无刷直流电机控制的研究.docx
《无刷直流电机控制的研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无刷直流电机控制的研究.docx（27页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
无刷直流电机控制的研究
声明
我声明,本毕业设计说明书及其研究工作和所取得的成果是本人在导师的指导下独立完成的。
研究过程中利用的所有资料均已在参考文献中列出,其他人员或机构对本毕业设计工作做出的贡献也已在致谢部分说明。
本毕业设计说明书不涉及任何秘密,南京理工大学有权保存其电子和纸质文档,可以借阅或网上公布其部分或全部内容,可以向有关部门或机构送交并授权保存、借阅或网上公布其部分或全部内容。
学生签名:
年月日
指导教师签名:
年月日
本科毕业设计说明书第I页
目次
1绪论（1
1.1课题研究背景及意义（1
1.2无刷直流电机的现状（1
1.3无刷直流电动机无传感器控制的研究现状以及难点（2
1.4论文结构安排（5
2无刷直流电机的结构及工作原理（6
2.1无刷直流电机的概述（6
2.2无刷直流电机无传感器控制的关键技术（7
2.3无刷直流电机的数学模型（7
2.4本章小结（10
3反电动势过零点检测（11
3.1无刷直流电机的PWM调压方式（11
3.2过零点反电动势法（12
3.3本章小结（15
4控制系统仿真的建模与实验结果（16
4.1模糊控制仿真模块设计（16
4.2无刷直流电机控制仿真模型及结果（16
4.3本章小结（17
5总结和展望（18
5.1本文内容总结（18
5.2展望（18
致谢（19
参考文献（20
本科毕业设计说明书第1页1绪论
1.1课题研究背景及意义
进入21世纪,也就是进入了一个社会高速发展的时代,同时也是科技飞速发展进发的时代,这就意味着,大量的能源资源人力资源将会被消耗来适应只增不减的发展需求。
在这个时代,节能减排,提高能源的利用率,俨然成为了社会的一项重要的任务,也是相互竞争的公司的一个非常重要的竞争点,这也要求着科研开发人员以此为方向不断努力,并贯彻优简为目标的理念。
无刷直流电机通过采用功率电子开关来实现换向,能降低电动机的噪音,延长设备的寿命。
与此同时,它的高转矩,易于控制可与直流电动机相提并论。
无刷直流电机的组成部分有电动机的主体以及驱动器。
它是一种无电刷或者换向器的电机,因此,它也被称为无换向电机。
有刷电机的线圈电流交替变化靠随电机转动的换向器和电刷来完成,而无刷电机是由控制器提供不同电流方向的直流电以变换电机线圈电流方向,转子和定子之间没有换向器和电刷。
但是,无刷直流电机的需要转子位置传感器来获取换相电流,霍尔传感器将增加的数量和电机的费用。
此外,霍尔传感器不能在高温或高湿度的环境中工作,所以,限制了它的应用。
因此最近,无刷直流电机的无传感器控制技术成为一个热门的研究领域。
1.2无刷直流电机的现状
1.2.1无刷直流电机的概述
作为21世纪的主要能源,电能被广泛的使用和开发,将电能转化为机械能的器械有很多,电机就是其中的一种,也是出现并在各个领域被应用。
为了满足不同场合的不同条件,出现了多种不同类型的电机,同时也有各自的优劣。
有刷直流电机利用其内部的换相器和电刷使加载其上的直流电源流过电枢绕组时方向是交变的。
其过载能力强、启动性能良好、制动转矩很大,而且调速范围较为广泛,但是它结构复杂、价格高、维修困难且麻烦。
20世纪50年代,由于稀土钕硼永磁材料的问世,科学家研究出了高功率密度和高效率的永磁无刷直流电机,其结构简单,控制灵活,而且用位置传感器代替了直流电机中的换相器和电刷组成的机械式接触机构来实现换相。
无刷直流电动机与传统有刷直流电机相比具有的主要优势有很多:
（1因为没有换向器和电刷,所以没有无换向火花或者许多的换向摩擦,最主要的是降低
