上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 本文縱觀了無刷直流電動機的興起、發(fā)展與現(xiàn)狀，概括了無刷直流電動機無 位置傳感器控制技術(shù)的現(xiàn)有水平及存在的問題，以研制、開發(fā)直流變轉(zhuǎn)速空調(diào)調(diào) 速裝置為依托，從理論和實踐兩個方面對這些問題展開了較為全面的研究和討 論。 1 介紹了基于端電壓進行反電勢過零點檢測的方法，討論了目前常用的模擬 檢測法與數(shù)字檢測法的優(yōu)缺點，分析了p w m 載波頻率以及占空比對數(shù)字 檢測法的影響，提出了在滿足開關(guān)損耗的前提下，根據(jù)電機轉(zhuǎn)速以及 p w m 占空比來調(diào)整p w m 頻率的方法，借此提高過零檢測的準(zhǔn)確性。 2 重點研究了無刷直流電機換相轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生的原因，并在文獻3 4 】的基礎(chǔ)上 對換相轉(zhuǎn)矩脈動的抑制作了進一步的討論。提出了換相時統(tǒng)統(tǒng)采用恒壓控 制方法，然后通過軟件調(diào)整恒壓控制的作用時間。詳細(xì)分析了恒壓控制的 適用條件，提出了低速重載情況下減少恒壓作用時間，而高速重載情況下 增加恒壓作用時間的辦法。 3 介紹了直流變頻空調(diào)系統(tǒng)的工作原理以及東芝變頻芯片t m p 8 8 c h 4 0 的功 能與特點，尤其探討了該芯片在無位置傳感器無刷直流電機驅(qū)動方面的優(yōu) 勢。研制完成以t m p 8 8 c h 4 0 為主控芯片，以智能型功率模塊i p m 為功率 變頻器件的無位置傳感器無刷直流壓縮機的控制系統(tǒng)。在過零檢測以及換 相轉(zhuǎn)矩脈動抑制方面，采用了上述1 、2 中提到的改進方法，取得了良好 的效果。 關(guān)鍵詞：無刷直流電動機、無位置傳感器、反電動勢、換相控制、換相轉(zhuǎn)矩 脈動、p w m 。 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sac o m p r e h e n s i v ev i e w o ft h er i s i n g ， d e v e l o p m e n ta n dp r e s e n ts i t u a t i o no fc o n t r o lt e c h n i q u ef o rb r u s h l e s s d c m o t o r ， a n ds u m m a r i z e st h ep r e s e n tl e v e la n d s h o r t a g e s o f s e n s o r l e s sc o n t r o lt e c h n i q u e d e p e n d i n g o nt h er e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n to fv a r i a b l es p e e d c o n t r o l l e rf o rd ci n v e r t e r a i r c o n d i t i o n e r 。t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e sa n dd i s c u s s e st h ef o l l o w i n g p r o b l e m si nt h e o r ya n dp r a c t i c e ： 1 d i s c u s s e dt h es t r e n g t ha n dd r a w b a c k o ft h ea n a l o gd e t e c t i o n m e t h o da n dd i g i t a ld e t e c t i o nm e t h o dt h r o u g hw h i c hw ec a ng e tt h e b - e m fz e r o - c r o s s i n gp o i n tj u s tb a s e do nt h e3 - p h a s e st e r m i n a l v o l t a g e a n dt h ei n f l u e n c e so fp 州f r e q u e n c ya n dd u t yc y c l eo n t h e z e r o c r o s s i n gd e t e c t i o n i s a n a l y z e d i nt h ec a s eo fd i g i t a l d e t e c t i o nm e t h o d ，t h e nt h ei m p r o v e m e n ts t r a t e g ei sp r o p o s e d t h em e t h o di st oa d j u s tt h ep 1 j l mc a r r i e rf r e q u e n c y a c c o r d i n gt o m o t o r ss p e e da n dp w md u t ya f t e rm e e t i n gw i t hp o w e rs w i t c h e s s l o s ss p e c i f i c a t i o n 2 t h er e a s o n o fc o m m u t a t i o n t o r q u er i p p l e i s r e s e a r c h e d e s p e c i a l l y a n dd i s c u s s e d m o r ea b o u tt h er e d u c t i o nm e t h o do f c o m m u t a ti o n t o r q u er i p p l e b a s e do nt h e k n o w l e d g e o f d i s s e r t a t i o n 3 4 t h e nf o u n dt h a tw e c a ns e t t h e p w md u t yt ol d u r i n gc o m m u t a t i o n ( n a m