无刷直流电动机及其控制系统的研究毕业论文.doc
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无刷直流电动机及其控制系统的研究
无刷直流电动机及其控制系统的研究
摘要
无刷直流电动机具有高效、高控制精度、高转矩密度、低噪声的特点，通过合理设计磁路结构能够获得较高的弱磁性能，可以成为各类工具首选驱动机。
本文在介绍电动汽车中电动机及其控制系统应用现状和性能要求的基础上。
首先分析了无刷直流电机的结构特点，重点研究了无刷直流电机最大转矩/电流比控制算法，并构建了Matlab/Simulink环境下无刷直流电机控制系统的仿真模型。
最后，根据无刷直流电机控制系统的仿真结果，设计了无刷直流电机直接转矩控制系统的硬件和软件，其中，硬件控制系统主要包括三相全桥逆变电路、功率驱动电路、转子位置检测电路以及功率器件的保护电路等。
该系统最大特点是以电子换向线路替代了由换向器和电刷组成的机械式换向结构，使传感器可以借助DSP的强大功能获取转子位置信号，克服了机械位置传感器的存在给无刷直流电机所带来的诸多不利影响。
关键词：
电动汽车，无刷直流电动机，直接转矩控制，Matlab仿真
BrushlessDCmotoranditscontrolsystem
Abstract
ThebrushlessDCmotorwithhighefficiency,highcontrolaccuracy,hightorquedensity,low-noisecharacteristics,throughtherationaldesignofmagneticcircuitstructuretoobtainahigherweakmagneticenergy,varioustoolscanbeadrivingmachineofchoice.
Onthebasisoftheintroductionofelectricvehicles,electricmotoranditscontrolsystemapplicationstatusandperformancerequirements.FirstanalyzethestructuralcharacteristicsofthebrushlessDCmotor,focusingonbrushlessDCmotortorque/currentcontrolalgorithm,andconstructasimulationmodelofthebrushlessDCmotorcontrolsysteminMatlab/Simulinkenvironment.
Finally,accordingtothesimulationresultsofthebrushlessDCmotorcontrolsystem,designofabrushlessDCmotordirecttorquecontrolsystemhardwareandsoftware,whichthehardwarecontrolsystemmainlyconsistsofthree-phasefull-bridgeinvertercircuit,drivecircuit,therotorpositiondetectioncircuitandpowerdeviceprotectioncircuit.Thesystemischaracterizedbyelectronicallycommutatedlineinsteadofthemechanicalcommutatorandbrushchangetothestructure,sothatsensorscanmakeuseofthepowerfulfeaturesoftheDSPtoobtaintherotorpositionsignals,toovercometheexistenceofthemechanicalpositionsensorstothebrushlessmanyadverseeffectsbroughtaboutbytheDCmotor.
Keywords:
electricvehicles,brushlessDCmotor,directtorquecontrol,Matlabsimulation.