第2页本科毕业设计说明书
了电机的生产成本还有和维护成本,使电机的寿命增长;
（2速度范围更宽,效率高,负载能力比较强,可以在任意速度下全功率运行;
（3由于转子为永磁性材料,制动时久能够让电机进入发电状态,制动效果很好;
但相较而言,无刷直流电机需要更多的驱动功率管才能实现自动换相,其驱动逆变电路需六个功率管,较原先的有刷电机驱动电路多了两个,故增加了无刷电机驱动系统成本。
不过,随着电力电子技术的发展,新型器件以及功率管的出现使控制器的成本逐渐下降,因而其逐渐代替了有刷电机被广泛应用于家电、工业控制等领域。
1.2.2无刷直流电机的发展现状及研究动态
自19世纪40年代有刷直流电机出现以来,在各个控制领域中都占据了很重要的位置。
但有机械接触的换向器和电刷使得有刷直流电机降低了系统的可靠性。
因此在有刷直流电动机的理论基础上,人们逐渐发展了更具可靠性的无刷直流电机。
随着性能更高的永磁材料、微电子技术、电力电子技术、自动控制技术不断的发展,无刷直流电机也在更多的领域中得到了广泛的应用。
目前,无刷直流电机的研究方向主要包括以下几种:
（1无机械式转子位置传感器控制。
转子位置传感器会降低系统的抗干扰能力而且也会使系统更加复杂、变得更昂贵。
所以很多地方都要求使用无位置传感器运行方式的无刷直流电机。
无位置传感器是利用电机的电压及电流的信息来确定转子磁极的位置信息。
现在比较完善的运行控制方法有定子三次谐波检测法、续流二极管电流通路检测法和反电动式法等。
（2转矩脉动控制。
无刷直流电机中存在转矩脉动是无刷直流电机不可避免的固有缺点。
降低转矩,就能有效地提高无刷直流电机的性能。
1.3无刷直流电动机无传感器控制的研究现状以及难点
1、无位置传感器BLDC换相信号检测技术
用无位置传感器无刷直流电机代替有位置传感器BLDC可以省去传输位置信号的电机内部引出线,降低电机和控制电路设计的复杂性。
但若没有位置传感器提供转子位置的信号,准确找到转子位置、及时的切换相成为了无位置传感器正常运行的关键[13]。
1987年,针对不同应用背景下的无位置传感器BLDCM转子位置检测方法陆续被提出,根据使用原理可以将这些方法分为4大类:
反电动势法、电流法（又称为电感检测法、磁链函数法、基于人工的智能控制方法。
前两种方法的研究相对比较成熟,且都已达到一定程度的应用,磁链函数法和人工智能方法的研究则刚刚处于起步阶段,因此本文会对前两种方法作详细介绍[14]。
本科毕业设计说明书第3页
（1反电动势法
无刷直流电机中定子绕组产生的方波形状的旋转气隙磁场会带动转子按其旋转方向转动[15]。
转子开始旋转后,定子上的线圈就会切割气隙磁力线,由电磁感应定律可知,切割磁力线的导体会产生感应电动势即运动电势,一般称为反电动势（BackElectromotiveForce或反电势。
一般某一相电枢绕组梯形波感应电动势的过零点时刻就是转子与该项绕组轴线重合时刻,所以我们可以通过测量梯形波感应电动势的过零点间接获得转子位置,以确定换相时刻,这种方法被称为“反电动势法”[16]。
根据获得反电动势过零点方法的不同,可以将反电动势法从以下4个方面来讨论。
A.反电动势硬件比较过零点检测
利用未通电的相得到反电动势是获得位置信息最常用的一种方法,当某相绕组未通电时,监测电机该相的感应电动势。
文献[17,18]采用硬件比较过零法,将未导通相端电压信号与电路中虚拟中性点电压信号送入比较器,当两者相等时,发生过零点。
由于开关噪声对低频反电动势有很大的影响,故需要对端电压和虚拟中性点进行分频滤波后再送入比较器。
此方法有很多不足之处:
首先它需要创建一个虚拟中性点,增加电路了复杂性。
其次分频滤波电路会造成相位偏移使检测到的反电动势过零点不准确,而且相位偏移会随速度的不同而变化,使控制难以实现,所以在电机或者速度范围不相同时,则需要设计新的相关硬件电路参数,实际适用的场合很少。
