1、洛阳理工学院毕业设计（论文）I无刷直流电动机模糊 PI 控制及仿真摘 要无刷直流电机以体积小、重量轻、 效率高、调速性能好、无换向火花及无励磁损耗等诸多优点被大量应用于家电、交通、医疗器械、数控机床及机器人等领域，现代工业的快速发展对无刷直流电机控制系统的性能要求也越来越高。可以预见，随着永磁材料和电力电子器件价格进一步的降低，无刷直流电机驱动理论的研究不断深入，无刷直流电机的应用前景将更加广泛。本文通过阅读大量文献资料，介绍了无刷直流电机的发展现状、研究动态及工作原理等。在控制策略上，采用了基于智能控制思想的模糊控制，其特点是不依赖于对象模型，利用制定的控制规则进行了模糊推理从而获得合适的控
2、制量。运用 Matlab/Simulink 对控制系统进行了建模和仿真，其中速度环采用模糊 PI 调节，电流环采用传统的 PI调节，为后面的实验提供了理论分析的基础。结合无刷直流电机的结构，利用电机内部的霍尔元件检测转子位置。相对传统的控制系统，采用模糊 PI 控制的系统具有响应速度快、超一调量小、稳定性好等优点。实验结果表明了无刷直流电机模糊控制系统设计的正确性。最后对整个设计进行了总结，对后续的工作给出了自己的见解。关键词：无刷直流电机，模糊控制，Matlab/Simulink ，软硬件设计洛阳理工学院毕业设计（论文）IIFuzzy PI control and simulation of
3、 brushless DC motorABSTRACTBrushless DC motor with small size, light weight, high efficiency, and speed performance, no change to the many advantages of the sparks and excitation loss is used in the field of household appliances, transportation, medical equipment, CNC machine tools and robots,the ra
4、pid industrial development is increasingly high performance requirements of the brushless DC motor control system. Can be predicted that further reduce the price with the permanent magnet materials and power electronic devices, the deepening of the theoretical study of brushless DC motor drive, the
5、application prospects of the brushless DC motor will be more widely. By reading a lot of literature, this article describes the development status of the brushless DC motor dynamics and works. In the control strategy using fuzzy control based on intelligent thought control, which is characterized do
6、es not depend on the object model, using the established control rules of fuzzy reasoning to get the right amount of control. Matlab / Simulink for control system modeling and simulation, the speed ring fuzzy PI regulator, the current loop using the traditional PI regulator, provides the basis for t
