STM32G4入门与电机控制实战 课件 第5、6章 无刷直流电机控制技术、永磁同步电机控制技术

第五章

无刷直流电机控制技术无刷直流电机系统构成123无刷直流电机的数学模型无刷直流电机的控制原理无刷直流电机简介无刷直流电机是随着电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型直流电机，它是现代工业设备中重要的运动部件。无刷直流电机以法拉第的电磁感应定律为基础，而又能和新兴电力电子技术、数字电子技术较好的结合，具有广阔的发展和应用空间。无刷直流电机以电子换向器取代了机械换向器，从根源上解决了传统直流电机在机械换相时产生的各种损耗和故障等问题，在安全性能等方面亦明显高于其他传统直流电机。无刷直流电机系统构成015.1无刷直流电机系统构成无刷直流电机系统主要包括电机本体、位置传感器及控制驱动电路。控制器利用位置检测电路检测转子位置，根据获得的转子位置信号管理电子换相电路，按照一定规律改变逆变电路中电子开关器件的开关状态，从而驱动电机运转。图5-1无刷直流电机系统结构5.1.1电机本体无刷直流电机基本结构和其他电机类似，主要由永磁材料制作的转子、带有线圈绕组的定子和位置传感器组成。以转子位置为分类依据，可分为内转子和外转子两种类型。图5-2内转子无刷直流电机结构图5-3外转子无刷直流电机结构5.1.2位置传感器霍尔位置传感器，是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，它可以有效的反映通过霍尔元件的磁密度。如图5-6所示，HA，HB，HC分别安装在电机的60°，180°，300°这三个位置，其中A，a，B，b，C，c表示无刷直流电机内的三相绕组，将360°电角度分为6个部分。图5-6霍尔位置传感器安装图5.1.2位置传感器由霍尔效应来判断转子位置，当转子永磁体接近霍尔元件时，便会产生霍尔现象，发生信号跳变，根据电平的变化判断转子的位置，三个霍尔元器件，每种霍尔元器件有高低两种电平，共有8种情况，除去111和000两种无效的判断方式，一个电周期有6次信号跳变，每种信号占60°。5.1.3控制驱动电路控制器的作用是对电机的转速和转矩等指标进行控制以及对电机进行过热、过流保护。驱动器的作用是指在控制器的作用下，驱动电机输出所需要的电功率。一般采用的驱动芯片大多是用于几十瓦功率的电机中的MOSFET与用于上千瓦功率的电机中的IGBT。图5-7三相Y型驱动电路5.1.3控制驱动电路三相全桥式驱动方式有两两导通和三三导通两种方式。

两两导通方式每一时刻有两个功率管导通，两相绕组存在电流，第三相悬空失电。两两导通方式，一共六种导通状态，则将功率管依次导通的顺序为（VT1，VT6）→（VT1，VT2）→（VT3，VT2）→（VT4，VT3）→（VT4，VT5）→（VT6，VT5），这6种状态的循环往复可以使电机正常运转，其中每隔60°电角度就变换一次开关管的状态，而变换一次状态只需要对一个开关管进行导通或关闭。三三导通方式开关管在运行周期内导通180度电角度，每60度换相一次，三相绕组同时有电流，没有悬空相。无刷直流电机的数学模型025.2.1定子电压方程定子电压平衡方程为假设无刷直流电机三相绕组对称：

图5-8BLDCM的等效电路图

5.2.2反电势方程

转速与总感应电动势的关系为

假设直流电机绕组每一相的匝数为

，由于每一相有两根导体，所以每一相绕组的总感应电动势为

5.2.3电磁转矩方程直流电机的电磁转矩是指电机在正常运行时，电枢绕组流过电流，这些载流导体在磁场中受力所形成的总转矩。

5.2.4运动方程

、

分别为电磁转矩和负载转矩(Nm)，

为电机角速度，

为黏滞摩擦系数(N·m·s)，

为电机转子的转动惯量(kg·m2)