e d c o n s t a n tv o l t a g ec o n t r o lm e t h o db e l o w ) b u tn on e e dt oc a l c u l a t et h ei d e a lp 1 j | md u t yi nt i m ef o rt o r q u e r i p p l er e d u c ti o n ，a n dj u s ta d j u s t t h ep e r i o do f p w md u t yw i t h 1 a n dt h ea d v e r c ec o n d i t i o no fc o n s t a n tv o l t a g ec o n t r o lm e t h o di s d i c u s s e d ，t h e nt h er e s p e c t i v ei m p r o v e m e n tm e t h o di sp r o p o s e dt h a t t od e c r e a s et h ea c t i o np e r i o do fc o n s t a n tv o l t a g ec o n t r o li n t h e c a s eo fl o ws p e e da n dh i g hl o a da n di n c r e a s et h ea c ti o np e r i o di n t h ec a s eo fh i g hs p e e da n dh i g hl o a d 3 t h ep r i n c i p l eo fd c i n v e r t e r f e a t u r e sa n db a s i cf u n c ti o n s a i rc o n d i t i o n e ri si n t r o d u c e d t h e o ft m p 8 8 c h 4 0a r es t u d i e d ，a n dt h e 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 s t r e n g t ho ft h i sc h i pu s e df o rs e n s o r l e s sb l d cc o n t r o li s i n t r o d u c e d e s p e c i a l l y t h e n ad r i v e ru n i ti s d e v e l o p e df o rd c i n v e r t e ra i rc o n d i t i o n e r ，w h i c ha d o p t e dt h et m p 8 8 c h 4 0a st h ec o r e a n di p ma sp o w e rs w it c h e s t h r o u g ha d o p ti n gt h ea b o v ela n d2 i m p r o v e m e n tm e t h o d ，t h e z e r o c r o s s i n g d e t e c t i o ni sm o r e p r e c i s e ，a n dt h er i p p l ec o m m u t a t i o nt o r q u ei ss u p p r e s s e d k e y w o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o r , s e n s e r l e s sc o n t r o l ，b e m f ( b a c k e l e c t r o m a g n e t i cf o r c e ) ，c o m m u t a t i o nc o n t r o l ，c o m m u t a t i o n t o r q u er i p p l e s ，p w m u i 原創(chuàng)性聲明 本人聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作。 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他入已發(fā)表 或撰寫過的研究成果。參與同一工作的其他同志對本研究所做的任何 貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 簽 名：匕掣聳日期：竺量：! ：! z 本論文使用授權(quán)說明 本人完全了解上海大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué) 校有權(quán)保留論文及送交論文復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？?以公布論文的全部或部分內(nèi)容。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 簽名產(chǎn)啦導(dǎo)師簽名：壟絲墊日期：蘭二! ； 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 1 - 1 引言 8 0 年代以來，微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展在電氣傳動領(lǐng)域中得 到了廣泛的應(yīng)用，在家用電器領(lǐng)域特別是制冷行業(yè)中也不例外。新一代舒適、 節(jié)能、低噪音、高性能的交流變頻空調(diào)正逐步取代傳統(tǒng)的定頻空調(diào)，而全直流 變速空調(diào)在效率與性能指標(biāo)上比交流變頻空調(diào)更勝一籌。 全直流變速空調(diào)與交流變頻空調(diào)一樣涉及了多個學(xué)科的領(lǐng)域。它包括了無 位置傳感器無刷直流電機的應(yīng)用技術(shù)、新型電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)、熱泵 型變頻空調(diào)技術(shù)等，是控制領(lǐng)域研究的熱門課題之一。 無位置傳感器無刷直流電機是在直流伺服電機的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。