无刷直流电动机控制系统

1、第五章 无刷直流电动机控制系统一、无刷直流电动机的组成结构和工作原理二 、无刷直流电动机的根本公式和数学模型三、无刷直流电动机的转矩波动四、无刷直流电动机的驱动控制五 、无刷直流电动机的实战讲解三相永磁无刷直流电动机简称无刷直流电动机和有刷直流电动机相比，由于去除了滑动接触机构，因而消除了故障的主要根源。无刷直流电动机将作为信息时代的主要执行部件在各行各业会得到最广泛的应用。第一节 无刷直流电动机的组成结构和工作原理1、无刷直流电动机的结构无刷直流电动机属于三相永磁同步电动机的范畴，磁场来自电动机转子上的永久磁铁。在转子上安置永久磁铁的方式有两种。一种是将成形永久磁铁装在转子外表，即所谓外装式

2、；另一种是将成形永久磁铁埋入转子里面，即所谓内装式，如下图。根据永久磁铁安装在转子上的方法的不同，永久磁铁的形状可分为扇形和矩形两种，从而有如图5-3所示的永久磁铁转子的不同结构。根据确定的转子结构所对应的每相励磁磁动势分布的不同，三相永磁同步电动机可分为两种类型：正弦波型和方波型永磁同步电动机，前者每相励磁磁动势分布是正弦波状，后者每相励磁磁动势分布呈方波状。2、无刷直流电动机的工作原理永磁无刷直流电机是一种具有定子绕组和磁性转子的电机。控制无刷直流电机的框图如下图，主要由功率逻辑开关单元和HALL位置传感器的信号处理单元两局部组成。功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一

3、定的逻辑关系分配给无刷直流电机定子各相绕组，以便使电机产生持续不断的转矩，而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自HALL传感器的信号。由于无刷直流电机反电动势为梯形波，梯形波的平顶宽度为，因此常采用两两导通模式来控制三相无刷直流电机，每只开关管导通电角度，每时刻只有两相绕组导通，另一相绕组浮空，每隔电角度就有一只开关管关断，另一只开关管开通。并且三相逆变电路上桥臂和下桥臂都只有一个功率开关器件导通，也就是运行过程中必有一相的上下2个功率开关器件始终处于关断状态。无刷直流电机的气隙磁场主要由转子永磁体产生，且磁感应强度沿圆周分布为梯形波。其气隙磁场感应的反电动势和供电电流之间的关系如下图。为实

4、现定子正常的换流，就要正确的检测转子位置信息。霍尔位置传感器是利用磁敏霍尔元件检测转子的永磁磁极的位置。霍尔传感器嵌在无刷直流电机的定子中，在空间上呈角度分布如图的H1、H2、H3。假设当转子永磁体N极接近霍尔元件时，输出信号为高电平，而当转子永磁体S极接近霍尔元件时，输出信号为低电平，转子永磁磁极间决定霍尔输出电平上升沿或下降沿的位置。3个霍尔传感器输出上下电平两种状态一共存在6种组合状态，如下图。为实现电机调速，采用一定的PWM调制方式对电机进行控制驱动，直流无刷电机PWM控制模式有：l) ON_PWM；2PWM_ON；3H_PWM_L_ON；4H_ON_L_PWM；5H_PWM_L_PW

5、M。无刷直流电动机转子位置传感器输出信号HA、HB、HC在每360电角度内给出了6个代码，按其顺序排列，6个代码是101、100、110、010、011、001。当然，这一顺序与电动机的转动方向有关，如果转向反了，代码出现的顺序也将倒过来。传感器：H1=1 H2=0 H3=1导通相：BC传感器：H1=1 H2=0 H3=0导通相：BA传感器：H1=1 H2=1 H3=0导通相：CA传感器：H1=0 H2=1 H3=0导通相：CB传感器：H1=0 H2=1 H3=1导通相：AB传感器：H1=0 H2=0 H3=1导通相：AC传感器：H1=1 H2=0 H=1导通相：BC第二节 无刷直流电动机的根