B.线反电动势法
线反电动势法是针对硬件比较过零检测方法的电机中性点不易得到而提出的,其根据相电压与反电动势的关系推导出线电压与反电动势的关系,从而省去了虚拟中性点构造电路,理论上线电压的过零点就是换相点,不需要延迟30°电角度,但为了能获得稳定的线反电动势电压,同样需要加入引起相位偏移的分压滤波电路,需要进行相位补偿。
文献[19]是通过检测线电压的过零点来检测转子位置,实现电机控制,并通过软件方式进行了相位补偿。
这种方法一般能准确获得转子位置,但是软件补偿方式复杂,且不同电机,补偿参数不同,给实际应用带来不便
C.反电动势积分比较阀值法
这是针对硬件比较过零点检测法会相位偏移而提出的一种方法。
电机在任意给定的时刻只有两相导通,一相的33.33%是不通电的,在这段时间,出现在电机绕组中的感应电动势是可以被检测到的。
相感应电动势产生过零点的信息,并且当反电动势达到恒定的区域,预示了该相应该通电的时间。
为了不用等待感应电动势的恒定区域去给电机的一相通电,从感应电动势的过零点得到一个特殊的值,与离过零点瞬间30°相对应。
积分器输出对应着离正向过零点30°,可称为阀值以用于一相通电中[20]。
反电动势积分的时间需根据速度来自行调整,因此在高速时能准确获得换相点,而在低速时不能检测到换相点。
文献[21]采用了改进型反电动势积分法,他将两路不导通相电压信号送给比较器,在检测到一路不导通相过零点后,
第4页本科毕业设计说明书
对两路端电压开始积分,通过积分值的比例关系可以得到转子的位置,相比传统的反电势积分法,其不需要判断反电势极性,改善了低速运行状态下性能。
D.感应电动势的3次谐波法
这是一种替代方法,通过检测电机绕组内感应电动势的3次谐波,并且利用它们去生成控制信号,三次谐波的过零点与三相反电动势的过零点在时间上刚好重合,而且只有一个三星接四线制的系统允许采集感应电动势的3次谐波[22]。
文献[23]使用的改进的3次谐波法,将一组星型连接的电阻并联在无刷直流电机3个绕组端子上,利用电阻中性点和直流母线的中点之间电压来采集3次谐波。
对比国内外出现的其他检测方法,反电动势法是当前实际应用使用最多,技术理论发展最为成熟的一种,本论文也将对反电动势法进行研究,寻求更为简易、准确的方法。
（2电流法
“反电动势法”是通过测量端电压或者线电压来推算转子位置,但是端电压或者线电压检测的准确度会受速度、电机切向、滤波电路和定子绕组电感的干扰,使用“反电动势法”获得的换相信号精准性受到一定影响,但是这些干扰对电流的影响不大。
所以研究者推导出了相电流信号与转子位置的关系,出现了各种“电流法”。
文献[24]采用直接相电流检测法,通过BLDCM的数学模型公式和反电动势与转子磁链的关系式推导出转子磁链和相电流的关系式:
NLi
Φ=,再通过硬件电路采样得到直流母线电流,利用前面的关系式计算出转子位置信息。
文献[25]根据转子位置对定子绕组电感的影响,通过测量定子绕组电感的变化来估算转子位置,其给电机某一相施加反向一小段电压脉冲,可获得定子绕组的电流信号,电流信号与定子绕组电感成反比,由此逆推得到转子位置关系,但这种方法只适合于低速运行的BLDC。
上述所有的转子位置检测方法都有个共同的缺点:
电机停止时,获取不到位置信息,因为速度为零时,定子线圈不切割方波气隙磁场,没有感应电动势,甚至在速度非常低的时候,都获取不到位置信息,因此必须包含一种在速度较低时生成控制信号的方法[26]。
目前对无位置传感器BLDC平稳启动的研究方法,一般是分为两个步骤研究:
一是能预先确定其转子的初始位置,二是能利用同步启动技术快速、平稳地启动电机。
在电机成功启动进入正常运行状态后,可以采用多种控制技术,使电机的动态性能满足实际需求,下面会对控制技术的发展做简要概述。
2、永磁无刷直流电机控制技术发展现状