无刷直流电动机及其控制系统的研究
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作者签名：
日 期：
目录
第一章绪论 3
第2章无刷直流电机的工作原理 4
2.1无刷直流电机的基本组成及工作原理 4
2.1.1基本组成 4
2.1.2无刷直流电机的工作原理 5
2.2无刷直流电动机的运行特性 7
2.2.1机械特性 7
2.4无刷直流电动机的转矩脉动[ 9
第3章无刷直流电机的主电路的工作方式 10
3.1星形连接三相半桥式主电路 10
3.2星形连接三相桥式主电路 12
3.3角形连接三相桥式主电路 14
3.1无刷直流电机的控制策略 16
第四章基于直接转矩的无刷直流电机控制仿真 20
4.1无刷直流电动机id=0控制 20
4.1.1仿真模型介绍 20
4.1.2模块介绍 22
4.1.3id=0控制仿真结果 23
4.2无刷直流电动机最大转矩/电流比控制 27
4.2.1仿真模型介绍 27
4.3根据MTPA原理计算Tem对应的控制电流iq、id 32
4.3.1Matlab源程序 32
4.3.2运行结果 33
4.4MTPA控制的仿真结果 34
4.3.1电机空载 34
4.3.2电机负载Tf=2N·m 35
4.3.3负载在0.6S突然由原来的2N·m变到4N·m 36
4.3.4转速在0.6S突然由原来的200rad/s变到400rad/s 37
4.3.5电机制动时，能量回收 38
4.4MTPA与id=0仿真结果对比、分析 39
4.4.1结果对比 39
4.4.2结果分析 40
4.5本章小结 40
5.1无刷直流电机的基本硬件组成 41
5.1.1DSP控制器 42
5.1.3控制电路 44
5.1.4转子位置检测电路 47
5.2数字控制系统的软件设计 48
5.2.1整体设计论述 48
5.2.2换相检测和开环起动的软件实现 49
1.换相点的软件实现 49
2.电机旋转的正、反向控制 50
5.2.3主要子程序 51
1.转子转速调节子程序 51
2.换相服务子程序 52
52
5.2.4PWM周期中断子程序（PWMISR） 55
5.2.5ADC转换中断服务子程序（ADCISR） 55
第六章结论 60
参考文献 60
第一章绪论
近二十多年来，电力电子技术、计算机技术、控制理论以及新材料技术都得到了迅速的发展，所有这些都推动着电机控制技术的发展、进步。
新材料技术的发展，例如稀土永磁材料Nd-Fe-B、磁性复合材料的出现，给电机设计插上了翅膀，各种新型、高效、特种电机层出不穷。
我们国家稀土资源十分丰富，近年来，永磁电机的研究十分活跃。
采用永磁材料激磁，特别是采用高性能稀土永磁材料，可大大提高电动机效率，缩小电机体积。
据不完全统计，500W以下的直流微电机中，永磁电机占92%，而10W以下永磁电机占99%。
而在无刷化方面，主要是发展无刷直流BLDC（BrushlessDC）电机，以提高产品的可靠性和寿命。
而电力电子技术、计算机技术和控制理论的发展更使得电机调速技术得到很快的发展。
新的电力电子器件，高性能的数字集成电路以及先进的控制理论的应用，使得控制部件功能日益完善，所需的控制器件数目愈来愈少，控制器件的体积也日益减小，控制器的可靠性提高而成本日益降低。
从而使得电机的应用不再局限于传统的工业领域。
而在商业，家用电器、声像设备、电动自行车、汽车、机器人、数控机床、雷达和各种军用武器随动系统等领域也得到广泛应用。
当前，电子产品正经历着从模拟到数字的转化，在这场数字化的革命当中，DSP（DigitalSignalProcessor）器件适时而动，取得了飞速的发展。
今天，DSP己经成为通信、计算机、网络、工业控制以及家用电器等电子产品中不可或缺的基础器件。
由于DSP具有较强的计算能力和较好的实时性，使得算法复杂的现代控制理论能够在实际中得到很好的应用，特别是实时性要求很高的系统，也可以通过DSP实现复杂的智能控制算法。
在电力传动这个实时性要求很高的领域，DSP的应用越来越多，例如机器人，机械手等工业自动化系统；火炮位置伺服等军用设备；洗衣机，空调等家用电器设备；电动自行车等交通工具都用到了DSP控制器电力传动方案。
DSP技术的提高和CPU相似，已经成为决定电子产品更新换代的决定因素之一。
用DSP进行电力传动系统的设计，是未来电力传动系统实现数字化，智能化的发展方向。
本课题是自选研究课题，旨在研制一套基于DSP的无刷直流电机调速系统，主要工作如下：