直流 伺服電機由于存在機械式換向器和電刷，因此其體積大、結(jié)構(gòu)和制造工藝復(fù) 雜、需經(jīng)常檢修、電機工作不穩(wěn)定、無法直接應(yīng)用在易燃易爆的工作環(huán)境中、 無法使用在快速響應(yīng)要求較高的安裝空| 日j 較小的場合內(nèi)，給應(yīng)用帶來了一系列 的限制。3 1 。因此，人們就一直在尋求取代帶有機械式換向器和電刷的直流伺服 電機，而無刷直流電機正是這一發(fā)展的必然產(chǎn)物。隨著高性能第三代永磁材 料，如釤鈷、釹鐵硼等的問世，無刷直流電機轉(zhuǎn)子可以采用永磁材料勵磁，使 得電機具有體積小、重量輕、效率高、轉(zhuǎn)動慣量小、不存在勵磁損耗問題、結(jié) 構(gòu)簡單、維護方便、運行可靠等優(yōu)點，如今已廣泛應(yīng)用于辦公自動化設(shè)備、醫(yī) 療器械、家用電器等領(lǐng)域。 其次，由于新型電力電子器件的迅猛發(fā)展，如g t r 、g t o 、m o s f e t 、i g b t 、 i g c t 等器件的不斷問世，也為無刷直流電機的廣泛應(yīng)用奠定了峰實的基礎(chǔ)。在 電力電子技術(shù)走向高頻化、大功率化、綠色化的進程中，作為基礎(chǔ)的電力電子 器件已發(fā)展到功率集成的新階段，出現(xiàn)了智能化功率模塊i p m 和大功率集成電 路，使變頻電路成本降低，性能提高。反之，新型高性能的半導(dǎo)體功率器件也 促使各種新型的脈寬調(diào)制( p w m ) 技術(shù)與高頻諧振逆變技術(shù)得到了進一步的發(fā) 展，從而推動了家用電器產(chǎn)品的更新發(fā)展。 熱泵型變頻空調(diào)是新一代的高性能空調(diào)，是熱泵控制技術(shù)、電力電子技術(shù) 和微電子技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物?，F(xiàn)在中國的變頻空調(diào)市場還處于萌芽狀態(tài)。日本市 場的比例已超過了9 0 ，而中國還不足1 0 ，普通通斷型空調(diào)仍占中國空調(diào)市場 的主導(dǎo)地位。由于變頻空調(diào)具有省電、噪聲低等諸多優(yōu)點，是家電產(chǎn)品更新?lián)Q 代的發(fā)展方向之一。目前，國外已推出無刷直流壓縮機的變速空調(diào)，它克服交 流壓縮機的缺點，具有效率及可靠性更高、損耗及噪聲更低、控制更簡單、性 價比高等優(yōu)點。所以無刷直流壓縮機在家用變頻空調(diào)中有著不可估量的發(fā)展前 景。 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2 課題的背景與意義 節(jié)能已經(jīng)成為時代的主題。據(jù)統(tǒng)計，全球消耗的電能中有5 0 用于電機驅(qū) 動，可見在電機控制方面采取節(jié)能措施是必要的也是有效的。在家電中，空調(diào) 作為耗電大王，當(dāng)然成為節(jié)能降耗的首要對象。傳統(tǒng)定頻空調(diào)的壓縮機采用交 流電機，運行在通斷工作方式，在起動過程中會產(chǎn)生較大的電流。壓縮機起動 后，由工頻電網(wǎng)直接供電，輸出功率恒定，空調(diào)的溫度調(diào)節(jié)過渡過程緩慢，溫 度波動范圍大，舒適性差，能效比低。變頻空調(diào)是定頻空調(diào)的更新?lián)Q代產(chǎn)品， 由于變頻空調(diào)可以在超過額定頻率的情況下運行，在短時間內(nèi)充分發(fā)揮壓縮機 的最大效能，輸出額定的制冷或制熱量，以達到高效、快速調(diào)節(jié)溫度的效果。 同時在熱負(fù)荷降低時可以保持在能效比更高的低頻運行狀態(tài)，節(jié)能效果明顯。 因此它有效地克服了定頻空調(diào)的諸多缺點，具有啟動快、舒適性好、節(jié)能省 電、降低環(huán)境污染等優(yōu)點。 壓縮機是空調(diào)進行能量轉(zhuǎn)換的核心，也是空調(diào)整機的主要耗能部件，其能 耗占空調(diào)整機的9 0 以上，因此它的運行狀態(tài)、效率、噪聲等性能對空調(diào)整機 的性能具有決定性的影響。變頻空調(diào)根據(jù)壓縮機的不同分成兩種：采用交流變 頻壓縮機的稱為交流變頻空調(diào)，其壓縮機采用三相異步電機驅(qū)動；采用直流變 頻壓縮機則稱為直流變頻空調(diào)，壓縮機由無刷直流電機驅(qū)動。無刷直流電機與 異步電機相比，它有很多的優(yōu)點，其中最突出的是其效率高，節(jié)能效果明顯， 而且噪聲低，所以目前市場上變頻空調(diào)大部分為直流變頻空調(diào)。 與交流變頻空調(diào)相比，直流變頻空調(diào)壓縮機調(diào)速裝置更加復(fù)雜，目前主要 有兩種控制方式：一種是當(dāng)前最為流行的1 2 0 。導(dǎo)通控制方式，也稱為二二導(dǎo)通 方式，即任何時刻都只給兩相供電：另一種稱之為1 8 0 。導(dǎo)通控制方式，也稱為 矢量控制方式。前者由于每次只有兩相導(dǎo)通，就可以通過檢測不導(dǎo)通相反電勢 的過零點來推算換相點，大大降低了無位置傳感器直流無刷電機控制中位置檢 測難度，使得無刷直流電機的控制變得更加簡單。但是1 2 0 。導(dǎo)通控制方式有它 的弱點，最明顯的是繞組電感造成的換相轉(zhuǎn)矩脈動，使得系統(tǒng)振動加劇，噪聲 增加；同時當(dāng)電機電流過大時，將無法檢測到反電勢過零點，因此無法進行換 相，限制了變頻空調(diào)的能力范圍。矢量控制方法通過檢測三相電流，經(jīng)過坐標(biāo) 變換與反變換，能夠?qū)崟r地估算出轉(zhuǎn)子的位置與速度，相對于1 2 0 ?？刂品椒?， 在轉(zhuǎn)子的一個機械周期內(nèi)，能夠獲得更多的轉(zhuǎn)子位置信息，因此控制更加精 確，電機運行效率更高；同時由于三相同時導(dǎo)通，消除了1 2 0 ?？刂品椒ㄖ袚Q相 時的電流脈動，所以電機運行更加平穩(wěn)，噪聲降低。但是矢量控制算法與1 2 0 。 控制方法相比，理論要復(fù)雜的多，其算法如圖1 - 1 所示，必須選用數(shù)據(jù)處理能 - 2 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 力強的專用芯片才能完成，如d s p ，成本有所上升；而且基于電流來估算轉(zhuǎn)子 位置非常復(fù)雜，跟電機的參數(shù)有很大關(guān)系，如果電機參數(shù)辯識有較大偏差將大 大影響控制效果，甚至控制失敗。