无刷直流电机控制方法.pdf
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1、无刷直流电机的控制清华大学电机系电气工程及其自动化专业中文摘要本文首先论述了无刷直流电动机的历史、发展、基本组成环节、基本工作 原理、运行特性和存在的问题。介绍了当前国内外解决无刷直流电动机输出转 矩脉动问题的研究概况。文中阐述了新型无刷直流电动机无转矩脉动输出的工作原理,详细给出了 新型电机的本体结构及用于控制电机换流的变频器拓扑设计方案。设计了以 ADMC(F)3 41为主控芯片的控制系统和以MOS FET为开关器件变频器主回路用于 电机控制。文中对整个控制系统的硬、软件设计作了详细论述,硬件部分重点 论述了电源电路、驱动电路、绝对值整流电路,以及各个硬件电路设计的要点、方法和一些重要电子
2、元器件参数的选择。软件部分包括了整体设计和几个主要 子程序的设计。文中还给出了利用单个电流传感器检测三相电流方案的工作原 理。应用上述软硬件进行了实验,文中给出的实验结果表明本文所设计的基于 ADMC(F)3 41芯片的新型无转矩脉动的无刷直流电动机系统能够正常工作。关键词:无刷直流电动机 ADMC(F)341 转矩脉动Abst rac tBased on the overview of solve ripple-free torque about BLDCM,the thesis expound the history,the development,the basic component
3、parts,the basic operational principle,the operational characteristic and existing problem of the Brushless DC Motor(BLDCM).The thesis dissertate the basic running principle of A New Ripple-Free Torque Brushless DC Motor.The basic structure of new motor and the topology of power circuit of the invert
4、er are given.The digital process chip,ADMC(F)341,is used in control system as centre of the motor control,and the MOSFET is applied in the inverter as switch device also.The hardware and software design of the whole control system is introduced in detail.The chapter of hardware design first explains
5、 the whole design.Then the design of several primary circuit is discussed and the choice of some important electronic component of power circuit,driver circuit,absolute value commutation circuit.The chapter of software design also first gives the whole design.Then the design of several primary subro
6、utines is discussed.The basic principle that it can measure three phase current by one current sensor was detailed analyzed.We apply the design scheme above to a Brushless DC Motor.The experimental results indicate that the new ripple-free torque brushless DC motor control system based on ADMC(F)341