无刷直流电机的控制原理035.3.1有感六步方波控制原理当三相之间两两通电时，有AC、AB、CB、CA、BA、BC六种情况，中间的转子会尽量使自己内部的磁场方向与外磁场方向保持一致。当转子到第一幅图合成磁场方向的时候，线圈换相，改成AB相通电，这时转子会继续运动，并尽量往第二幅图合成磁场方向，再往后依次类推。当线圈完成六次换相后，转子正好旋转一周，即360°图5-10定子三相绕组星形联结方式的二二导通情况5.3.1有感六步方波控制原理

方波控制最为核心的部分就是通过逆变桥，根据霍尔位置传感器得知当前转子位置，按照特定的换相序列进行换相操作。图5-11梯形波控制原理示意图图5-12霍尔信号采样及比较示意图5.3.1有感六步方波控制原理把连续的开通转变为开/关交替的PWM形式，来实现直流无刷电机的调速控制。类别霍尔#1霍尔#2霍尔#3A+A-B+B-C+C-方向正转（顺时针）101关闭开通关闭关闭开通关闭↓001关闭开通开通关闭关闭关闭↓011关闭关闭开通关闭关闭开通↓010开通关闭关闭关闭关闭开通↓110开通关闭关闭开通关闭关闭↓100关闭关闭关闭开通开通关闭↓反转（逆时针）101关闭关闭开通关闭关闭开通↑001开通关闭关闭关闭关闭开通↑011开通关闭关闭开通关闭关闭↑010关闭关闭关闭开通开通关闭↑110关闭开通关闭关闭开通关闭↑100关闭开通开通关闭关闭关闭↑表5-1BLDCM的正反转控制图5-13通过PWM控制的方式进行调速5.3.2无感反电动势控制原理电流波形为矩形，绕组中产生的反电动势波形为梯形。原理：连续获取三相绕组的悬空相的反电动势过零点，得到三路过零信号，将三路过零信号延迟30°电角度得到转子换相信息，输送给控制器控制电机换相，形成闭环控制。

对于120°导通方式下的三相六状态无刷直流电机，旋转过60°电角度后，就需要对电机进行换相，因此在检测到反电动势过零信号后，可以进行换相的所需要的延迟30°或者90°，可以对电机进行换相。图5-14三相绕组通电和反电动势波形5.3.2无感反电动势控制原理——反电动势法检测方式将空间上的360°电角度平均分为6个区域。在电机运行转动过程中，定子绕组相对转子运动切割转子永磁体磁感线产生反电动势，并且反电动势值的正负是随着转子极性改变的。确定反电动势正方向后，反电动势极性出现正负变化。图5-16霍尔信号与反电动势信号的对应关系转子位置（电角度）30°~330°330°~270°270°~210°210°~150°150°~90°90°~30°开关管VT5VT6VT4VT5VT3VT4VT2VT3VT1VT2VT6VT1A悬空--悬空++B-悬空++悬空-C++悬空--悬空表5-2顺时针换相逻辑5.3.2无感反电动势控制原理——反电动势检测的衍生算法1.端电压检测法需要增加比较电路，通过测量关断相端电压，与构建的虚拟中性点电压比较间接求得反电势过零信号。2.反电动势积分法将悬空相反电动势过零点后的电势做积分处理，当积分达到预设的阈值时停止积分，此时就是电机的换相时刻。3.续流二极管法是在电机PWM调速控制时，检测反并联于悬空相功率开关管上的续流二极管的通断状态来确定悬空相反电动势过零点。4.反电动势三次谐波检测方法利用反电动势三次谐波分量的过零点恰好与三相反电动势的过零点在时间上相同的特点，因此可通过检测反电动势三次谐波的过零点来确定换相时刻。5.线反电动势法省去了相移角的计算，绕组换向时刻由线反电动势过零点直接得到，在低速范围内优势明显。感谢聆听第六章