在80年代初,控制理论就进入了快速发展阶段,人们也提出了更为智能的无刷电机控制技术,例如模糊控制、人工智能控制、自适应控制、神经网络控制等,但这些方法都需要大量的数据和数据处理,对微处理器的要求较高,所以都只停留在理论的阶段[27]。
从1990年开始,各种高性能的MCU陆续出现,如STC系列的STC89C52,PIC系列的PIC16F877,ATMEL公司发行的AVR单片机,美国TI公司的TMS320C2XX系列DSP芯片。
这些微处理器都具有较大的程序存储空间和运算速度,引发了将智能控制（如模糊控制、自适应
控制应用在无刷直流电机上的热潮。
这些智能的控制方法改善了电动机动态运行性能,抑制了BLDCM的转矩脉动,使其的应用范围更为广泛[28]。
使用高效率的电机控制技术能避免电动行驶过程中出现速度超调、不稳定的状况,从而节省了电能,提高了电动车的续航里程。
电机启动后常用的电机控制技术为开环控制或者闭环PID技术,但这种控制方法的稳定性、抗干扰能力不是很好,一般应用于对动态性能要求不高的场合。
电动自行车在中高速骑行时可使用转把对电机速度进行控制,使用PID控制技术能满足人们对速度调节的要求,但电动车在推行模式下超低速运行状态时,如若控制系统抗干扰能力不高,当在阻力增大的环境（如爬坡、带较重负载、泥泞路面下运行时转矩脉动变强,电机发出的声音变大,甚至有可能停转。
无刷直流电机处于低速模式下运行需要采用一种更为有效、抗干扰能力更强的控制方法,本文采用模糊控制方法来解决这一实际问题。
1.4论文结构安排
本课题主要以无刷直流电机为核心进行对其无传感器控制的设想和仿真,以证明系统的可行性问题。
本文具体章节的安排如下:
第一章主要介绍了本课题的研究背景及意义,对无刷直流电机的现状进行了具体分析并阐述了无刷直流电机无传感器控制目前的研究难题和应对策略。
第二章主要阐述了无刷直流电机的结构且简要的介绍了无刷直流电机的工作原理,并对数学模型进行了比较详细的研究。
此外,简略的提及了所选择的反电动势无传感器控制法。
第三章主要完成了无刷直流电动机的PWM调压控制,以及过零点反电动势法测量转子位置和反电动势本身的方法。
第四章主要完成了Matlab环境下的无刷直流电动机的仿真和结果输出,并进行分析认知。
第五章主要是对实验进行了总结,并予以展望。
2无刷直流电机的结构及工作原理
2.1无刷直流电机的概述
2.1.1无刷直流电机的基本结构
无刷直流电机的组成部分有电动机、电子开关线路、转子位置传感器等。
由图2.1表示的是无刷直流电机的基本原理框图。
直流电源部分的作用是对电机定子绕组提供电源。
电子开关电路则是按一定的逻辑关系将功率分配给电动机。
位置传感器的作用是检测相对转子位置。
控制器接收转子位置传感器的信号后,控制电子开关管的截止和导通,实现电机的转动和换向和功能。
图2.1工作原理图
从字面意义上就能了解到无刷直流电机指的是没有电刷的直流电机。
无刷与有刷是相对而言的,无刷直流电机在结构上正好与有刷直流电机相反,多项绕组线圈是无刷直流电机的电子,永磁体是转子。
这种设计结构就使得无刷直流电机无需换向器和电刷,让电机变得更简单和可靠。
2.1.2无刷直流电机的组成部分
无刷直流电机主要有电动机主体,位置传感器,电子开关线路三部分。
其主要部分的具体介绍如下:
1、电动机主体
电动机本体主要包括带有电枢绕组的定子和转子,定子部分最重要的部件是电子的绕组,当电机接上电源后,电流流入绕组,产生磁动势,后者与转子产生的励磁磁场相互作用而产生电功率,并通过转子输出一定的机械功率从而实现了将电能转换为机械能这个过程。
2、位置传感器
电机的转子是产生励磁磁场的部件,由三部分组成:
永磁体、导磁体和支撑零部件。
永磁体和导磁体是产生磁场的核心,由永磁材料和导磁材料组成。
无刷直流电动机在结构上与
永磁同步电动机相似,但没有笼形绕组和其他起动装置。