7、he theoretical analysis for the later experiments. Combined with the structure of the brushless DC motor and motor internal Hall element to detect the rotor position. Compared with the traditional control systems, fuzzy PI control system with fast response, ultra-one tune the amount of small, good s
8、tability, etc The experimental results show the correctness of the brushless DC motor fuzzy control system design. Finally, the entire design is a summary of his views on the follow-up work.KEY WORDS: Brushless DC Motor，Fuzzy Control，Matlab/Simulink，Hardware and software design洛阳理工学院毕业设计（论文）III目 录前
9、言 .1第 1 章 绪论 .31.1 无刷直流电动机的定义和优点 .31.1.1 无刷直流电动机的定义 .31.1.2 无刷直流电动机的优点 .41.2 无刷直流电动机研究动态 .51.2.2 无位置传感器检测技术的研究 .51.2.2 转矩脉动问题的研究 .51.2.3 先进控制策略的研究 .61.2.3 弱磁调速 .71.3 无刷直流电动机应用领域 .71.3.1 精密电子设备和器具领域 .81.3.2 工业自动化设备领域 .81.3.3 交通工具领域 .81.3.4 现代家用电器领域 .81.3.5 医疗器械领域 .9第 2 章 无刷直流电动机的工作原理 .102.1 无刷直流电动机的基
10、本机构 .102.1.1 电机本体 .102.1.2 逆变器 .112.1.3 位置检测器 .122.1.4 控制器 .132.2 无刷直流电机的工作原理 .142.2.1 控制器 .142.2.2 无刷直流电机的换向 .162.3 无刷直流电机的数学模型 .172.3.1 定子电压方程 .172.3.2 反电势动方程 .18洛阳理工学院毕业设计（论文）IV2.3.3 电磁转矩方程 .192.3.4 运动方程 .192.4 无刷直流电机特性分析 .192.4.1 机械特性 .192.4.2 调节特性 .202.5 无刷直流电机的调速 .21第 3 章 无刷直流电机控制系统硬件设计 .233.1
11、 控制系统整体设计 .233.2 控制系统硬件设计 .243.2.1 主控芯片 DSP 介绍 243.2.2 弱电电源电路设计 .253.2.3 整流电路 .263.2.4 逆变电路 .263.2.5 驱动电路 .273.2.6 电流采样及调整电路 .293.2.7 过流保护电路 .303.2.8 转子位置检测电路 .32第 4 章 无刷直流电动机 Matlab 仿真 334 .1 无刷直流电机控制系统仿真模型的建立 334.1.1 无刷直流电机总体模块 .334.1.2 逆变器模块 .354.1.3 速度调节器模块 .364.1.4 电流控制模块 .364.1.5 参考电流模块 .374.1