6、本公式和数学模型为简化分析，做出以下假设：不考虑齿槽效应和磁路饱和；忽略磁滞、涡流、集肤效应和温度对参数的影响；在上述条件下，无刷直流电机定子三相绕组的电压平衡方程可表示为 式中： ， ， 为电机三相绕组的相电压；，为电机三相绕组的相电流；，为电机三相绕组的相反电动势；，为三相绕组的电阻；，分别为三相绕组的自感；由于假定定子绕组对称，那么有；且有；。于是式5-1可以改写为假设定子三相绕组为Y型接法，且没有中点，那么有整理后可得 无刷直流电动机的电磁转矩为:可以清楚地看到，当转子在每个60扇区中转动时，定子磁场是保持在固定位置不变的，在每个扇区中，定子磁场和转子的夹角是在从60到120的范围内变

7、化，进入了新的一个扇区，由于定子磁场向前跨越了60，使得定子磁场和转子的夹角又重复前一个扇区内的变化。对于这类电动机来说，定子磁场和转子之间的夹角的变化，是导致转矩波动的主要原因。谐波引起的转矩脉动电枢反响的影响相电流换向引起的转矩脉动由于机械加工引起的转矩波动第三节 无刷直流电动机的转矩波动无刷直流电机转矩脉动的分析 无刷直流电机的转子磁极采用瓦形磁钢，经专门的磁路设计，可获得梯形波的气隙磁场，感应的电动势也是梯形波的， 然而由于绕组电感的作用，换相时电流波形不可能突跳，其波形实际上只能是近似梯形的，因而通过气隙传送到转子的电磁功率也是梯形波。每次换相时平均电磁转矩都会波动一些，如下图。由于

8、PWM逆变器每隔60度换相一次，故实际的转矩波形每隔60度出现一个波动， 无刷直流电机转矩脉动的抑制 以调制方式on_pwm为例说明，其调制方式如下图。a在上桥臂从A相换到B之前 上桥臂从A相换到B相的换相过程，由图可知，换流时刻为150度时刻，如果在换相期间，认为反电势为恒定，即：在上桥臂从A相换到B之前，如果=on时，逆变器和无刷直流电机定子中的电流流向如下图；当=off时，逆变器和无刷直流电机定子中的电流流向如下图。换相前定子绕组中点电压表达式： 其中 那么中性点的平均电压为：C相绕组电压： b在上桥臂从A相到B相换相期间 如果时，逆变器和无刷直流电机定子中的电流流向如下图；当时，逆变器

9、和无刷直流电机定子中的电流流向如下图。可得换相时定子绕组中点电压表达式： 其中 那么中性点的平均电压：C相绕组电压 为了减少无刷直流电机换相期间的电磁转矩脉动，通过调节换相期间PWM的占空比，使非换相绕组两端电压在换相前和换相期间相等。 即： 三无刷直流电机伺服系统实验装置的实现 英飞凌XC16系列MCU芯片的片上事件管理模块资源具有专门的霍尔传感器接口，此单元能方便控制无刷直流电机。根据CAP1、CAP1、CAP3接收到的霍尔传感器信号，发出相应PWM1到PWM6信号驱动三相全桥式电路，实现电机控制 第四节无刷直流电动机的驱动控制伺服系统总体结构设计 实验系统主要由主电路和控制电路组成，系统

10、的主电路和一般传动系统相同，主要由逆变电路、驱动电路组成。控制电路主要由XC167CSEVM板、信号调理板、通讯接口组成。 伺服系统研究硬件电路设计 驱动电路设计 控制、检测电路设计 采用Infineon的XC167CS单片机作为控制核心 电流检测 电压检测电路 位置、转速检测电路 伺服系统研究控制程序设计 XC167 单片机系统资源分配 伺服系统控制软件设计 PWM信号生成 速度检测 软件强制保护 直流母线电压检测 通讯局部 霍尔信号检测 主程序 换相中断子程序 AD采样中断子程序 CAN中断子程序 软件强制保护中断子程序 T7周期中断和CC2捕抓中断子程序 伺服系统研究四伺服系统仿真与实验

11、 伺服系统研究实验系统主要由主电路和控制电路组成，系统的主电路和一般传动系统相同，主要由逆变电路、驱动电路组成。控制电路主要由XC164EVM板、信号调理板、通讯接口板组成。其中XC164EVM板主要完成控制算法的计算以及PWM波形的产生，信号调理电路主要完成电流电压的采样，速度脉冲的整形处理，保护功能的实现和DA显示的功能。通讯接口板主要实现微处理器与上位机监控平台之间的通讯功能，以完成参数设置及信息显示。第五节无刷直流电动机的实战讲解硬件电路设计给出了转子位置变化过程中，霍尔传感器状态的变化和绕组中的换相逻辑。霍尔信号100110010011001101000/111正转矩高压侧导通BBC