定子绕组一般制成多相（三、四、五相不等,转子由永久磁铁按一定的极对数（2p=2,4,...组成。
3、电子开关线路
电子开关一般是由功率电子器件和它的控制电路以及转子位置传感器等所组成,以此代替了有刷直流电动机的机械换向装置并通过位置传感器来检测主转子在运行过程中的位置。
检测到的位置信号将提供给电动机的控制器,为其正确驱动电子换相提供依据。
2.2无刷直流电机无传感器控制的关键技术
无位置传感器无刷直流电机关键控制技术主要分为三部分:
第一部分为电机转子位置的预定位和启动技术,第二部分为启动后电机转子位置的检测技术,第三部分是准确、快速的控制电机的转动速度。
目前国内主要是通过对电机绕组反电动势的研究来获取无位置传感器BLDC的转子位置[34]。
起初是通过硬件实现对反电动势的获取和处理,这种方法容易引入干扰,出现误差,而且增加了元器件,提高了成本。
后来,随着微处理器各方面性能的提高,提出了使用软件方法来检测电机绕组反电动势波形。
但这两种方法都是基于能检测到定子绕组中的反电动势而提出的,而无位置传感器无刷直流电机在从静止状态启动或者超低速运转时,绕组中的反电动势为零或者极小,根本不能使用反电动势法来检测到转子位置,所以在BLDC启动初期和超低速运转状态时,须要研究一种其他转子位置检测与启动方法,待定子绕组中的反电势大到能够检测到时,再切换到使用反电动势位置检测技术[35]。
高效的启动技术能降低启动时的转矩脉动,使启动声音变小。
2.3无刷直流电机的数学模型
建立无刷直流电机的数学模型,有助于了解无刷直流电机各个参数的特性,设计出更好的控制方法,后续所有控制方法的研究都是基于无刷直流电机数学模型上的。
由于BLDCM的磁通分布为梯形波,所以推导BLDCM的数学模型时要十分严谨,只能忽略一些影响很小的因素。
为了能方便建立数学模型,需要假设一下条件成立:
（1BLDCM定子三相绕组要空间互隔120°完全对称,且其电阻、电感等参数完全相同;
（2电机气隙磁导均匀,磁路非不饱和;
（3忽略涡流、磁滞损耗和铁损。
基于上述假设,下图2.8为BLDCM驱动系统简化等效电路图[30]。
图2.8BLDC驱动系统简化等效电路图
1.BLDCM三相电压方程组
用电机电气时间常数表达的BLDCM三端定子绕组相电压的方程组:
00=000
aaa
abacaabbbabbcbbt
ccca
cb
cccuR
iLLLiEduRiLLLiEd
uRiLLLiE⎡⎤⎡⎤⎡⎤
⎡⎤⎡⎤⎡⎤
⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥++⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦
⎣⎦⎣⎦⎣⎦
（2.2式中,bacUUU、、为三相定子绕组相电压,R为定子相电阻,
已假定三相绕组完全相同,abciii、、为各相绕组的相电流,abcLLL、、为各相绕组自感,abacbaLLL、、、caL、cbL为各相绕组相互之间的互感,反电动势abcEEE、、认为是梯形波,根据上述假设还可以得出:
abcLLLL===,abbabccacbmLLLLLL=====,则（2.2式可以表示为:
00=000
aammaa
bbmmbbt
ccm
m
ccuR
iL
LLiEduRiLLLiEd
uRiLLLiE⎡⎤⎡⎤⎡⎤
⎡⎤⎡⎤⎡⎤
⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥++⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦
⎣⎦⎣⎦⎣⎦
（2.3已知三相定子电流是平衡的,即0abciii++=,因此上式（2.3中的电感矩阵可以进一步简化为下式（2.4:
0000
=00000
aam
aa