12、.6 位置计算模块 .384.2 仿真结果与分析 .38结 论 .43谢 辞 .44参考文献 .45外文资料翻译 .48洛阳理工学院毕业设计（论文）1前 言自 1831 年法拉第发现电磁感应原理以来，直流电机和交流电机相继问世，以后各种特殊用途的电机类型不断出现，极大地推动了电力工业和电气传动技术的发展。但是绝大部分电能是由三相交流同步发电机提供，而大部分交流电又由交流电机使用，特别是感应电机。直流电机由于控制简单、调速平滑、性能良好，在电机控制领域一直占据主导地位。然而，直流电机结构上存在的机械换向器和电刷，使它具有难以克服的固有缺点，如造价高，维护难，寿命短，存在换向火花和电磁干扰，电机最
13、高转速、单机容量和最高电压都受到一定限制等。随着电力电子技术，微电子技术和稀土永磁材料的飞速发展，高性能的电机控制系统技术不断更新，成本不断降低，新型电机不断地出现，交流电机驱动系统正不断地取代直流电机控制系统 无刷直流电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的。有刷直流电机从 19世纪 40 年代出现以来，以其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。但是，有机械接触的电刷换向器结构一直是该电机的一个致命弱点，它降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合中的应用。为了取代直流电动机的电刷换向器装置，人们对此作了长期研究。1915 年，美国人兰格米尔(Langmill)
14、发明了控制栅极的水银整流器，构成了由直流变交流的逆变装置。1917 年，Boliger 提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而诞生了永磁无刷直流电机的基本思想。直到二十世纪三十年代，有人提出利用离子装置实现电机的定子绕组按转子位置换接的所谓整流子电动机，它的思想和现代永磁无刷直流电机己经相当接近，但这种电机由于可靠性差、效率低、装置笨重而复杂，故无实用价值。随着半导体技术的发展，1948 年，贝尔实验室研制成功开关型晶体管;1955年美国的 D.Harrison 首次申请了应用晶体管换向代替电动机机械换向器的专利，标志着现代永磁无刷直流电机的诞生。但这台无刷直流电机无法自起动，而且信
15、号电势前沿陡度不大，致使晶体管的开关功耗太大。直到 1962 年，借助于霍尔元件实现位置检测换向的永磁无刷直流电机终于诞生了。二十世纪 70 年代，又研制成功以比霍耳元件敏感度高千倍的磁敏二极管来实现换向的无刷直流电动机。洛阳理工学院毕业设计（论文）2进入 70 年代以后，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件，如 GTR. MOSFET, IGBT 等相继出现，以及各种新型位置检测器的发明，如接近开关式位置传感器、电磁谐振式位置传感器、高频祸合式位置传感器、磁电祸合式位置传感器和光电式位置传感器，永磁无刷直流电机得到了长足发展。1978 年，原联邦德国 MANNESMAN
16、N 公司的 Indramat 分部在汉诺威贸易展览会上正式推出其 MAC 永磁无刷直流电机及其驱动系统，标志着永磁无刷直流电机真正进入实用阶段。在电力电子器件发展的时代，人们对永磁材料的研究也不断深入。相继发现了炭钢、钨钢、钻钢等永磁材料，特别是 20 世纪 30 年代出现的铝镍钻永磁和 50年代出现的铁氧体永磁。1967 年美国人 K.J.Strnat 发现了衫钻永磁，1973 年又出现了磁性能更好的第二代稀土永磁，1983 年日本住友特殊金属公司和美国通用汽车公司各自研制成功钦铁硼永磁。随着高性能稀土永磁的相继面世，永磁电机进入了一个新的时期，永磁无刷直流电机也相应地获得了长足进展。我国占
17、有世界蕴藏量 85%以上的稀土资源，所以在开发高磁场永磁材料(特别是钱铁硼永磁材料)方面具有得天独厚的有利条件。目前，我国的钦铁硼永磁材料特性水平己经达到了世界先进水平，对促进我国永磁电机的发展十分有利。第 1 章 绪论1.1 无刷直流电动机的定义和优点人们发现，当无刷直流电机的永磁体产生的气隙磁密在空间呈方波分布时，洛阳理工学院毕业设计（论文）3若控制定子相电流亦为方波，就可产生恒定的电磁转矩，而且能比相同尺寸的正弦波永磁无刷直流电机产生更大的转矩。这种气隙磁密为方波、反电势为梯形波、相电流为 120 度方波的无刷直流电机被称为方波永磁无刷直流电机，或称为Brushless DC Motor
