁通矢量， 进而通过磁通与电流之间的夹角获得最优转矩控制。n e r t u g n d 等提出了一种具有双电 2 长眷工业火学硕上学位论文 流环结构的转子位置估计器，其中外环用于校正转子位黄估计值，并用二阶多项式曲 线拟合预测转子位置，内环用于校正被估磁通。 反电动势过零点检测法是目前技术最成熟，实现最简单，应用最广泛的转子位置 检测方法。这种检测方法应用于三相六拍、绕组星型接法、1 2 0 。两两通电方式的无刷 直流电机中。其原理为：在无刷直流电动机稳态运行时、忽略电机电枢反应的前提下， 通过检测关断相反电动势的过零点来获得永磁转子的关键位置信号，从而可以控制绕 组电流的切换，实现了电机的运转。这种方法用三相低通滤波器和电压比较器所组成 的电子电路取代了传统的机械位置传感器，实现了转子位置信息的获得。现在应用最 广泛的就是这种方法，尤其在家电领域。日本8 0 年代首次在空调中利用4 位单片机实 现了无刷直流电机压缩机的无传感器控制，取得了很好的效果。目前，在国外无刷直 流电动机作为动力的空调、冰箱等家电产品中已经广泛应用了这种位置检测方法。近 年来，有人将这种方法应用在空调压缩机用无刷直流电动机的控制中，转速范围达到 了3 0 0 8 0 0 0 r r a i n ，实际应用中达到了满意的效果。 这种方法的缺点是静止或低速时反电动势信号为零或很小，难以得到有效的转子 位置信号，系统低速性能比较差，需要采用开环方法迸行起动；此外为消除p w m 调 制引起的高频干扰信号而对反电动势信号进行深度滤波的同时带来了与速度有关的相 移，为保证正确的电流换相需要对此相移进行补偿，从而保证实时修正位置检测电路 造成的相位滞后，提高电机的系统运行性能。 近年来，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。这种方法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出转子位置信息。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。 基于综合考虑系统的可靠性、技术成本、成熟性等问题，本系统位置检测采用反 电动势过零点检测法来控制b l d c m 的换向。 3 4 无刷直流电动机起动方法的选择 目前常用的无位置传感器控制多为反电动势控制，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。常 用的起动方法【3 0 1 1 3 8 1 有如下几种：、 硬件起动 在无位置传感器无刷直流电机控制中，通常都会设计一个专门的起动电路，来产 生电机的起动信号。起动电路框图如图3 2 所示。 长春工业犬学硕上学位论文 图3 - 2 起动电路框图 形成换向信号 硬件起动电路中，电路通电后，电容c 上的电压u c 缓慢提升，此电压加到压控振 荡器的输入端，压控振荡器的输出经分频后作为时钟信号加到环行分配器上，环行分 配器输出的信号转换成换相逻辑信号加在功率放大电路上，控制绕组的导通。同时， u c 加到p 删电路的输入端作为调制信号，使p w m 信号占空比随u c 变化，控制绕组导通 的脉冲宽度。这样随着u c 的上升，加到绕组上的电压与频率逐渐上升，驱动电机运行。 另外，将u c 与设定的阈值进行比较，达到一定数值后，即电机转速达到一定数值后， 经逻辑电路将电机切换到无刷直流电机运行状态。 在这种起动方式下，电机可以实现升频升压起动，这种起动方式可以带一定的负载 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，对于较多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。 预定位起动方式起动 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a 相、c 相绕组通电，b 相绕组断电，延时使电机转子定位于磁极中心线a 相绕组轴线重 合的位置并停止摆动后，荐使b 相、c 相绕组通电，a 相绕组断电，转子磁极中心线在 磁场力的作用下，从a 相绕组轴线向b 相绕组轴线位置转动。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至反电动势换向工作状态。这就完成了电机的起 动。 在这种起动方式下，切换时间需要进行离线计算。计算的参数需要