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电力电子与电力传动剖析

《电力电子与电力传动》专题报告

题目：

无位置传感器的无刷直流电动机控制系统

院（系）电气工程及其自动化

学科电气工程

学号

研究生

二〇一四年七月

第1章无刷直流电动机的组成

无刷直流电动机是一种自控变频的永磁同步电动机，就其基本组成结构而言，可以认为是由电力电子开关逆变器、永磁同步电动机和磁极位置检测电路三者组成的“电动机系统”。

普通直流电动机的电枢通过电刷和换向器与直流电源相连，电枢本身的电流是交变的，而无刷直流电动机用磁极用检测电路和电力电子开关逆变器取代有电刷直流电动机中电刷和换向器的作用，即用电子换向取代机械换向。

有位置检测器提供电动机转子磁极的位置信号，在控制器中的功率开关，将电源功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子各相绕组，使电动机产生持续不断的转矩。

无刷直流电动机组成原理图如图1-1所示。

图1-1直流无刷电动机的结构原理图

直流无刷电动机目前分为有位置传感器的和无位置传感器的。

我们先来介绍一下有位置传感器的直流无刷电动机：

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。

其定子绕组一般制成多相（3相，4相，5相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2，4，6，…）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线路中相应的功率开关器件相连，在图1-1中，A相、B相、C相绕组分别与功率开关V1、V2、V3相连。

位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相连接。

当定子绕组中的某一相通电时，该电流与转子永磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生电磁转矩，驱动该转子旋转，再由位置传感器将转子的位置信号转换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子中的各相绕组按一定的相序依次导通。

定子电流随着转子位置次序的改变而按一定的次序换相。

由于功率开关线路导通次序是与转子转角同步的，因而起到机械换向器换向的作用。

所以，直流无刷电动机，就是一台有电子开关线路、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1-2所示。

图1-2直流无刷电动机的原理框图

无刷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的作用相似，均是在电动机的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磁钢装在定子上。

直流无刷电动机的电子开关线路是用来控制电动机定子上各相绕组通电顺序和时间，主要由功率逻辑控制开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。

功率逻辑控制开关单元是控制电路的核心，其作用是将电源的功率以一定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。

而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来至位置传感器的信号。

但位置传感器所产生的信号一般不能直接用来控制功率开关器件。

往往要经过一定的逻辑处理后才能去控制逻辑开关单元。

第2章无刷直流电动机的原理

众所周知，一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场。

其电枢绕组通电后产生反应磁场。

由于电刷的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持互相垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停地运转。

我们知道，有刷直流电动机电枢绕组中感应的电势和实际通过的电流其实是交变的，从电枢绕组和定子磁场之间的相互作用来看，它实际上是一台同步电动机。

这个同步电动机和直流电源之间是通过换向器和电刷把它们联系起来的。

当电动机处在电动状态时，换向器和电刷起着逆变器的作用，它把电源的直流电逆变成交流电送入电枢绕组。

相反地，当处在发电状态时，换向器和电刷起着整流器的作用，它把电枢中产生的交流电整流为直流电输送到外面的负载上。

有刷直流电动机中的电刷不仅起着引导电流的作用，而且由于电枢导体在经过电刷所在位置时，其中的电流要改变方向，所以电刷的位置决定着电动机中电流换向的位置。

这就是说，有刷直流电动机的电刷起着电枢电流换向位置的检测作用。

与有刷直流电动机相比，就不难看到，其实无刷直流电动机和有刷直流电动机一样，本身都是一台同步电动机，只是有刷直流电动机中加的是一个机械的逆变器—换向器和电刷，而无刷直流电动机中则采用电子换向装置—电子逆变器，代替机械换向器和电刷的作用。

尽管二者构造不同，但他们所起的作用却是完全相同的，都是为了实现直流电动机的正确换向。

无刷直流电动机为了实现无电刷换向，首先要求把一般直流电动机的电枢绕阻放在定子上，把永久磁钢放在转子上，这与有刷直流永磁电动机的结构刚好相反。

但仅这样做还不行，因为用一般直流电源给定子上各绕阻供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子旋转。

所以，无刷直流电动机除了由定子、转子组成电动机本体外，还需要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同构成的换相装置，使得无刷直流电动机在运行过程中，定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永久磁场在空间上始终保持90°的电角度。