總之矢量算法能帶來好的控制效果，但是控 制系統(tǒng)的硬件成本上升，同時開發(fā)成本也很高。 如上所述，1 2 0 ?？刂品桨笇崿F(xiàn)容易，成本低，但是性能有待提高：矢量控 制則實現(xiàn)困難，而且成本上升，雖然性能更佳。如果能在這兩者間達到平衡， 找到一個性能較好、成本又不高的方案，將能很好地迎合家電市場的需要，既 能發(fā)揮無刷直流電機的優(yōu)勢，節(jié)能降耗，又能在盡可能低的成本下實現(xiàn)更高的 性能，滿足了人們?nèi)找嫣岣叩纳钇焚|(zhì)要求。本課題將重點探討如何提高1 2 0 。 控制方法的性能，實現(xiàn)高性價比的無位置傳感器無刷直流電機調(diào)速裝置。 圖1 - 1 無刷直流電機矢量控制算法框圖 1 - 3 課題的主要研究內(nèi)容 無位置傳感器無刷直流電機的難點之一在于轉(zhuǎn)子位置的檢測，尤其是低速 運行情況下。位置檢測不準(zhǔn)確，將導(dǎo)致?lián)Q相出現(xiàn)偏差，影響電機運行性能 甚至換相失敗。本課題在充分理解無刷直流電機的基本工作原理的基礎(chǔ) 上，重點學(xué)習(xí)了基于端電壓進行反電勢過零檢測的方法，對當(dāng)前采用的模 擬檢測法以及數(shù)字檢測法進行了詳細(xì)的分析，并歸納了各自的優(yōu)缺點。同 時分析了p w m 頻率以及占空比在數(shù)字檢測法中對過零信號檢測的影響， 并提出了改進策略。 3 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 無刷直流電機采用1 2 0 ?？刂品椒〞r，換相期間受繞組電感影響容易產(chǎn)生轉(zhuǎn) 矩脈動，導(dǎo)致調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生振動與噪聲。本文基于文獻【3 4 】所提出的“匾壓 控制法，即通過增加換相期間的p w m 占空比來抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動，對 轉(zhuǎn)矩脈動的抑制作了進一步的討論。應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)該占空比的計算非常復(fù) 雜，同時還得控制該占空比的作用時間，軟件算法很難實現(xiàn)。提出了在換 相期間固定p w m 占空比為最大值l ，然后通過軟件調(diào)整恒壓控制作用的 時間長度，大大降低了實現(xiàn)的難度。同時探討了恒壓控制法的使用條件， 發(fā)現(xiàn)在重載低速以及重載高速兩種情況下恒壓控制效果變差，在詳細(xì)分析 了效果變差的原因后，提出了改進的方法。 學(xué)習(xí)了直流變頻空調(diào)系統(tǒng)的工作原理，以及系統(tǒng)對調(diào)速裝置的基本要求。 掌握東芝的變頻芯片t m p 8 8 c h 4 0 的原理與特點，研制完成以 t m p 8 8 c h 4 0 為主控芯片，以智能型功率模塊i p m 為功率變頻器件的無位 置傳感器無刷直流壓縮機的控制系統(tǒng)，并通過此平臺檢驗了上述改進方法 的有效性。 1 - 4 無刷直流電機發(fā)展背景以及國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 無刷直流電機的發(fā)展得力于電力電子技術(shù)的推動。針對直流伺服電機的弊 病，早在2 0 世紀(jì)3 0 年代，就有人開始研制以電子換相來代替機械換相的無刷 直流電機，并取得了一定成果。但由于當(dāng)時大功率電子開關(guān)器件僅處于初級發(fā) 展階段，沒能找到理想的電子換相元件，使得這種電機只能停留在實驗室研究 階段。1 9 5 5 年，美國的d h a r r i s o n 首次實現(xiàn)了用晶體管電子開關(guān)代替電機電 刷，但這只是無刷直流電機簡單的雛形，無起動轉(zhuǎn)矩，還不能產(chǎn)品化。到六十 年代，高強度稀土永久磁鐵的有效利用及借助霍爾元件來實現(xiàn)換相，為永磁直 流伺服電機的出現(xiàn)創(chuàng)造了條件。七十年代以來，產(chǎn)生了沒有轉(zhuǎn)子鼠籠的無刷直 流電機，其明顯效果是消除了永磁直流伺服電機轉(zhuǎn)動慣量大和電刷磨損的缺 點，可與逆變器一起實現(xiàn)高性能的運動控制【3 1 。 在相同功率的情況下，無刷直流電機比交流電機的體積小、效率高，其總 損耗約為交流電機的5 0 - - 6 0 。額定功率在1 0 1 0 0 k w 的無刷直流電機的效率 約為9 5 - - 9 7 ，而交流電機只有9 0 - - 9 4 ，且無刷直流電機的效率隨轉(zhuǎn)速的降 低而減少的趨勢也比交流電機小。無刷直流電機的功率因數(shù)可以為1 ，而交流 電機只能是滯后的功率因數(shù)，一般四極交流電機的功率因數(shù)為0 8 0 9 ，且隨 極對數(shù)的增加而降低。在相同功率條件下，無刷直流電機與交流電機的定子電 流之比等于交流電機的功率因數(shù)，無刷直流電機與交流電機的定子繞組損耗之 4 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 比等于交流電機功率因數(shù)的平方船1 。 現(xiàn)階段，交流電機和直流伺服電機在傳動應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，但無刷直流 電機正受到普遍關(guān)注。九十年代以來，隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代化生 產(chǎn)、辦公自動化的發(fā)展，家用電器、工業(yè)機器人等設(shè)備都越來越趨向于高效率 化、小型化及高智能化，作為執(zhí)行元件的重要組成部分，電機必須具有精度 高，速度快，效率高等特點，無刷直流電機的應(yīng)用也因此而迅速增長。尤其節(jié) 能已成為時代主題的今天，無刷直流電機高效率的特點更顯示了其巨大的應(yīng)用 價值。