（1）研究无刷直流电动机的运行原理和控制方式，针对控制对象——具有正弦波反电动势的15kW无刷电机选择合适的控制方案。
（2）设计无刷直流电机控制器的硬件电路，包括电源电路、功率电路、电流检测电路、电压检测电路、位置检测电路、电流斩波电路、驱动电路、DSP外围电路、DSP和单片机通信电路以及显示电路等。
（3）根据无刷直流电机的控制策略，介绍无刷直流电动机在横转矩区的id=0和MTPA控制策略，并在Matlab/simulink环境下，构建了电机控制模型，对两种控制策略的仿真结果进行了分析和对比。
最后，选择和确定了本系统相应的控制策略。
（4）通过实验和仿真结果，设计无刷直流电机直接转矩控制系统的硬件和软件。
实现数据采集及显示；跟踪转子位置，输出相通断信号至功率变换器决定对应的开关器件的开断；根据转子位置信号计算速度值；实现电流斩波控制；进行转速环和电流环PI调节；实现电机正反转运行以及DSP与单片机通信等。
第2章无刷直流电机的工作原理
2.1无刷直流电机的基本组成及工作原理
2.1.1基本组成
图2-1无刷直流电动机的结构原理图
无刷直流电动机的结构原理如图2-1所示。
它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关电路控制器三部分组成。
电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他起动装置，其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等），转子由永磁钢按一定极对数（2p=2，4,…）组成，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连接。
在图2-1中A相、B相、C相绕组分别与功率开关管（VT1，VT4）,（VT3，VT6）,（VT5，VT2）相接，磁极位置传感器跟踪转子与电动机转轴相连接。
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磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关电路，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而按一定的次序换相。
随着转子的转动，位置传感器不断的送出信号，以改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变，这就是无刷直流电动机的换流原理。
由于电子开关电路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换相器的换相作用。
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电路、永磁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。
直流电源
开关电路
电动机
位置传感器
n
图2-2无刷直流电动机的原理框图
2.1.2无刷直流电机的工作原理
众所周知，一般的永磁式直流电动机的定子由永磁磁钢组成，其主要作用是在电动机气隙中产生磁场，其电枢绕组通电后产生电枢磁场。
由于电枢的换向作用，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相互垂直，从而产生转矩而驱动电动机不停地运转。
无刷直流电动机为了实现无电刷换向，首先把电枢绕组放在定子上，永磁磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构刚好相反。
但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子上各绕组供电，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转动。
所以，无刷直流电动机除了由定子和转子组成电动机的本体以外，还要有位置传感器、控制电路以及功率开关共同构成的换向装置，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所产生的永磁磁场，在空间始终保持在左右的电角度。
下面以图2-1和图2-3为例（两两导通、Y连接、三相六状态）加以简要说明:
图2-3永磁无刷直流电动机工作原理示意图