18、(BLDCM)。1.1.1 无刷直流电动机的定义正弦波永磁无刷直流电机与方波永磁无刷直流电机的不同在于两类电机的磁场波形不同。正弦波永磁无刷直流电机的反电势为正弦波，必须通以正弦波的绕组电流才一能产生平滑的电磁转矩。方波永磁无刷直流电机的反电势为梯形波，必须通以方波的绕组电流、并与电机反电势保持一定的相位关系，才能产生平滑的电磁转矩。为了科学界定无刷直流电机与其他类型电机，许多学者作了大量工作，其中A. Kusk。在 1988 年提出包含电机本体与电路形式在内的无刷直流电机的定义逐渐被广泛接受。他提出无刷直流电机必须满足以下 5 个条件:(1)电机由定子电枢绕组和转子永磁体构成;(2)逆变器直
19、流供电;(3)电机速度正比于直流电压;(4)逆变器矩阵开关函数决定定子绕组的端电压;(5)转子位置检测器的逻辑决定逆变器开关的导通时序。本文将方波型永磁无刷直流电机简称为无刷直流电机(BLDCM) ，将正弦波型永磁同步电机简称为永磁同步电机(PMSM)。在实际中，BLDCM 的结构多种多样，无论是绕组连接方式还是转子结构都有很多类型，为减少转矩脉动，多相绕组的应用也越来越多。按照电机绕组相数可分为两相、三相和多相;按照绕组连接方式可分为星形绕组和封闭绕组;按照换向线路与绕组连接方式，有全桥和半桥之分。1.1.2 无刷直流电动机的优点与感应电机相比，无刷直流电机具有更大的功率密度、更高的控制性能
20、，主要表现在以下几个方面:(1)由于采用高性能的永磁材料，无刷直流电机转子体积得以减小，可以具有较低的惯性、更快的响应速度、更高的转矩/惯量比 ;(2)由于没有转子损耗，也无需定子励磁电流分量，所以无刷直流电机具有较洛阳理工学院毕业设计（论文）4高的效率和功率密度。对于同等容量的输出，感应电机需要更大功率的整流器和逆变器;(3)由于没有转子发热，无刷直流电机也无需考虑转子冷却问题;(4)尽管感应电机系统应用较为普遍和成熟，但由于其非线性的本质，控制系统极为复杂。永磁同步电机把交流电机复杂的磁场定向控制转化为转子位置定向控制，而无刷直流电机则进一步将其简化为离散六状态的转子位置控制，无需坐标变换
21、。与永磁同步电机相比，无刷直流电机也具有明显的优势:(1)无刷直流电机采用方波电流驱动，可以提高更高的转矩/ 体积比，相同条件下输出转矩大。(2)在电机中产生梯形波的磁场分布和梯形波的电动势要比产生正弦波的磁场分布和正弦波的电动势简单，因此无刷直流电机结构简单，制造成本低;(3)对于永磁同步电机，由于定子电流是转子位置的正弦函数，系统需要高分辨率的位置传感器，构造复杂，价格昂贵;(4)产生方波电压和电流的变频器比产生正弦波电压和电流的变频器简单，控制也简单得多，因此无刷直流电机控制简单、控制器成本较低。由于采用电力电子器件代替机械换向器，无刷直流电机克服了有刷直流电机的致命缺点。与有刷直流电机
22、相比，无刷直流电机有以下优点:(1)可靠性高，寿命长;它的工作期限主要取决于轴承及其润滑系统。高性能的无刷直流电机工作寿命可达数十万小时，而有刷直流电机寿命一般较短，在高温环境下甚至只有几分钟；(2)不必经常进行维护和修理；(3)无电气接触火花、无线电干扰少；(4)可工作于高真空、不良介质环境；(5)可在高转速下工作，专门设计的高速无刷直流电机的工作速度可达每分钟10 万转以上；(6)机械噪声低；(7)发热的绕组安装在定子上，有利于散热，便于温度监控，易得到更高的功率密度；(8)必须与一定的电子换向线路配套使用，从而使总体成本变高，但从控制的洛阳理工学院毕业设计（论文）5角度看，有更大的使用灵