永磁同步电机控制技术2024年6月27日三相PMSM的结构123三相PMSM的数学模型SVPWM控制技术4三相永磁同步电机的矢量控制永磁同步电动机和无刷直流电动机的基本架构相同，但它们的驱动方式不同，在设计和控制细节上也存在差别。本章介绍了三相永磁同步电机的结构、数学模型、SVPWM控制和矢量控制原理等内容，加深对永磁同步电机控制技术的理解。26三相PMSM的结构016.1三相PMSM的结构三相PMSM的转子结构可以分为表贴式和内置式两种结构。表贴式永磁同步电机（SM-PMSM）将磁铁置于电机转子表面；内置式永磁同步电机（I-PMSM）结构将磁铁嵌入到了转子结构中。图6-1三相PMSM的转子结构示意图28三相PMSM的数学模型026.2三相PMSM的数学模型假设三相PMSM为理想电机，忽略铁芯的饱和，不计涡流和磁滞损耗，假设电流为对称的正弦波电流。

306.2三相PMSM的数学模型

四个关系式构成了三相PMSM在自然坐标系下的基本数学模型。定子磁链是转子位置角θe的函数，因此数学模型是一个比较复杂且强耦合的多变量系统。为了便于后期控制器的设计，必须选择合适的坐标变换对数学模型进行降阶和解耦变换。316.2.1三相PMSM的坐标变换注意：ST-MC-SDK中的坐标系定义和通常的坐标关系（图6-2）不同，坐标关系如图6-3所示。后续坐标变换的内容都是基于ST-MC-SDK中的坐标系定义展开。图6-2常用坐标关系图6-3ST-MC-SDK自身采用的坐标关系326.2.1三相PMSM的坐标变换

Clark变换反Clark变换

336.2.1三相PMSM的坐标变换ST-MC-SDK中采用的坐标变换为简化后的，同时忽略了零序分量，见表6-1。变换内容变换前后幅值不变从三相到两相的变换电压电流从两相到三相的变换电压电流表6-1ST-MC-SDK中电压和电流的Clark变换和反变换346.2.1三相PMSM的坐标变换（2）Park变换

Park变换反Park变换356.2.1三相PMSM的坐标变换自然坐标系ABC和同步旋转坐标系的变换

自然坐标系ABC变换到同步旋转坐标系d-q同步旋转坐标系d-q变换到自然坐标系ABC

366.2.2同步旋转坐标系（d-q坐标系）下的数学模型电压方程和电磁转矩方程

376.2.3静止坐标系α-β-0下的数学模型电压方程

广义磁链广义感应电动势

目前比较常用的三相PMSM的建模方法大多数是基于同步旋转坐标系下的数学方程。ST中采用了同步旋转坐标系和静止坐标系下的模型。386.2.4传统测量方法获取电机参数控制需要的电机参数图6-4需要准确填写的电机参数396.2.4传统测量方法获取电机参数（1）电机参数测定——极对数测试使用稳压电源（给定电压，如5V；限流，如0.5A），把电源加在电机的两相上，此时产生过流的情况，转动电机一圈，应当感觉到有阻力，稳定的位置个数即为极对数个数。也可使用示波器，旋转一圈对应完整波形个数即为极对数个数，但旋转的快慢会影响测试的准确度，所以使用电源测试的方法最为适合。图6-5极对数测试接线示意图406.2.4传统测量方法获取电机参数

图6-6毫欧计416.2.4传统测量方法获取电机参数（3）电机参数测定——电感测试①使用电桥测量电感电桥直接测量电感，数据除以2，把电机旋转一圈记录最大、最小电感值一般表贴电机最大-最小<平均*15%，内置式永磁同步电机因为d轴和q轴的电感是不一样的，一般最大-最小>平均*15%图6-7RLC表计测试接线示意图426.2.4传统测量方法获取电机参数

图6-8无RLC设备测试d轴电感接线示意图436.2.4传统测量方法获取电机参数

图6-9无RLC设备测试q轴电感接线示意图446.2.4传统测量方法获取电机参数

图6-10测试反电动势接线示意图

6.2.5ST-MC-SDKMotorProfiler测量电机参数的原理（1）绕组电阻变频器向电机绕组以PWM形式注入一定的电压，测量绕组中的电流，这个电流需要让转子定位到指定的位置（为第二步做准备）当电压和电流达到稳定值后，利用欧姆定律获得绕组的电阻，绕组电压、电流波形如图6-11所示。将注入的电压值和测量的绕组电流值代入电阻计算公式，即可得出绕组电阻的值t[s]Uq-ref[V]θq-ref[°]90°Uq-tart-tart[s]Iq-fb[A]Uq-refIq-fb采样计算阻值图6-11绕组注入电压及绕组中的电流波形