bbm
bbt
ccmccuR
iLLiEduRiLLiEd
uRiLLiE-⎡⎤⎡⎤⎡⎤
⎡⎤⎡⎤⎡⎤
⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥+-+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦⎣⎦
⎣⎦⎣⎦⎣⎦（2.4
依据上式可以推出BLDCM驱动电路的电压平衡方程式[31]:
2nUIrEU=++∆（2.5
方程式中:
nI为平均电枢电流,r为电枢绕组平均电阻,U∆为驱动功率管压降,由于为全桥驱动故为2U∆。
2.BLDCM感应电动势方程
根据2.1.1介绍的右手螺旋定则可知:
绕组中一根有效长度为L的导线,以线速度V切
割磁感应强度为B的气隙磁场,则其中产生的反电动势表示式为:
EBLV=（2.6
由VWr=,可得出:
260
60
D
N
VNPπτ
=
=（2.7式中,N电机转子角速度（rad/s,D电机电枢直径（m,τ为极距,P为极数。
设定一相定子绕组串联导体数为w,一相绕组的感应电动势幅值为:
2pEwE=（2.8
磁通密度B只与转子上的永磁铁有关,与气隙磁通φ成正比,如下式:
/iBLφατ=（2.9
其中iα是计算极弧系数。
将式（2.6、（2.7、（2.9代入（2.8获得各相绕组的感应电动势:
15pi
p
EwNφα=
（2.10则绕组串联感应反电势为:
2215lpei
p
EEwNCNφφα==
=（2.11上式中,215ei
pCwα=
为只与电机本身有关的系数[32]
。
3.电磁转矩方程
aa
bb
cc
eEIEIEITω
++=
（2.12
其中,ω为电机线速度,aE,bE,cE为瞬时的感应电动势。
假设BLDCM为两两导通的控制方式,则同一时刻只有两相定子绕组产生磁场,此时电磁转矩方程如下[33]:
2Pala
eEIEITVV
=
=（2.132=
60
N
Vπ,将式（2.11,（2.12代入（2.13得:
4=
eaTai
p
TwICIφφπα=（2.14
上式
4
T
i
p
Cw
πα
=与φ对于一台具体的电动机而言,为一常数。
2.4本章小结
本章主要任务是简单介绍无刷直流电机的结构,并对无刷直流电机的工作原理进而对其数学模型进行了比较详细的研究。
3反电动势过零点检测
BLDCM的电子换相电路是根据转子位置信号来确定具体的换相时间和换相逻辑,利用电机中安装的的位置传感器来获得转子位置信号是最稳定、简易的方法,所以对于有位置传感器BLDCM其换相控制、启动加速与速度控制算法都相对容易。
但是电动自行车作为人们日常的代步交通工具,其骑行的环境不可预测,潮湿、高温、多灰尘的环境都可能使检测位置的传感器信号受到干扰甚至损坏传感器,传感器一旦损坏,电动车就无法工作,而且电机的维修也相当困难。
故本章主要研究利用电机反电动势来准确获得转子位置信号的方法,无需位置传感器的检测信号,既减少了干扰,又降低了成本。
3.1无刷直流电机的PWM调压方式
3.1.1PWM调速原理
无刷直流电机的转速控制是通过开关驱动方式来控制电枢两端的电压来实现调速作用的。
控制电枢电压的时候一般采用PWM方式,PWM是通过全控型电力电子器件来导通和关断[11]电机电枢绕组端电压是通过PWM控制将直流电压改变成可调大小和极性的直流电压来获得的。
PWM方式可以控制转向并能让调速更加平滑。
PWM信号可以控制全控型器件GTR的工作状态使其导通或者关断。
开关管高电平导通,
当给直流电机电枢端电压电源电压U
0时点机正转,当t
1
时间时开关管输入为低电平,开关管
截止电机也会随之停止。
当t
on
时刻开始将输入电压重新调整为高电平,随着开关管的导通和关断,电机也会随之运行和停止。
电枢绕组端电压波形如图2-4所示
U
Us
Ud
图2.4电枢绕组端电压波形
升级会员 