無刷直流電機轉(zhuǎn)子采用了永久磁鐵，其產(chǎn)生的氣隙磁通保持為常值，因 而特別適用于恒轉(zhuǎn)矩運行，對于恒功率運行，無刷直流電機雖然不能直接改變 磁通實現(xiàn)弱磁控制，但通過控制方法的改進也可以獲得弱磁控制的效果【3 0 1 。無 刷直流電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，因而在要求有良好的靜態(tài)特性和高動態(tài)響應(yīng)的伺 服驅(qū)動，如數(shù)控機床、機器人等應(yīng)用中，無刷直流電機比交流電機和直流伺服 電機顯示了更多的優(yōu)越性。現(xiàn)在無刷直流電機的應(yīng)用范圍遍及國民經(jīng)濟的各個 領(lǐng)域，并日趨廣泛，特別在家電、電動汽車、航空航天等領(lǐng)域已得到大量應(yīng) 用。目前日本、德國、美國、英國等幾個主要的微特電機生產(chǎn)國，無刷直流電 機產(chǎn)量年平均增長率保持在1 0 2 0 。世界總產(chǎn)量約在3 0 億臺左右哺引。我國有 先鋒電機廠、上海自動化二十一研究所等廠家生產(chǎn)無刷直流電機，但生產(chǎn)無刷 直流電機的材料及工藝相對落后，所以目前國內(nèi)壓縮機的制造還是采用日立技 術(shù)和松下技術(shù)。 1 5 仿真工具m a t l a b s i m u l i n k 概要 淞t l a b 將高性能的數(shù)值計算和可視化集成在一起，并提供了大量的內(nèi)置函 數(shù)，從而被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)計算、控制系統(tǒng)、信息處理等領(lǐng)域的分析、仿真 和設(shè)計工作。計算機仿真目前已經(jīng)成為解決工程實際問題的重要手段， m a t l a b s i m u li n k 軟件成為其中功能最強大的仿真軟件之一。而仿真領(lǐng)域的重 點是建立模型，即在模型建立以后再設(shè)計合理的算法對模型進行計算二玨。 s i m u l i n k 建模與一般程序建模相比更為直觀，操作也更為簡單，不必記憶各種 參數(shù)、命令的用法，只要用鼠標(biāo)就能夠完成非常復(fù)雜的工作。s i m u li n k 不但支 持線性系統(tǒng)仿真，還支持非線性系統(tǒng)仿真；不但支持連續(xù)系統(tǒng)仿真，還支持離 散系統(tǒng)甚至混合系統(tǒng)仿真；不但本身功能非常強大，而且還是一個開放性體 系，可以自己開發(fā)模塊來增強s i m u l i n k 自身的功能。本課題充分利用了 m a t l a b 的數(shù)值計算以及可視化功能，對一些復(fù)雜函數(shù)進行了直觀地顯示，這對 于較快地摸清問題的內(nèi)在規(guī)律非常有幫助；同時利用s i m u l i n k 中的 s i m p o w e r s y s t e m s 工具箱，對直流無刷電機進行了仿真研究。 5 一 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章無位置傳感器無刷直流電機的工 作原理 2 - l 無刷直流電機的基本組成及分類 2 一卜l 無刷直流電機的基本組成 無刷直流電機是在有刷直流電機的基礎(chǔ)上發(fā)展起束的就它們內(nèi)部發(fā)生的 電磁過程柬說，本質(zhì)上并無大的差別，結(jié)構(gòu)上也有相通之處而不同的是有刷 直流電機的定了磁極是塊永久磁鐵，轉(zhuǎn)子是寥相繞組，并且還需機械換向器、 屯刷和輔助的勵磁裝置；而無刷直流電機則與有劇直流電機的定、轉(zhuǎn)子相反 轉(zhuǎn)了是永磁體，定于是多相繞組，其轉(zhuǎn)子多采用具有高剩余磁通密度和大矯頑 力的釤鈷合金、釹鐵硼等稀土永碰材料作磁鋼定子為壤中整距繞組，有星形 繞組，封閉式繞組正交繞組等不同種類，其基本結(jié)構(gòu)如圖2 1 所示。 剴2it 刪氕溉電# l 摹術(shù)鮚曲刪 無刷直流電機由于取消了機械換相器、電刷等裝置要正常運轉(zhuǎn)外部還 需配備逆變器、位置傳感器及換相控制器等。轉(zhuǎn)子位置傳感器和逆變器代替了 有刷直流電機的電刷和機械換向器，因此與一般有刷直流電機具有相同的工作 原理，即在一個具有恒定磁通密度分布的磁極下，保證電樞繞組中通入的電流 總量恒定，這樣就可以產(chǎn)生與電樞電流大小相關(guān)的恒定轉(zhuǎn)矩1 ?？刂葡到y(tǒng)原理 圈如下： 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 直流電源 開關(guān)電路 圖2 - 2 無刷直流電機控制系統(tǒng)原理圖 2 - l - 2 永磁電機的分類 隨著永磁電機轉(zhuǎn)子磁鋼幾何形狀的不同，轉(zhuǎn)子磁場在氣隙中的分布可分為 正弦波和梯形波兩種。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，在定子繞組中產(chǎn)生的反電勢波形也相應(yīng) 地為正弦波( 如圖2 4 ) 和梯形波( 如圖2 3 ) 。為了區(qū)分，習(xí)慣上把反電勢波 形為正弦波的永磁電機稱為正弦型永磁同步電機( p m s m ) ，反電勢波形為梯形 波的則稱為無刷直流電機( b l d c ) 或方波電機。不同的磁場分布，其工作原 理、驅(qū)動電流和控制方式也是不同的【5 4 】。 正弦型永磁同步電機在任意時刻三相都工作，因此，無位置傳感器的控制 算法就變得很復(fù)雜，如利用狀態(tài)觀測器、擴展卡爾曼濾波器等方法對電機轉(zhuǎn)子 位置進行估計。此類永磁同步電機雖然控制復(fù)雜，但轉(zhuǎn)矩脈動相對較小，定位 準(zhǔn)確，多用于伺服系統(tǒng)【5 4 1 。 具有梯形氣隙磁場分布的無刷直流電機，采用兩兩導(dǎo)通的控制方式，通過 檢測不導(dǎo)通相的反電勢波形可以方便地檢測到轉(zhuǎn)子相關(guān)的位置信息，位置反饋 裝置簡單，不需要采用正弦波型永磁同步電機中的絕對位置編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓 器，控制更為簡便，易于實現(xiàn)，多用于調(diào)速指標(biāo)要求不高的系統(tǒng)。 秘c 舟腳c - a 1 弋i l i i o k 。