23、活性。1.2 无刷直流电动机研究动态尽管无刷直流电机具有交流电机和直流电机所无法比拟的优点，具有相当大的应用范围，但是仍存在一些问题，为了解决这些问题，当前己经有不少学者将更多的精力投入到其研究上。1.2.2 无位置传感器检测技术的研究在实际的工业应用中，使用位置传感器的弊病日益明显，在一些对体积和安装有特殊要求的应用场合，传统的带位置传感器的无刷直流电机甚至不能完成相应的功能。因而采用无位置传感器检测技术，对电机进行控制是非常必要的。无位置传感器检测法的实现，一般都是通过解算得到换相时刻，进行换相控制字的改变。其转子位置检测方法有两种类型:一种是连续型位置检测，另一种是只检测与换相有关的时刻
24、，如电机反电动势过零点或换相点检测，称做离散型位置检测。在具体的设计中采取的检测方法主要有:反电动势法 (包括直接反电动势法、间接反电动势法以及派生出来的反电动势积分法等)、续流二极管电流通路检测法、定子三次谐波检测法、瞬时电压方程法等，是无位置传感器检测技术未来研究的主要方向。1.2.2 转矩脉动问题的研究相对于正弦型永磁同步电机，方波型无刷直流电机最突出的问题就在于具有电磁转矩脉动。存在转矩脉动是无刷直流电机的固有缺点，特别是随着转速升高，换相导致转矩脉动的加剧，并使平均转矩显著下降。转矩脉动影响了电力传动系统的控制特性，带来了机器噪音、震动等问题，降低了机器的使用寿命和驱动系统的可靠性。
25、造成转矩脉动的原因主要有以下几种:电磁因素引起的转矩脉动 :在理想情况下，即当电枢为集中绕组结构，转子磁密在空间分布为 1800 的方波，电动势波形具有大于等于 120。电角度的平顶时，无刷直流电机的转矩与转子位置无关，但在实际电机中不能做到极弧系数 1，且常常采用分布绕组，因此会引起转矩脉动;换相引起的转矩脉动:由于电枢绕组电感的影响，换相延时存在电流延迟，从洛阳理工学院毕业设计（论文）6而引起转矩脉动;定子齿槽引起的转矩脉动:由于定子齿槽的存在，转子旋转时气隙磁阻发生变化，从而引起转矩脉动;电枢反应的影响 :一方面电枢反应引起气隙磁场畸变，另一方面在任一磁态内，相对静止的电枢反应磁场与连续
26、旋转的转子主极磁场相互作用而产生电磁转矩因转子位置的不同而发生变化;机械工艺引起的转矩脉动:机械加工和材料不一致也是引起转矩脉动的重要原因之一。目前，部分学者对此做了较为深入的研究:如文献4提出了采用不同的 PWM调制方式以及不同的重叠换相角减小换相电流所引起的转矩脉动，通过增加PWM 调制频率，选择合适的占空比和重叠换相角可以使无刷直流电机的换相转矩脉动减小;文献提出了一种换相电流预测控制方法以抑制换相转矩脉动，在换相期间依靠检测非换相绕组上的电流，采用此方法确保换相期间关断相的电流下降率和开通相的电流上升率相等，从而保证了换相期间非换相电流的恒定，达到了抑制换相转矩脉动的目的;提出了一种基
27、于自适应人工神经网络的无刷直流电机换相转矩波动抑制新方法。尽管如此，无刷直流电机的转矩脉动仍不能有效地大幅抑制，要使之满足更高精度的应用场合，有待于更加深入细致的研究工作。1.2.3 先进控制策略的研究现代工农业生产对电机的性能要求越来越高，而电机性能的改善一方面可以通过改进电机本体结构来实现，另一个重要的途径就是采用先进的控制策略，如模糊控制、神经网络控制、滑模变结构、鲁棒调节器、参数自适应控制等各种先进控制策略对无刷直流电机进行控制。先进控制策略一般具有计算量大、实时性高等特点，以 DSP 为代表的新型数字信号处理芯片为先进控制策略的实现提供了强有力的保障。如文献7 提出一种新颖的控制方案
28、，将直接转矩控制和模糊控制相结合应用于无刷直流电机控制系统中;在无刷直流电机数学模型的基础上将定子电流、电压和整段反电动势作为状态变量，用扩展卡尔曼滤波的方法对电机的转速和转子位置预测;通过分析永磁无刷直流电机的转子位置与三个相电压之间的关系，提出了基于自适应小波神经网络的永磁无刷直流电机无位置传感器控制新方法;文献23提出无刷直流电机的超空间矢量理论，指出关断相只影响磁链，不影响转矩，实现策略为直接自转矩控制，不需要转子位置信号。洛阳理工学院毕业设计（论文）71.2.3 弱磁调速根据交流电机变频调速原理，基速以下为恒转矩运行，基速以上为恒功率运行。对永磁无刷直流电机来说，恒转矩时保证电机激磁