7、 DSP chip works well.Key words:Brushless DC Motor ADMC(F)341 Ripple Torque目 录中文摘要.IIAbstract.Ill目 录.IV第一章:引言.11、1目的和意义.11、2无刷直流电动机的发展历史.21、3无刷直流电动机减小输出脉动的研究现状及文献综述.31、4 本论文的主要内容.12第二章:新型无刷直流电动机的原理和结构.132、1新型无刷直流电动机系统基本结构和原理.132、2三相导通三相六状态无刷直流电动机无脉动输出的运行原理.14第三章:新型无刷直流电动机的研制.183、1新型无刷直流电动机的整体结构设计.183
8、、2新型无刷直流电动机的硬件设计.193、2、1电源部分.193、2、2控制部分.213、2、3 ADMC(F)341 的介绍.233.3新型无刷直流电动机的硬件组成和工作原理.293、3、1、信号整形电路.323、3、2、检测三相电流和过流电路.323、3、3、信号放大和互锁电路.353、3、4、驱动电动机电路.373、4新型无刷直流电动机控制系统的软件设计.403、4、1 ADMC(F)341开发系统介绍.403、4、2 DSP控制软件开发流程及开发环境.413、4、3本系统的软件编程思想.433、4、3、1 PWMSYNC中断处理程序.453、4、3、2 PWMTRIP中断处理程序.47
9、3、4、3、3电枢电流换向程序.483、4、3、4输出PWM波形程序.50第四章:新型无刷直流电动机试验结果分析.524、1实验中使用的主要仪器.524.2实验波形与结果分析.534、2、1电枢电流换向控制波形.534、2、2功率管驱动波形.544、2、3不同PWM占空比下电枢电流波形.564、2、4三相绕组电压波形及其直流母线上电压波形.594、2、5空载和加载下吸收电容两端电压波形.61结 论.63参考文献.65致 谢.68第一章:引言1、1目的和意义近年来,世界各国对能源的紧缺越来越重视,而能源大部份是消耗在工业 上,所以在工业上仪器设备的能源利用率就显得特别重要了。据报道,美国55%以
10、上的电力是消耗在电动机运行上,而在中小功率工业上用的最多异步电动机 和无刷直流电动机的它们能源利用效率分别为:86.4%和92.4%1151,从数据上 可以看出在中小功率电动机应用中无刷直流电动机应该是最有发展前途的。随 着经济、工业和技术的发展,无刷直流电动机的应用领域不断扩大,广泛应用 在数控机床、机器人、雷达跟踪、冶金机械、纺织机械、电子电动玩具等各个 领域皿。据资料统计:小功率电动机每年都有数十亿台的需求量。其中以无刷 直流电动机的增长最为迅速,每年以大约15%的比例在增加“力。在工业应用中,无刷直流电动机在快速性、可控性、可靠性、体积小、重量轻、节能、耐受环 境和经济性等方面具有明显
11、优势。加上近几年,随着稀土永磁材料和电力电子器 件性能价格比的不断提高,无刷直流电动机作为中小功率高性能调速电动机和 伺服电动机在工业中的应用越来越广泛,造成了一个不可逆转的趋势是无刷直 流电动机在中小功率电动机应用中将逐步代替有刷直流电动机、步进电动机、异步电动机。虽然无刷直流电动机具备上述的诸多优点,但是它也有很多性能要改进的 地方,输出转矩脉动大是无刷直流电动机应用中主要的问题之一,也因为这个原 因大大阻碍它的进一步发展和应用,尤其是用于视听设备、电影机械、计算机 中的无刷直流电动机,更要求运行平稳、没有噪声。在这些应用场合中的电动机,大多为小功率、小尺寸的电动机,尺寸紧凑,改动更为困难
12、。为了改进性能减少 输出转矩脉动,各种方法都被应用,很多研究者从控制相电流波形来达到减少 输出转矩脉动,Pillay and Krishnan利用控制磁滞来控制输出转矩”,Joon-Hwan Lee利用傅立叶级数的方法来最大限度减少输出转矩的波动刖,Caricchi7 s利用60的梯形平顶波,来减少输出脉动”,但是上面的这些 方法或需要复杂的电流控制,或需要标准平顶磁通波形。本论文提出一种新型 无刷直流电动机的控制方法,在保留现有无刷直流电动机结构和设计规则的条 件下,理论上可以无脉动输出,不仅控制方法简单,甚至在转子气隙磁场波形 为任意波形分布的情况下,依然能保证输出转矩的平稳性。1、2无刷