当转子永磁体位于图2-3a所示位置时，转子位置传感器输出磁极位置信号，经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开关管、导通，即绕组A、B通电，A进B出，电枢绕组在空间的合成磁势，如图2-3a所示。
此时定转子磁场相互作用拖动转子顺时针方向转动。
电流流通路径为:
电源正极→管→A相绕组→B相绕组→管→电源负极。
当转子转过600电角度，到达图中2-3b位置时，位置传感器输出信号，经过逻辑变换后使开关管截至，导通，此时仍导通。
则绕组A、C通电，A进C出，电枢绕组在空间合成磁场如图2-3b中。
此时定转子磁场相互作用使转子继续沿顺时针方向转动。
电流流通路径为:
电源正极→管→A相绕组→C相绕组→管→电源负极，依次类推。
当转子继续沿顺时针每转过600电角度时，功率开关管的导通逻辑为→→→→…，则转子磁场始终受到定子合成磁场的作用并沿顺时针方向连续转动。
在图2-3a到b的600电角度范围内，转子磁场顺时针连续转动，而定子合成磁场在空间保持图2-3a的的位置不动，只有当转子磁场转够600电角度到达图2-3b中的位置时，定子合成磁场才从图2-3a中位置顺时针跃变至的位置。
可见定子电流产生的磁场在空间不是连续旋转的磁场，而是一种跳跃式旋转磁场，每个步进角为600电角度。
当转子每转过600电角度时，逆变器开关管之间进行一次换流，定子通电状态就改变一次。
可见，电机有6个状态，每一状态都是两两导通，每相绕组中流过电流的时间相当于电角度1200。
两两导通、Y连接、三相六状态无刷直流电动机的三相绕组与各开关管导通顺序的关系如表2.1。
表2.1两两导通Y连接三相六状态时绕组合开关管导通顺序表
电角度
3600
3000
2400
1800
1200
600
00
导通
顺序
A
B
C
B
C
A
B
VT1
VT2
VT3
VT4
VT5
VT6
2.2无刷直流电动机的运行特性
2.2.1机械特性
无刷直流电动机的机械特性为：
（1-1）
UT-开关器件的管压降
Ia-电枢电流
Ce-电机的电动势常数
-每级磁通量
可见无刷直流电动机的机械特性与一般直流电动机的机械特性表达式相同，机械特性较硬。
在不同的供电电压驱动下，可以得到如1-3图所示机械特性曲线簇。
图1-3机械特性曲线簇
当转矩较大、转速较低时，流过开关管和电枢绕组的电流很大，这时，管压降随着电流增大而增加较快，使在电枢绕组上的电压有所减小，因而图所示的机械特性曲线会偏离直线，向下弯曲。
2.2.2调节特性
无刷直流电动机的调节特性如图1-4所示。
图1-4调节特性
调节特性的始动电压和斜率分别为：
（1-2）
（1-3）
从机械特性和调节特性可以看出，无刷直流电动机与一般直流电动机一样，具有良好的调速控制性能，可以通过调节电源电压实现无级调速。
但不能通过调节励磁调速，因为永磁体的励磁磁场不可调。
2.2.3工作特性
电枢电流与输出转矩的关系、效率输出转矩的关系如图1-5所示。
图1-5工作特性
在输出额定转矩时,电机效率高、损耗低是无刷直流电动机的重要特点之一。
2.4无刷直流电动机的转矩脉动[
无刷直流电动机中存在的转矩脉动问题使它很难实现更精确的位置控制和更高性能的转速控制，尤其是在直接驱动应用的场合，转矩脉动问题更为突出。
引起转矩脉动的因素很多，主要有以下几个方面：
（1）齿槽效应引起的转矩脉动
在无刷直流电动机的任何电枢电流都不存在的情况下，当转子旋转时，由于定子齿槽的存在，定子铁心磁阻的变化而产生的磁阻转矩，就是齿槽转矩。
齿槽转矩是交变的，与转子位置有关，因此它是电动机本身空间和永磁励磁磁场的函数。
在电机制造上，将定子齿槽与永磁体斜一个齿距，或采用合理的分数槽，可以使齿槽转矩减小到额定转矩的百分之一左右。
（2）谐波引起的转矩脉动
在无刷直流电动机中，恒定转矩主要是由基波磁链和基波电流相互作用产生的，更高次的同次谐波间产生的恒定转矩可以忽略不计，不同次谐波磁链和电流间不产生脉动转矩。
但在实际电机中，输入定子绕组中的电流不可能是矩形波，因为电机的电感限制了电流的变化率。
反电动势的波形偏差越大，引起的转矩脉动越大，另外，非理想的磁链波形对转矩脉动也有影响。
（3）电流换向引起的转矩脉动
电流换相也是引起转矩脉动的主要原因之一，转矩脉动基本频率是电流频率的6倍，也就是说，转矩脉动起决定作用的是6次谐波转矩，主要因为电流在每周期内要进行6次换相。
平均转矩随换相角而变化，换相角度越大，转矩脉动幅值越大。
特别，在低速区BLDC电机的脉动转矩会引起转速波动，将严重影响系统的性能。
第3章无刷直流电机的主电路的工作方式