29、磁场强度不变，采用调节电枢电压的方式来实现调压调速。为获得平稳的电磁转矩，此种情况下要求电流与反电势同相，即控制电枢电流超前电枢反电势的夹角 H=0，以电流领先为正。当转速达到基速时，PWM 的占空比 D=1，全部电源电压加在电枢绕组两端，电枢电压达到最大。随着转速的升高，电机反电势增大，造成电枢电流减小。极端情况是反电势等于电枢电压，电枢电流为零，无法产生电磁转矩。为了在基速以上端电压不变条件下保持一定电枢电流产生所需的转矩，必须设法使反电势不随转速上升，这就需要减小电机磁通，即实现弱磁控制。尽管众多学者对此进行了广泛而深入的研究，并提出了种种解决方案。但是，永磁电机无法直接调节励磁磁场，只
30、能控制电枢反应产生一个反向的电枢磁场来抵消永磁磁场，获得等效弱磁。目前多数可行的方案需要对电机本体进行改造:或是在定子上增加辅助励磁绕组，或是需要特殊结构的复合转子。这在解决弱磁调速问题的同时，但也带来了很多新的问题。1.3 无刷直流电动机应用领域无刷直流电机所拥有的诸多无可比拟的优点使其具有光明的应用前景，得以广泛地应用于各个领域。1.3.1 精密电子设备和器具领域由于大多数的电子设备中电子线路均由直流电源供电，且要求电机具有快速响应、调速性能好、速度平稳、定位精确等控制特性，因此当前大多数精密设备中均采用无刷直流电机驱动控制。如计算机的硬、软盘驱动，激光打字机棱镜驱动，卫星上的太阳能帆板驱
31、动，仪用通风机等。无刷直流电机在此领域中的应用正在逐步推广，最终将取代有刷电机。1.3.2 工业自动化设备领域目前己应用的高档数控加工设备，己有取代传统结构的直流和交流电机的趋势。另外在一些工业用的加工设备中也开始推广应用，如工业缝纫机、轻印刷机洛阳理工学院毕业设计（论文）8械、食品加工机械等。值得密切注意的是，潜在实用的工业机器人驱动控制，由于这种应用场合对速度、力矩和定位控制均有要求，无刷直流电机无疑是首选品种，目前全世界己有 100 多万台各类机器人，而每年以高于 20%速率增长，对无刷直流电机的需求量很大。1.3.3 交通工具领域在交通工具领域，无刷直流电机在汽车、摩托车、助动车等交通
32、工具中有广泛的应用。现代汽车正朝着豪华型方向发展，自动化程度很高，仲用众多类型电机，其中无刷直流电机在很多难以维修部件中被采用。电动汽车是未来交通工具发展的方向之一，其对电机驱动系统有高转矩/重量比、高效率以及宽广的调速范围等要求，受到各国工业界的重视，目前世界各国正在加大投入，加紧开发，估计在未来会得到广泛发展。无刷直流电机作为最理想的动力源，其被作为直接驱动使用的优越性非其他电机可比，现己逐步在电动摩托车和电动助动车中使用，并已进入批量生产，近两年来涌现的电动自行车正是无刷直流电机广泛应用的一个经典案例。1.3.4 现代家用电器领域1984 年，美国通用电气公司(GE)推出了一种所谓智能电
33、机，引起国际的注目，其实这种电机是一种用微处理器来控制的无刷直流电机。由于这种电机具有十分宽的调速范围为 10000r/min，且低噪声、高效率，可实现一定的“智能化”操作。它一问世，受到家用电器工业设计者的青睐，初期用于 37.3W 吊扇，可无级调速，后来逐步在洗衣机、空调器、冰箱等家电产品中应用，使用这些家电产品可以实现省电，多功能的自动控制如定时、定温、自然调节。近年来，无刷直流电机在各类家电产品中均有应用，提高了家电产品自动化程度，如对室温可自动调节的空调器，可选择衣物种类的洗衣机，根据冷藏物自动选择冷冻温度的电冰箱等，大有取代交流电机在家电产品中的应用趋势。目前我国己有这类产品开发，
34、并投放市场。无刷直流电机在家电产品中光明的应用前景大大刺激了开发研究。据美国 GE 公司预测，若用无刷直流电机取代传统的异步电机在制冷器具中的应用，其效率可提高 20%，全美国 1 年可节约 2.2 百万度电。洛阳理工学院毕业设计（论文）91.3.5 医疗器械领域医用无刷直流电机是一个新兴的领域，具有十分良好的发展前景。例如医疗诊断 CT 机，用于牙科和耳科中的电动医疗器械，人工心脏等。这些无刷直流电机要求体积小、精度高、动态响应快。刷直流电机除了在上述列举的种种应用场合外，在某些特殊情况下，如潮湿、有可燃物质、有害物质等场所，特别是在现代国防、通信、机器人、航空航天等高科技领域里都有广泛的应