13、直流电动机的发展历史有刷直流电机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用,但 是,机械电刷却是有刷直流电机的一个致命的弱点,机械换向导致换向不良,严重时会产生火花,调速范围较窄,维护量大。为了解决这一问题,早在本世 纪30年代,就有人开始研究以电子线路代替电刷机械换向的直流无刷电动机,直到1955年,美国D.哈利森等人申请了应用晶体管换向代替电动机机械换向器 的换向专利,这就是现代直流无刷电动机的雏形。后又经过人们多年的努力,借助霍尔元件来实现换向的直流无刷电动机终于在1962年问世。川随着电力 电子技术、微电子技术和控制理论等相关技术的飞速发展,出现了许多新型的 高性能的功率器件,及
14、相关的新型驱动、控制电路和电动机。21、3无刷直流电动机减小输出脉动的研究现状及文献综述近年来,无刷直流电动机一直是国内外研究的重要领域,调速范围广、输 出转矩脉动小、成本低、可靠性高、维护量小。一直是国内外科研工作者所追 求的目标。先后研制成方波永磁无刷直流电动机和正弦波永磁无刷直流电动机。方波永磁同步电动机是专为无刷直流电动机特制,这种电动机的本体结构理论 上可以消除因电磁方面引起的输出转矩波动,但需要增加成本,并且降低了系 统的通用性。正弦波永磁同步电动机可采用普通的永磁同步电动机,这样能够 降低成本,增加了系统的应用范围,但是这种结构的无刷直流电动机的输出转 矩波动较大。随着无刷永磁直
15、流电动机在精密电子设备和器具领域、工业自动化设备领 域、汽车和电动车辆以及现代家用电器中的应用越来越广泛。转矩脉动成了限 制永磁无刷直流电动机调速系统性能提高的重要缺陷,制约着其在某些情况下 的应用,尤其是在低速场合,转矩脉动影响更为突出,所以如何消除和减弱永 磁无刷直流电动机的转矩脉动一直都是研究的热点。概括起来,引起永磁无刷 直流电动机系统转矩脉动的因素主要有以下几种:。电磁因素引起的转矩脉动。O 电流换向引起的转矩脉动。O 电枢反应引起的转矩脉动。O 齿槽引起的转矩脉动。下面我们分别就从以上不同因素着手研究降低转矩脉动的方法。电磁因素引起的转矩脉动与电机气隙磁通密度分布及电枢绕组电流的波
16、形有关。消除的方法有下面几 种:3A、增加极弧宽度:考虑永磁无刷直流电机采用方波电流源供电情况下,气隙磁通密度呈方波 分布时,极弧宽度影响到转矩脉动,当极弧宽度增加时,转矩脉动减小,当极弧宽 度达到几时,电机出力最大,而转矩脉动为零。所以对实际电机虽然极弧宽度不 可能为冗,但其应接近冗。另外应使电机电枢表面电流分布尽量均匀。我们就对一台三相二通六状态永磁无刷直流电动机来说。先做如下假定,3 J:(1)电机绕组连续均匀分布于电枢表面。忽略齿槽影响。电枢绕组60 相带分布、整矩。如果想让通入方波电流而输出转矩无脉动,它要求的条件是 极弧系数为1,平顶波区占180。电角度。如图1 1虚线所示。但是实
17、际中的转子磁场如图1 1实线所示,它是一种帽形分布,极弧系数小于1,且平顶波 区域远小于180电角度,这种非理想的磁密波形必然引起实际的转矩脉动,若 极弧宽度越长越接近180电角度,那么输出的转矩脉动就越小,若极弧系数为 1时,输出的转矩脉动为零,但在实际制造过程中,是不可能达到的,即使极弧 系数达到0.889,输出转矩波动达T r=10%”,因此,这种理论上可以让输出转矩 脉动减小到零,无转矩脉动输出,但在实际中难以做到。B、谐波消去法:根据电磁谐波力矩的产生原理,根据气隙磁密波形决定电枢绕组的电流波 形,以消除电磁谐波力矩,即谐波消去法。其主要的目的是消除电流和反电势谐 4波成分产生的波动
18、力矩,其基本原理如下:当无刷直流电动机系统电流或反电势含有谐波分量时,系统的平均电磁力 矩和某些低次谐波力矩可表示为:式中 Emk各次反电势谐波幅值的标么值,k=l,5,7,1129;7 一E,E E 7 Em m5 mi ml 17 J3E m7-Em-E ml+m5,加52纵Er E i E 17 E 7 E q+E v E x+E i ini3 m 1 mi ml ini9 m5 m23 m1机7kJE in E ir E”El,E+E 1 E GO+E r_ mi9 ml m 23 zl3 ni25 m 1 in29 ml m 1 _Imk各次电流谐波幅值的标么值,k=l,5,7,11
19、;3,角速度;根据实际测得反电势波形可以用傅立叶分析得到各次电势谐波成分纥 令T 6二T 12二T 18二0,即可求解出最佳电流波形的各次谐波幅值,把这几次电流波组 合在一起得到了最佳电流波形,用它作为相电流参考信号,以减小反电势谐波产 生的波动力矩,这样输出的转矩只剩下T 0和一些脉动次数高而幅值小 T 6*K(K=4,5,6,)。研究表明,谐波消去法抑制较大的电势谐波产生的波动力 矩较为明显,或者只可将波动力矩抑制于一定的水平。这是因为,该方法对电流 调节器的带宽有较高的要求,正常情况下,电流调节器无法使相电流完全复现电 流指令中的各次谐波成分,因此,谐波消去法的作用是有限的。C、采用最佳