466.2.5ST-MC-SDKMotorProfiler测量电机参数的原理

t[s]Uq-ref[V]θq-ref[°]90°t[s]iB[A]Uq-refUB[V]UBiB[A]τ[s]t[s]图6-12电机的电压及绕组中的电流波形

476.2.5ST-MC-SDKMotorProfiler测量电机参数的原理

486.2.5ST-MC-SDKMotorProfiler测量电机参数的原理

496.2.5ST-MC-SDKMotorProfiler测量电机参数的原理

图6-13空载时转子的动力学分析和速度响应曲线

50SVPWM控制技术036.3SVPWM控制技术永磁同步电机的工作原理简单来说就是经定子绕组通入三相交流电产生旋转磁场，转子为永磁体，定子、转子两个磁场相互做用，产生转矩使电机转动，转速为同步转速。

空间矢量脉冲宽度调制（SpaceVectorPulseWidthModulation,SVPWM）是依据逆变器空间电压（电流）矢量切换来控制逆变器的一种新颖思路和控制策略。空间矢量脉冲宽度调制技术在电压源逆变器供电情况下，是以三相对称正弦电压产生的圆形磁链为基准，通过逆变器开关状态的选择产生PWM波形，使得实际磁链逼近圆形磁链轨迹，而且可以较好的改善电源电压的利用效率。526.3.1三相电压的空间矢量表示

定子三相绕组轴线b)三相电机轴向断面与空间复平面图6-14三相电机空间矢量示意图536.3.1三相电压的空间矢量表示

546.3.2SVPWM算法的合成原理

(a)两电平三相电压源逆变器控制三相电机 (b)不同开关模式下的电压矢量图图6-15控制电路和电压矢量示意图

556.3.2SVPWM算法的合成原理

A+(A-)B+(B-)C+(C-)UANUBNUCNUAOUBOUCOOFF(ON)OFF(ON)OFF(ON)000000ON(OFF)OFF(ON)OFF(ON)UDC002UDC/3-UDC/3-UDC/3ON(OFF)ON(OFF)OFF(ON)UDCUDC0UDC/3UDC/3-2UDC/3OFF(ON)ON(OFF)OFF(ON)0UDC0-UDC/32UDC/3-UDC/3OFF(ON)ON(OFF)ON(OFF)0UDCUDC-2UDC/3UDC/3UDC/3OFF(ON)OFF(ON)ON(OFF)00UDC-UDC/3-UDC/32UDC/3ON(OFF)OFF(ON)ON(OFF)UDC0UDCUDC/3-2UDC/3UDC/3ON(OFF)ON(OFF)ON(OFF)000000表6-2电压矢量对应各功率开关的状态与电机三个端相对于参考点N、电机相电压之间的关系566.3.2SVPWM算法的合成原理

图6-17电压空间矢量图576.3.2SVPWM算法的合成原理

图6-18电压空间矢量分时合成

586.3.2SVPWM算法的合成原理

596.3.2SVPWM算法的合成原理按图6-19所示零矢量插入方式中箭头所指路径零矢量分散插入方式输出PWM，则ABC三相的PWM波形及电压矢量作用时间如图6-20所示，其中CCR为各相比较寄存器的值。图6-19零矢量插入方式图6-20I扇区ABC三相PWM波形及电压矢量作用时间606.3.3SVPWM算法的实现

扇区号IIIIIIIVVVI表6-3基本矢量作用时间计算ST-MC-SDK自带的函数库中提供了SVPWM的程序文件，其文件夹位置在xxx\MC_SDK_5.4.7\Middlewares\ST\MototrControl\MCSDK\MCLib\Any\Src中，文件名为pwm_curr_fdbk.c，函数使用时调用PWMC_SetPhaseVoltag