i ：片林： 圖2 - 3 梯形波反電勢波形圖2 _ 4 正弦波反電勢波形 7 上海大學(xué)碩十學(xué)位論文 2 2 無位置傳感器無刷直流電機的工作原理 2 - 2 - 1 無位置傳感器的提出 內(nèi)置式位置傳感器的無刷直流電機制造工藝要求高、電機的可靠性降低， 限制了無刷直流電機的應(yīng)用，表現(xiàn)在【3 】： 域。 位置傳感器增加了電機的體積，約占無刷直流電機體積的1 5 ； 傳感器信號引接線多，容易引入干擾，帶來阻抗匹配問題； 不允許在高溫、低溫、污濁空氣等惡劣環(huán)境中使用位置傳感器； 傳感器的安裝精度直接影響電機運行性能，制造工藝復(fù)雜且維修困難； 顯著增加了設(shè)備的硬件投資，同容量的無刷直流電機有位置檢測器使硬 件投資增加1 3 。 無位置傳感器的無刷直流電機能克服上述弊病，進一步拓展了其應(yīng)用領(lǐng) 2 - 2 2 無刷直流電機的數(shù)學(xué)模型及位置檢測原理 圖2 5 所示為無刷直流電機等效主電路原理圖。具有梯形反電勢波形的無刷 直流電機采用1 2 0 0 型二二導(dǎo)通，三相六狀態(tài)的p w m 調(diào)制方式。繞組的反電勢 信號可通過開路相的端電壓來檢測，從而確定轉(zhuǎn)子的位置。控制器根據(jù)位置檢 測信號，對v 1 v 6 進行控制。圖中表示相電感；r 表示相電阻；易、e b 、丘 分別表示每相的反電勢；以表示電機定子繞組中心點對地電壓；以表示直流母 線電壓。 圖2 - 5 無刷直流電機等效主電路原理圖 為簡化分析，以一臺三相兩極直流無刷電機為例，并假設(shè)： u n 8 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 ) 定子繞組為6 0 0 相帶整距集中繞組，星形連接： 2 ) 忽略齒槽效應(yīng)，繞組均勻分布于光滑定子的內(nèi)表面： 3 ) 忽略磁路飽和，不計渦流和磁滯損耗； 4 ) 不考慮電樞反應(yīng)，氣隙磁場分布近似為梯形波，平頂寬度為1 2 0 。電角 度； 5 ) 轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組，永磁體不起阻尼作用。 可寫出直流無刷電機三相端電壓平衡方程為【5 4 】： i ； = p 芝l 差a 三b 篆 j l | _ 乏i 。 j + 主三芝篆 p 差 + 莖 + 蠶曇量 萎 + 差 c 2 - ) 其中，忽略凸極效應(yīng)，定子三相繞組的自感為常數(shù)，三相繞組間的互感也 為常數(shù)，兩者都與轉(zhuǎn)子位置無關(guān)。l a 、l b 和l c 分別為三相繞組的自感，且 。= l 6 = l 。= ，厶b 為a 相和b 相繞組的互感，其它亦然，且 l 4 6 = l 缸= 三。= l = l k = 曲= m ，若定子三相繞組為y 連接，且無中線，則 有f 。+ i 6 + f 。= 0 ，可得m ( f 。+ i b ) = 一m i 。，則式( 2 1 ) 可簡化為 荔 = 三m 蘭m 蘭m p 芝 + 莖 + 蠶墨量 差 + 囊 c 2 - 2 ， 定義三= 一m ，則電壓方程( 2 2 ) 對應(yīng)的等效電路如圖2 - 6 所示： v a v b n 圖2 - 6 無刷直流電機的等效電路 設(shè)b 相和c 相導(dǎo)通，b 、c 兩相電流大小相等，方向相反，a 相電流為零， 即i 6 = - i 。，i 。= 0 ，則( 2 - 2 ) 式可變?yōu)?圪= e a + 圪 ( 2 - 3 ) 所以 乞= 圪一圪 ( 2 4 ) 9 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 又有 圪= 丟( 圪+ 匕) 所以式( 2 - 4 ) 變成 色= 圪一互1 ( + 圪) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 依此類推，可得到如下相應(yīng)地b 相和c 相反電勢方程為 1 e 6 = 圪一( 圪+ 圪) ( 2 - 7 ) 二 1 e = 圪一( 圪+ 圪) ( 2 8 ) 上 從式( 2 6 ) 、 ( 2 7 ) 、 ( 2 8 ) 可以看出，當(dāng)采用二二導(dǎo)通方式時，不導(dǎo) 通相的反電勢只與三相端電壓相關(guān)，使得沒有中心抽頭的直流無刷電機反電勢 檢測變得更加容易。對于直流無刷電機而言，反電勢過零點與最佳換相點的相 角差為3 0 0 【3 1 ，所以基于式( 2 6 ) 、 ( 2 7 ) 、 ( 2 - 8 ) 計算出反電勢過零點后只 需延遲3 0 0 就得到了電機的換相點，有關(guān)無位置傳感器直流無刷電機轉(zhuǎn)子位置 檢測請詳見第三章。 2 - 2 - 3 無刷直流電機的運行特性 基于電機學(xué)原理，可寫出直流無刷電機電磁轉(zhuǎn)矩為： l ：墨：墨! 墾壘晝疊墨塵 ( 2 9 ) “ q0 3 式中，為電磁功率； q 為轉(zhuǎn)子的機械角速度； 為電機的極對數(shù)； 彩為轉(zhuǎn)子的電角速度( r a d s ) 5 ( 2 1 0 ) 其中，乃為負(fù)載轉(zhuǎn)矩( n m ) ； 弓為摩擦轉(zhuǎn)矩( n m ) ； 1 0 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 ，為負(fù)載和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量( n m s 2 ) ： 尸為微分算子。 定子繞組星形連接時，設(shè)t 為無刷直流電機導(dǎo)通的兩相繞組感應(yīng)電勢幅 值，在任何時刻，定子只有兩相導(dǎo)通，所以電磁功率可表示為： = 色+ e b i b + t i c = 2 e , i d ( 2 1 1 ) 其中，e e 為導(dǎo)通兩相感應(yīng)電勢幅值； l 為變頻器直流母線平均電流。 無刷直流電機的通電繞組處于相同的磁場下，各相繞組的感應(yīng)電勢為【3 】： e = ( p n 6 0 ) d o 。n ( 2 1 2 ) 其中，為通電繞組匝數(shù)； n 為電機轉(zhuǎn)速； 。為主磁通。 因此，電磁轉(zhuǎn)矩表達式可表示為： 乃= ( 2 e e i a ) c o = ( p n r c ) 。，d ( 2 - 1 3 ) 由圖2 6 ，如忽略p w m 載波造成的相電流脈動，且以平均電流，d 表示，則 電壓平衡方程式可表示為： u d = 2 e e + 2 i d r ( 2 1 4 ) 其中u d 為電樞電壓。 