无刷直流电动机三相绕组主回路基本类型有三相半控和三相全控两种。

三相半控电路的特点是简单，一个功率开关控制一相的通断，每个绕组只通电1/3的时间，另外2/3时间处于断开状态，没有得到充分的利用。

所以我们采用三相全控式电路。

众所周知，三相绕组的联结方式有三角形和星形之分，而它们的通电方式又可分为二二导电方式和三三导电方式两种。

为了更加清楚地阐述无刷直流电动机的工作原理，这里我们以三相永磁无刷直流电动机为例，分析其换相过程。

图2-1是三相永磁无刷直流电动机的电子换向器的主回路，也就是有6个功率开关元件组成的三相H型桥式逆变电路。

其中A-X表示与A相绕组轴线相正交的位置；B-Y表示与B相绕组轴线相正交的位置；C-Z表示与C相绕组轴线相正交的位置；显然由A-X、B-Y、C-Z交叉形成了6个60°的扇形区，从而形成图2-2为“定子空间的扇形区图”。

图2-1三相永磁直流无刷直流电动机的电子换相主电路

“定子空间的扇形区图”中共有6个扇形区，而电动机的转子位置检测器的输出信号顺序给出了6个代码：

101、100、110、010、011、001。

当然，这一顺序与电动机的转动方向有关，如果转反了，代码出现的顺序也讲到过来。

事实上，这6个扇形区和6个代码是一一对应的。

也就是说，当电动机的转子位于每一个扇形区内时，转子位置检测器就发出新的代码，这一新代码和电动机转子处于的新扇形区相对应。

图2-2无刷直流电动机绕组结构图

第3章无刷直流电动机的驱动控制方法

3.1无刷直流电动机的数学模型及Simulink仿真

从前面的分析知道：

无刷直流电动机由定子三相绕组、永磁转子、逆变器、转子磁极位置检测器等组成，其转子采用瓦形磁钢[1]，进行特殊的磁路设计，可获得梯形波的气隙磁场，定子采用整距集中绕组，由逆变器供给方波电流。

其中一相气隙磁场感应的反电动势和供电电流之间的关系如图3-1所示。

图3-1理想反电动势和电流波形图

方波无刷直流电动机的主要特征是反电动势为梯形波，包含有较多的高次谐波，这意味着定子和转子的互感是非正弦的，并且无刷直流电动机的电感为非线性。

因此在这里采用d、q变换理论己经不是有效的分析方法，而直接利用电动机原有的相变量来建立数学模型既简单又能获得较准确的结果。

在此，直接采用相变量法，根据转子位置，采用分段线性表示反电动势。

为简化数学模型的建立，在电动机模型建立时，认为电动机气隙是均匀的。

并作以下假设[2]：

①定子绕组采用60°相带整距集中绕组，星形连接；

②忽略齿槽效应，绕组均匀分布；

③忽略铁心磁滞和涡流损耗，不计磁路饱和；

④气隙磁场分布近似梯形，平顶宽度为120°电角度；

⑤转子上没有阻尼绕组，永磁体不起阻尼作用；

无刷直流电动机在运行过程中，每相绕组通过的不是持续不变的电流，所以该电流和转子作用产生的转矩，以及绕组上的感应电动势也都不是持续的。

因此这里的转矩和反电动势都采用平均值的概念。

根据无刷直流电动机的特性，可建立其电压方程、转矩方程、状态方程以及等效电路[3]。

图3-2无刷直流电动机的等效电路模型

根据无刷直流电动机数学模型，本文利用SimPowerSystemToolbox提供的丰富模块库，提出了一种建立BLDCM控制系统仿真模型的新方法，系统设计框图如图3-3所示。

BLDCM建模仿真系统采用双闭环控制方案：

转速环由单神经元PID转速控制器构成，电流环由电流滞环调节器构成。

图3-3BLDCM控制系统设计框图

控制系统的整体框图主要包括BLDCM本体模块、电流滞环控制模块、速度控制模块、参考电流模块、转矩计算模块和电压逆变模块。

把这些功能模块和S函数相结合，在Matlab/Simulink中搭建出BLDCM控制系统的仿真模型，实现双闭环的控制算法[4-6]。

3.2控制系统总体方案设计

系统总体结构框图如图3-4所示。

图3-4系统总体结构框图

由系统总体结构框图3-4可知，整个系统主要由控制核心电路、PWM生成电路、驱动电路、逆变电路、转子位置检测电路、控制电路以及保护电路等组成。

其中，保护电路包括欠压、过压及过流保护等；控制电路主要完成电机启/停；速度给定是在电机进入闭环运行之后，用来调节电机转速的；转子位置检测电路主要提供无刷直流电动机转子的位置信息，为电机的正确换相以及速度的提取提供依据；显示电路主要用于电机实时转速和给定速度的显示；PWM生成电路用于产生控制电机按照一定的相序导通逆变器的PWM波，实现电机的转速、电流双闭环调速。