20、开通角:永磁无刷直流电动机输出的脉动和电动机本身的结构、磁极弧度、漏抗、反电势波形等都有关系。但是一旦这个电动机已经设计好了这些参数就确定了。采用电流最优开通角使电流波形和反电势波形的配合适当可削弱转矩脉动。消除谐波转矩脉动有通过谐波调制法来消除某些特定的谐波转矩,也可以 通过另外一种方法来做,如果能把其关键作用的谐波转矩值降为很小,也可以 消除谐波转矩脉动。现在我们重写电机转矩中谐波转矩的幅值项:5AT诫6_ 24EpIpsinv4(sink3-sink2)七尸为(4%)以3式中:Ep反电势的幅值;IP电流幅值;。2电流的开通角;0 3换流结束角;0 4梯形波斜率角;3 m角速度;K电流波的
21、谐波次数;V电枢反电势的谐波次数;图12电流波形 图1-3反电势波形(0 3-0 2)代表电流换流角,其大小对电机的转矩波动影响最大。因为其它 的参数一旦电机选中就确定了,但是不同的电流换流角产生不同的脉动转矩,什么时候开通电流也会影响输出转矩脉动的大小,而通过最优开通角使电流波 形和反电势波形的配合更接近于理想情况,达到部分补偿由于换流角引起的转 矩波动。最优开通角的实现可以通过将转子位置传感器位置逆转向移动一定角 度来达到。这种方法结构简单,成本低,可以起到减小输出转矩脉动作用。消 除是不可以的。D、磁场正弦化:一般研究和应用无刷直流电动机都是用方波电动机为主,但是正弦波永磁 直流电动机也
22、有自己的优点,它可以采用普通的永磁同步机,这样能够降低成 本,结构简单。但是正弦波永磁直流电动机输出的转矩脉动较大,若能克服这 一缺点那么它的应用范围得到大大提高。从理论上和实际中都不可能让输出脉 6动减小为零,但是可能减小。无刷直流电动机的电磁力矩可以表示为:网n 加T e 二上(1)叫1式中:p-极对数;coe-电气角速度;m-相数;%-第j相反电势;ij-第j相相电流;若电动机的反电势及相电流波形均为正弦形状,则有分=&sin q _2(./1)=(2)m.T.心 2(j 1),、ij=sm Oe-兀(3)m式中:Em 反电势幅值;Im 一一相电流幅值;丛一一电气转角;将式(2)、(3)
23、代入式得:(二詈&乙 从式可知、电磁力矩同转子转角无关,不存在波动力矩,所以波动力矩的 抑制可以从电动机系统的设计入手,采用气隙磁场、相电流正弦化的设计方法来 减小波动力矩。一方面,通过气隙磁场的正弦化设计和采用定子分布绕组,尽可 能减少电势中的谐波成分;可以采用双层表面磁钢转子结构来消除电势谐波,使五次、七次谐波得到了充分抑制,保证电枢反电势最大的正弦化;另一方面,通过合理设计驱动系统,使电机相电流的谐波成分降到最低。要使电流止弦化主 要采用PWM技术,无刷直流电动机不是用电流源就是用电压源驱动,输入到定 子电流还是方波电流,可是我们需要正弦波电流,我们可以把方波电源进行PWM 7调制让其控
24、制电枢电流尽可能接近正弦形,这样就保证输出转矩平稳性。在实际设计正弦波无刷直流电动机时,由于受磁极对数、极弧变化、气隙 宽度及充磁形式的影响,不能保证其转子永磁体励磁磁场所产生的气隙磁场波 形为正弦形,。同时电枢电流也不能保证为理想的正弦形,因此无法得到完全无 脉动的转矩输出。电流换相引起的转矩脉动无刷直流电动机每经过一个磁状态,电枢绕组中的电流就要从某一相切换 到另一相,理想的瞬时换流不会产生转矩脉动,但是实际系统由于电枢绕组电感 的存在,换流过程需要一定的时间,在换流过程中,电机一般处于三相同时导 通的状态,从而引起电机转矩的脉动。采用下面几种办法来解决:A、重叠换相法:无刷直流电机的电磁
25、转矩可以看作是定子绕组中的电流与转子磁场相互作 用而产生的,假设转子磁场是固定的,那么引起电机转矩脉动的只有电枢电流 了,如果在电流换相时,我们能让电枢电流和转子反电势作用的值保持恒定,那么输出的转矩就稳定了,我们可以把电磁转矩表示为:T 二 L+办 ih+/ic(t)/(5)/mea(t)-A相反电势;.-B相反电势;eg)-C相反电势:-A相电流;ib(r)-B相电流;ic(r)C相电流;3m-转子角度根据公式(5)可以看到只要在电流换相时保证等式右侧分子恒定,则输出 的转矩恒定,重叠换相法的原理是这样的:换相时应关断相所对应的功率开关 器件不立即关断,而是延长导通了一个时间间隔5。由于重
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