結(jié)合式( 2 1 2 ) 與( 2 1 4 ) 并消去e e 得： ，z ：蘭l 一墮( 2 - 1 5 ) 2 k 。k 。 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 其中，k 。：等 ( 2 1 6 ) 0 u 由此可見，無刷直流電機的機械特性和勵磁電流恒定的直流電機相類似。 電磁轉(zhuǎn)矩正比于定子電流，通過控制定子電流的大小就可以控制轉(zhuǎn)矩。通過調(diào) 節(jié)電樞電壓u 。和定子電流l 可實現(xiàn)調(diào)速。 2 - 2 - 4 無位置傳感器無刷直流電機的起動過程 由于無位置傳感器無刷直流電機通常是利用反電勢過零點來決定換流時刻 的，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止或低速時，反電勢為零或太小，無法可靠地進行檢測，因此直 流無刷電機必須以他控式外同步電機方式起動、加速、再切換至內(nèi)同步閉環(huán)自 控方式。通常把起動過程分為轉(zhuǎn)子定位、加速、切換三個階段，稱為“三段 式”起動方式。 轉(zhuǎn)子定位 電機靜止時的轉(zhuǎn)子初始位置決定了逆變器第一次應(yīng)觸發(fā)哪兩個功率器件， 而要做到準(zhǔn)確判斷轉(zhuǎn)子初始位置比較復(fù)雜，為此，可先通過逆變器將任意兩相 導(dǎo)通，并控制此時的定位電流，經(jīng)通電一段時間后轉(zhuǎn)子就會轉(zhuǎn)到一個設(shè)定的初 始位置。這個過程稱為轉(zhuǎn)子定位，而且這種定位方式也稱為磁制動式電機轉(zhuǎn)子 定位方式【5 1 1 。 加速 已知轉(zhuǎn)子初始位置后，根據(jù)電機轉(zhuǎn)向，通過查表就可以確定下一拍該導(dǎo)通 哪兩相。這樣控制器發(fā)出一系列的同步信號經(jīng)驅(qū)動電路產(chǎn)生逆變器觸發(fā)信號， 并逐步提高同步信號頻率，電機就工作在他控式外同步狀態(tài)。電機低速時，反 電勢小，因此p w m 斬波占空比也應(yīng)該?。晦D(zhuǎn)速增大，占空比也應(yīng)隨之增高， 這樣才能保證電機既不過流，也不失步。通常的他控加速過程是事先人為設(shè)定 一個電機的起動頻率和起動電壓，然后根據(jù)人為設(shè)定的頻率與電壓的關(guān)系曲線 進行加速，在到達人為設(shè)定的切換頻率前不能產(chǎn)生“失步 現(xiàn)象，整個加速過 程是不根據(jù)過零位置信號進行換相的。 平滑切換 當(dāng)加速到預(yù)定的切換頻率后，平滑地進入到同步閉環(huán)自控方式，根據(jù)位置 檢測信號查表得到的結(jié)果來對無刷直流電機進行換相，使電機穩(wěn)定運行。 下圖為無位置傳感器無刷直流電機的起動過程示意圖： 1 2 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 7 無位置傳感器無刷直流電機的起動過程示意圖 2 - 2 - 5 無刷直流電機的換相控制 無刷直流電機通常采用二二通電模式，也就是說，每次只有兩相繞組通電 導(dǎo)通，第三相不導(dǎo)通。一般會在m c u 內(nèi)部建立一個換相表格，表格的內(nèi)容對 應(yīng)了各種模式下( 6 模式) 6 個功率開關(guān)所應(yīng)有的輸出狀態(tài)，；n t 表所示【1 5 】： 表2 一i 直流無刷電機兩兩導(dǎo)通方式下電機換相模式表 c u r r e n t a p p l i c a t i o n up p e rt r a n s i s t o rl o w e rt r a n s i s t o rc ur r e n t o n p a t t e r n w i n d i n g u vwx y z m o d e0o n o f f o f fo f fo n0 f fu v m o d e1o no f fo f fo f f 0 f fo nu 訓(xùn) m o d e 2 o f f0 n 0 f f o f f 0 f fo n v _ w m o d e3 o f fo n0 f fo n o f fo f fv u m o d e 4o f fo f fo no no f fo f fw u m o d e5o f fo f fo no f fo n 0 f f w w 其中模式o 5 對應(yīng)著反電勢一個周期內(nèi)的六個過零時刻，開關(guān)管的開通狀 態(tài)、電流流向以及轉(zhuǎn)子位置( 紅色標(biāo)識) 如下圖所示： u v u v m o d e0 - u 。 m o d e1 ：u + w 1 3 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 8 無刷直流電機換相示意圖 u v u v u v u v m o d e2 ：v + w m o d e3 ：v + u m o d e5 ：w + u m o d e5 ：w + v 一1 4 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章無位置傳感器無刷直流電機反電勢 過零點檢測方法 3 - 1 引言 位置傳感器在無刷直流電動機控制中起著測定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為外 部電子換相電路提供正確的換相信息，即將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電 信號，然后去控制定子繞組換相。取消位置傳感器后，就必須在電機中找到一 個能夠反映電機轉(zhuǎn)子磁極的信號。目前檢測電機反電動勢過零點以確定電機轉(zhuǎn) 子磁極的位置是比較常用的方法，也稱為“反電動勢法”。本章將簡單介紹反 電勢過零檢測的基本原理，并分析了目前比較流行的模擬檢測法以及數(shù)字檢測 法的優(yōu)缺點，然后介紹東芝變頻芯片t m p 8 8 p h 4 0 內(nèi)部集成的過零檢測模塊在 數(shù)字式過零檢測方面的優(yōu)越性，提出了軟件設(shè)計思路；最后討論了數(shù)字式檢測 方法中p w m 開關(guān)頻率以及占空比對過零檢測的影響，并提出了改進策略，實 驗證明了該方法的有效性。 