3.3转子位置检测方案的选择

无刷直流电动机的运行是通过逆变器功率器件随转子的不同位置相应地改变其不同触发组合状态来实现的。

因此准确检测转子的位置，并根据转子位置准时切换功率器件的触发组合状态是控制无刷直流电动机正常运行的关键。

无刷直流电动机的无位置传感器控制是指取消转子位置传感器，通过测取电机的某些物理量间接地得到转子的位置信号，用此信号实现换相，从而实现无传感器闭环控制。

本系统所用电机为无位置传感器无刷直流电动机，因此转子位置的检测技术成为系统设计的一个关键，与永磁同步电机所需要的连续位置信号相比，无刷直流电动机的位置信息的获取要容易得多，仅仅需要几个关键的换相时刻位置信息。

目前国内外文献介绍的无刷直流电动机无位置传感器控制的控制方法较多，比较典型的有反电动势法、续流二极管法、电感法、定子三次谐波法以及采用智能控制检测法等等[7]，由于篇幅有限，这里主要介绍一下反电动势法。

对于稳态运行的电机来说，反电动势法是一种简单、实用的转子位置检测法。

由于无刷直流电动机的绕组反电动势波形直接反映转子的位置，因此对于无位置传感器无刷直流电动机可以利用绕组反电动势来间接获取转子的位置信息。

三相绕组反电动势及相电流波形如图3-5所示。

对于采用二二导通三相6状态运行的无刷直流电动机而言，三相绕组中在任意时刻总有一相处于断开状态，检测断开相的反电动势信号。

当检测到某相反电动势过零点后，再延迟30°电角度即为无刷直流电动机的换相点。

但在实际情况中，绕组的反电动势是难以直接测取的物理量，因此，通常的做法是通过检测电机端电压信号，进行比较来间接获取绕组反电动势信号的过零点，从而确定转子的位置，故这种方法又称为“端电压法[8]”。

反电动势法的缺点是：

低速时反电动势小，难以得到有效转子位置信号；由于启动时反电动势很小，无法准确检测到转子位置，所以不能直接启动，还需运用其他方法启动电机；此外，为消除PWM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，为了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，提高电机的运行性能。

图3-5三相绕组反电动势及相电流

3.4电机控制方法的确定

通常电机转速控制系统是由转速和电流双闭环控制环节组成。

双闭环控制系统较好的解决了单闭环控制系统出现的不足，使得电机在启动时可以充分利用电机的允许过载能力，让电机在启动过程中，电流调节器的给定电压为恒定最大值，维持了

，在恒定励磁和恒转矩负载下，电机以最大恒加速度启动，达到启动过程尽可能快的要求[9]。

无刷直流电动机控制系统框图如图3-6所示。

其中转速环作为外环，电流环作为内环，调节过程简单说明如下：

图3-6无刷直流电动机双闭环控制系统框图

参考转速

与实际转速

形成偏差，经过转速调节器产生电流参考值，电流参考值再与电流反馈值的偏差经过电流调节器后去改变PWM占空比，从而实现电机的转速控制。

这里可以采用转速、电流双闭环控制策略，通过对反电动势过零点检测得到转子当前的位置，并通过软件间接计算出电机的实际转速；电流反馈是通过A/D转换器检测三相逆变器下端的精密电阻R上的电压来实现的。