目前，无刷直流电动机的电机本体大多采用三相对称绕组，由于三相绕组既可以是星形连接，也可以是角形连接，同时功率逆变器又有桥式和非桥式两种。
因此，无刷直流电动机的主电路主要有星形连接三相半桥式、星形连接三相桥式和角形连接三相桥式三种形式。
3.1星形连接三相半桥式主电路
常见的三相半桥主电路如图3.1所示，图中，A、B、C三相绕组分别与三只功率开关管VT1、VT2、VT3串联，来自位置检测器的信号H1、H2、H3控制三只开关管的通断。
在三相主半桥电路中，位置信号有1/3周期为高电平、2/3周期为低电平，各传感器之间的相位差也是1/3周期，如图3.2所示。
图3.1三相半桥主电路
图3.2三相半桥主电路中位置传感器信号
当转子磁极转过图3.3（a）所示的位置时，H1为高电平，H2、H3为低电平，使功率开关VT1导通，A相绕组通电，该绕组电流同转子磁极作用后所产生的转矩使转子沿顺时针方向转动。
当转子磁极转到图3.3（b）所示的位置时，H2为高电平，H1、H3为低电平，使功率开关VT2导通，A相绕组断电，B相绕组通电，电磁转矩仍使转子沿顺时针方向转动。
当转子磁极转到图3.3（c）所示的位置时，H3为高电平，H1、H2为低电平，使功率开关VT3导通，B相绕组断电，C相绕组通电，转子继续沿顺时针方向旋转，而后重新回到图3.3（a）所示的位置。
图3.3电枢绕组通电与转子磁极的相对位置
这样，定子绕组在位置检测器的控制下，便一相一相地依次馈电，实现了各相绕组电流的换相。
在换相过程中，定子各相绕组在气隙中所形成的旋转磁场是跳跃式的，其旋转磁场在360°电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态持续120°电角度。
我们把这种工作方式叫做单相导通星形三相三状态。
三相半桥主电路虽然结构简单，但电机本体的利用律很低，每相绕组只通电1/3周期2/3周期处于关断状态，绕组没有得到充分利用，在整个运行过程中转矩脉动也比较大。
3.2星形连接三相桥式主电路
图3.4所示是一种星形连接三相桥式主电路。
图中，上桥臂三个开关管VT1、VT3、VT5是P沟道功率MOSFET，栅极电位低电平时导通；下桥臂三开关管VT4、VT6、VT2是N沟道功率MOSFET，栅极电位高电平时导通。
这种逆变器电路利用P沟道MOSFET和N沟道MOSERT导通规律的互补性，简化了功率开关管的驱动电路。
位置检测的三个输出信号通过逻辑电路控制这些开关管的导通和截止，其控制方式有两种：
二二导通方式和三三导通方式。
1．二二导通方式
二二导通方式是指在任一瞬间使两个开关管同时导通。
这种工作方式就是两相导通星形三相六状态方式，下面根据反电动势和电磁转矩的概念来分析其导通规律及特点。
图3.4星形连接三相桥式主电路
电机的瞬时电磁转矩可由电枢绕组的电磁功率求得：
（3.1）
式中、、——A、B、C三相绕组的反电动势。
、、——A、B、C三相绕组的电流。
——转子的机械角速度。
可见，电磁转矩取决于反电动势的大小。
在一定的转速下，如果电流一定，反电动势越大，转矩就越大。
图3.5三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式下的导通规律
图3.5给出了无刷直流电动机三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式下的开关管导通规律。
为了使电机获得最大转矩，在二二导通方式下，开关管的导通顺序应为：
VT1、VT2VT2、VT3VT3、VT4VT4、VT5VT5、VT6VT6、VT1。
在这种工作方式下，每个电周期共有六种导通状态，每隔60°电角度工作状态改变一次，每个开关管导通120°电角度。
由此可见，如果忽略换相过程的影响，当梯形波反电动势的平顶宽度大于等于120°电角度时，电机的转矩脉动为0。
因此，无刷直流电动机在设计时，应尽量增大磁极的极弧系数，以获得足够宽的磁密分布波形，从而得到平顶部分较宽的反电动势波形。
同时，如果假定电流为平顶波，电机工作在两相导通星形三相六状态方式时，总的电磁转矩是每相电磁转矩的两倍。
如果假定气隙磁密在空间呈正弦分布，容易根据相量图得出此时合成电磁转矩是每相电磁转矩的倍的结论。
必须指出，这个结论对于无刷直流电动机来说并不准确，但可用于逆变器工作方式的定性分析。
2．三三导通方式
三三导通方式是在任一瞬间使三个开关管同时导通
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