12、CAA故障处理低压侧导通CAABBCMCMOUTS0 x25020 x29080 x0B040 x1A100 x16010 x3420负转矩高压侧导通CCBBAA低压侧导通BAACCBMCMOUTS0 x26100 x32040 x13080 x19020 x0D200 x2C01霍尔信号检测 位置反响单元 采用HEDL 5540型光电编码器，为500线，3通道，最高工作频率为100KHz，经编单片机增量接口模块倍频电路四倍频后输出为2000线正交信号。以此脉冲信号用作转速计算及位置定位。 电流传感器 电流测量一般有电阻分压法测电流，感应变压器测电流，霍尔电流传感器测电流。图所示为霍尔电流传感

13、器的工作原理。在实验装置中，采用LEM公司的LTSR+6-NP电流霍尔传感器。 该传感器可具有三个不同的量程分别为：2A档、3A档、6A档。其对应的最大测量范围可根据下式计算得到，分别为：本系统中实验机组的额定电流有效值为。取过载倍数为，那么最大电流。由此可见，为了最大程度利用电流传感器的量程范围，提高测量精度，应采用档的连接方式。图5-36为直流侧电流的检测电路原理图。图中，IN1表示直流侧电流输入端，OUT1为直流侧电流输出端，REF为内部偏置电压输出，Vo为测量输出。由于该LEM的输出直接为电压量，故不再需要输出端采样电阻，其两个电压输出经过信号调理后直接送入单片机的A/D采样端口口和口

14、。主回路 系统主回路采用典型的三相全控电路 驱动电路 由于XC167输出的PWM信号无法直接驱动MOSFET，因此需要驱动电路，现采用IR公司的2130驱动芯片。 注：欠压检测故障综合电路 故障综合电路主要实现发生故障时各类故障的锁存和综合，提供硬件脉冲封锁信号、C_TRAP信号软件强制中断和各个故障信号的锁存，实现硬件层面上的脉冲封锁和软件层面上的强制中断保护，形成两层保护。图5-38为故障综合电路原理图。由图知，当有过压故障、欠压故障、过流故障发生时，相应故障引脚电平被拉低，这时上方相应二极管导通，C_TRAP引脚被拉低。该信号被拉低做两件事，第一、其控制驱动芯片使能脚，使驱动输出高阻，封

15、锁MOSFET；第二、该信号直接连至CPU的CTRAP引脚，该引脚拉低时CPU首先封锁单片机PWM输出，接着进入CTRAP中断，读取故障源，并做相应的处理。其中故障源由RS触发器4404D锁存并由单片机复位。控制程序设计XC167单片机作为整个矢量控制系统的控制核心，需要完成的功能包括：各种霍尔、电流、速度等信号的采样，PWM驱动波形的生成，故障保护，通信等。XC167单片机内部拥有丰富的资源，合理的利用这些资源来实现上述功能，将大大减少软件的工作量。现把其的资源分配如下：信号生成：利用CAPCOM6中的多通道模式，结合检测到的霍尔信号，由T13产生PWM驱动信号，开关频率为，死区时间可设，取

16、,输出引脚、控制三路上桥臂，、控制三路下桥臂。2速度检测：光电编码器A、B两路测速脉冲送入单片机正交编码电路输入引脚、，经内部4倍频及判别转相后利用定时器T4进行计数； A路脉冲同时送往CC2捕获输入引脚，用于捕抓T4和T7的计数值，其中T7为高频时钟脉冲计数器。3. 软件强制保护：将故障综合信号送往单片机强制中断输入引脚引脚，进行软件强制保护。4.直流母线电压检测：利用片内AD转换器进行采样，采样频率为5Mhz，采样精度为10位。5. 通讯局部： 利用TWINCAN通讯口中的一个实现CAN通讯。6霍尔信号检测：利用、复用为CCU6单元中的霍尔信号采样端口，实现霍尔信号检测。系统控制软件设计 系统的软件由上位机智能监控软件