电流调节器采用传统的PI调节，转速调节器采用单神经元网络PID调节。

第4章控制核心的比较及确定

4.1控制核心的功能要求

要实现无位置传感器无刷直流电动机的控制，控制核心所要实现的功能要求如下：

①转子位置检测与换相控制。

通过A/D采样测得电机三相电压，经过复杂的运算处理之后，估算出转子的位置，给出逆变电路的正确换相时序，实现电机的运转。

另外，还需对换相时刻进行一定的相位补偿才得到转子位置准确的换相时刻。

而且，电机转速越高，对检测电压的精度和指令运算速度的要求也越高。

②PWM脉宽控制与输出。

在桥式驱动电路直流母线电压一定的情况下，无刷直流电动机定子绕组平均电压只能通过改变PWM脉宽来调节。

所以，本系统所使用的控制芯片最好包含PWM输出控制单元。

由于系统所采用的是三相全桥驱动，因此要求PWM控制单位最好能同时输出三对相互独立的PWM信号来控制六个功率开关管的导通。

③转速闭环控制。

系统的闭环控制要求实时计算转速，转速的计算则是通过定时器T记录换相6次所用时间来完成，这就要要求控制核心具有足够的定时器[10]。

由于电机转速很高，换相时刻间隔很短（微秒级），这也要求该芯片具有高速的数据处理能力。

④故障检测与处理。

为了及时发现系统在运行过程中发生的故障，避免损害控制器和元器件，要求该微处理器在故障发生时能快速响应并进行保护。

4.2DSP与MCU、通用处理器、FPGA三者的比较[11]

目前，可供选择的控制处理器有DSP、MCU、通用处理器、FPGA等。

要从中选择出控制器，必须先知道他们之间的差别。

数字信号处理器DSP（DigitalSignalProcessor）是指用于数字信号处理的可编程微处理器，是微电子学、数字信号处理和计算机技术这3门学科综合研究的成果。

为了实现高速的数字信号处理以及实时地进行系统控制，DSP芯片一般都采用了不同于通用CPU和MCU的特殊软硬件结构，他们的具体区别如下：

1DSP与MCU的比较

微处理器MPU（Micro-ProcessorUnit）在早期是用来构成通用计算机系统的，而后，随着嵌入式应用的发展及其庞大的市场潜力，众多的MPU生产厂家开始发展嵌入式微处理器。

微控制器是从Z80微处理器发展来的，国外称为MCU（Micro-ControllerUnit），国内俗称为单片机（SingleChipMicrocomputer）。

微处理器MPU与微控制器MCU是微型计算机技术的两大分支。

MPU的发展动力是人类无止境的海量数值运算的需求，要求速度越来越快。

MCU的发展是为了满足被控制对象的要求，向低功耗，低成本，小体积方向发展。

一般MCU的引脚数在60以下。

DSP在某些意义上说是在微控制器MCU（或称单片机）基础上的演化和发展，是在MCU基础上功能的延伸和扩展。

DSP的结构特征包括硬件乘法器和乘加指令MAC、哈佛多总线结构、流水线技术、特殊DSP指令及丰富的片内外设等特点，都是相对于MCU而言的，故这些特征也是与MCU（单片机）的区别。

2DSP与通用处理器的比较

在一些电子设备或工程应用中，为什么不选像Pentium这样的通用处理器，而选用DSP芯片呢？

这是因为像Pentium这样的通用处理器具有成本高，功耗高的特点。

与通用处理器相比，DSP更适用于成本低，功耗低，尺寸小，以及在频率相对较高的系统中需要进行实时数字信号处理的场合。

而通用处理器更适合用于片外有大容量的存储器及要充分利用先进操作系统的场合。

3DSP与FPGA的比较

DSP和FPGA都具有数字信号处理的能力，但它们之间存在明显的差异。

DSP是通用的信号处理器，用软件实现数据处理；而FPGA用硬件实现数据处理。

DSP的成本低，算法灵活，功能强；而FPGA的实时性好，成本较高。

FPGA适合于控制功能、算法简单且含有大量重复计算的工程应用；而DSP适合于控制功能复杂且含有大量计算任务的工程应用。

一般情况下采用DSP即可，它不仅具有可编程性，而且实时运算速度快，抗干扰能力强，能直接输出6路PWM信号，属于电机控制专用芯片。

总结

本文主要介绍了介绍永磁无刷直流电动机的基本结构、特点和工作原理，然后建立永磁无刷直流电动机的数学模型与仿真模型。

根据无刷直流电动机的特性，可建立其电压方程、转矩方程、状态方程以及等效电路，但是由于篇幅有限，没有详细列出其特性方程和仿真模型中每一个模块的构成。

对系统总体方案设计进行了介绍，初步确定系统的控制方法。

并对反电动势过零点检测及其相位补偿原理、单神经元网络PID转速控制器等几个关键技术进行了介绍。

最后，对无刷直流电动机的控制核心进行了相关分析和比较。

文章大体上对无位置传感器的无刷直流电动机数字控制系统的集成设计有了粗略的介绍，但是还有诸多不足，希望在后续工作中加以完善。

参考文献

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机械工业出版社,2008

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