3 2 反電勢過零點檢測基本原理 無位置傳感器直流無刷電機的轉(zhuǎn)子位置檢測方法大致有以下幾種：反電勢 法、電流法、狀態(tài)觀測器法、人工智能法以及磁鏈函數(shù)法【10 1 。其中基于端電壓 檢測反電勢過零點最為常見，通過比較端電壓與電源中心點電位，間接獲取反 電勢的過零點，然后延時3 0 0 得到換相點。 一壓碎婦滓迮迭 v l 。 、3 - j v 5ji a r i b r j s i c r v - l_ v 6_ v 2 ，延肆近馬歪譯 圖3 一lb l d c 等效電路模型以及電子換相回路 從圖3 1 直流無刷電機等效電路模型出發(fā)，電機三相端電壓平衡方程為： 1 5 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 卟凇+ 哮+ e + u n ( 3 - 1 ) = 屯尺+ 哮+ 邑也( 3 - 2 ) 即檔+ 哮堰+ 以( 3 - 3 ) 采用常規(guī)的二二導(dǎo)通三相六拍工作方式，且假定c 相處于關(guān)斷狀態(tài)，a 相 上橋臂采用p w m 斬波方式，b 相下橋臂恒導(dǎo)通。將以上三式相加，考慮到 f 。= - i b ，t = 0 ，e a = - e b ，有： e e = u c 一半( 3 - 4 ) 同理，可以寫出a 、b 相作為不導(dǎo)通相時其反電勢方程為： 乞= 虬一半( 3 - 5 ) 乞噸一半( 3 - 6 ) 由式( 3 4 ) 、 ( 3 5 ) 、 ( 3 6 ) 可以看出，在不導(dǎo)通相繞組電流等于零的 情況下，該相繞組反電勢只與三相繞組端點電壓相關(guān)，所以完全可以通過檢測 端點電壓的方式來獲取反電勢的過零點，如當(dāng)c 相端電壓與a 、b 相端電壓之 和的一半相等時，即可判定c 相繞組反電勢過零。 3 3 基于端電壓的反電勢過零檢測方法比較 在對直流無刷電機進行調(diào)速時，為了使電機電流足夠平滑，以及電流控制 的精度足夠高，一般控制功率管的開關(guān)頻率比較高，如典型的5 k h z 。這就意 味著電機端電壓也是一系列的高頻載波脈沖，對高壓電機而言，該高頻脈沖還 有較高的電壓幅值，如3 i o v ，而一般控制芯片以及邏輯電路都是低耐壓型，所 以對基于端電壓進行反電勢檢測來說，首先必須對端電壓進行處理，目前有兩 種處理辦法，其一是降壓并深度濾波，其二只是簡單的降壓處理。方法一中深 度濾波的作用是去除高頻載波對反電勢檢測的影響，輸入到控制芯片或邏輯電 路的信號為頻率與幅值都較低的反電勢相關(guān)波形，為模擬量，所以該法稱作模 擬檢測法：方法二中只是對端電壓進行降壓處理，輸入到后級電路的信號為低 壓高頻信號，即仍包含有高頻載波信號，為數(shù)字量，稱作為數(shù)字檢測法。檢測 電路如下所示： - 1 6 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 0 u o 圖3 2 直流無刷電機反電勢過零檢測原理示意圖 3 - 3 1 模擬檢測法的優(yōu)缺點 以a 相為例，參見圖3 - 2 ，其中u 。為a 相端電壓，u 為濾波后輸出電 壓，設(shè)廠為反電動勢頻率，則按基波計算有【馴 旦業(yè)： 墨2 ( 3 7 ) u 口 r l + r 2 + j 2 n r i r 2 c i 相角延遲為 口：撇! 墊墨2 至! ( 3 8 ) 。 r 1 + r ， 幅值衰減系數(shù)為 u4 0 u 。 ：1 ：壘：一 ( 3 9 ) ( 局+ r 2 ) 2 + ( 2 x f l 足i r 2c 1 ) 2 由式( 3 8 ) 、 ( 3 9 ) 可以看出，只要c l 0 ，則r c 濾波環(huán)節(jié)造成的相角 延遲以及幅值衰減系數(shù)就與反電勢頻率相關(guān)，如取尺。= 2 7 0 k q ，r ：= 1 2 艘， c 1 = 4 7 z ，可得到相角延遲以及幅值衰減系數(shù)隨反電勢頻率的變化情況如圖 3 3 、3 - 4 所示?？梢?，對于相同的硬件參數(shù)( r l ，r 2 以及c 1 ) ，反電勢頻率越 高，則相角延遲以及幅值衰減程度越大。 1 7 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 _ 一一7 | f f ， 圖3 3 相角延遲與反電勢頻率關(guān)系圖 一 | | | | i 、 、 、， 當(dāng)0 口3 0 。時，檢測到反電動勢過零后，換相延遲角應(yīng)調(diào)整為3 0 3 一口， 即再延遲3 0 。一口角進行換相。 當(dāng)口 3 0 。時，此時檢測到的反電動勢過零點已超過換相點，這樣就不能根 據(jù)過零點來計算換相點。 1 8 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 所以當(dāng)延遲角口 3 0 。時將導(dǎo)致?lián)Q相不能進行，文獻8 1 中針對此問題提出了 延遲9 0 。一t 2 換相方法，采用這種相角延遲補償后，口角的允許取值范圍為9 0 0 電角度，比延遲3 0 。換相時的允許取值范圍寬得多，這就可能實現(xiàn)整個調(diào)速范 圍內(nèi)的準(zhǔn)確換相，避免了由于不同口值時計算相位修正的復(fù)雜性。 但不管采用什么補償方法，都必須基于式( 3 8 ) 計算出當(dāng)前的延遲角，從 式( 3 8 ) 可以看出，5 2 不但與反電勢頻率相關(guān)，還與硬件電路參數(shù)相關(guān)，如果 其中的阻容器件( 尤其是電容器件) 參數(shù)的一致性以及時變性有大的偏差，則 口本身計算就有誤差，為補償帶來了難度。所以模擬法的缺點之一是阻容器件 產(chǎn)生了相角延遲，而相角延遲補償跟很多因素相關(guān)，復(fù)雜度比較高。 深度濾波帶來的相角延遲己被大家所熟知，而其所帶來的幅值衰減同樣應(yīng) 受到重視。從圖3 4 可以看出，當(dāng)反電勢頻率由0 遞增到5 0 h z 時，衰減系數(shù)由 0 0 4 銳減到0 0 0 2 5 ，相差1 6 倍。這里只畫出了5 0 h z 范圍內(nèi)的衰減系數(shù)，原因 是反電勢幅值與其頻率成正比，反電勢頻率越高時反電勢幅值也越大，衰減程 度的加大對過零檢測影響不大，但是在低頻區(qū)，本身反電勢幅值較小，過零點 附近反電勢波形比較平坦，衰減程度越