35、用前景。洛阳理工学院毕业设计（论文）10第 2 章 无刷直流电动机的工作原理2.1 无刷直流电动机的基本机构无刷直流电机最初的设计思想来自普通的有刷直流电机，不同的是将直流电机的定子、转子位置进行了互换，其转子为永磁结构，产生气隙磁通;定子为电枢，有多相对称绕组。原直流电机的电刷和机械换向器被逆变器和转子位置检测器所代替。2.1.1 电机本体无刷直流电机的定子结构与普通同步电机或感应电机相同，铁心中嵌有多相对称绕组。绕组可以接成星型或三角形，并分别与逆变器中的各开关管相连。其中，三相无刷直流电机最为常见。目前，无刷直流电机中多采用衫钻(SmCo )和钱铁硼(NdFeB)等高矫顽力、高剩磁密度的
36、稀土永磁，其常见的转子结构有三种形式，如图 2-1 所示。其中图(a)所示的结构是在铁心外表面粘贴径向充磁的瓦片形稀土永磁体，有时也采用矩形小条拼装成瓦片形磁极，以降低电机的制造成本。图（b）所示的结构是在铁心中嵌入矩形稀上永磁体，这种结构的优点是将一个极距下的磁通由相邻两个磁极并联提供，可以获得较大的磁通，但这种结构需要作隔磁处理或采用不锈钢轴。对于高速运行的电机，图(a) 和图(b)所示的结构需在转子外表面套一个 0.3mm-0.8mm 的非磁性紧圈，以防止离心力将永磁体甩出，同时在雨雾等恶劣环境中对永磁体起保护作用。紧磁材料通常采用不导磁的不锈钢，也可用环氧无纬玻璃丝带扎。图(C) 所示
37、的结构是在铁心外套上一个整体稀土永磁环，环形磁体径向充磁为多极，适用于体积和功率较小的永磁无刷直流电机，该种结构的转子制造工艺性较好。除了普通的内转子无刷直流电机外，在电动车驰动中还常常采用外转子结构，将无刷直流电机装在轮毅之内，直接驭动电动车辆，这种结构的电机其定子绕组出线和位置传感器引线都从电机的轴引出。洛阳理工学院毕业设计（论文）11图 2-1 常见的转子结构2.1.2 逆变器逆变器将直流电转换成交流电向电机供电。与一般逆变器不同，它的输出频率不是独立调节的，而是受控于转子位置信号，是一个自控式逆变器。由于采用自控式逆变器，无刷直流电机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器不
38、会产生振荡和失步，这也是无刷直流电机的重要优点之一，无刷直流电机的逆变器主开关器件一般采用 IGBT 或功率 MOSFET 等全控型器件，有些主电路己有集成的功率模块(PIC)和智能功率模块(IPM) ，选用这些模块可以提高系统的可靠性。逆变器主电路有桥式和非桥式两种，而电枢绕组既可以接成星形也可以接成三角形，因此电枢绕组与逆变器主电路的连接可以有多种不同的组合。目前以星形连接三相桥式主电路应用最多，如图 2-2 所示。这种电路的特点是功率开关器件数目是等于绕组相数的 2 倍，每个绕组的首端与一个桥臂相连。对于星形连接的电枢绕组，除了各相绕组的尾端连在一起形成中性点外，每相绕组的首端都分别用一
39、个桥臂的上、下两个功率开关器件控制。电枢绕组中只有导通相绕组才有电流流过，而没有导通相绕组则没有电流流过。洛阳理工学院毕业设计（论文）12图 2-2 逆变器2.1.3 位置检测器位置检测器的作用是检测转子磁极相对于定子绕组的位置信号，为逆变器提供正确的换相信息。位置传感器与电机本体一样也山静止部分和运动部分组成，即由位置传感器的定子和位置传感器的转子组成。转子位置传感器目前主要有敏感式、祸合式、谐振式和接近式等。敏感式是利用敏感元件来感受转子位置信息，并输出电信号去控制各相绕组的导通顺序。常用的敏感元件有光敏元件(如光电二极管和光电三极管等和磁敏元件(如霍尔元件、磁敏二极管和磁敏三极管等)。祸
40、合式是指变压器祸合(即磁敏式)和高频空心线圈祸合等。谐振式是利用电感和电容等元件组成的谐振电路，当满足谐振条件时，输出信号最强，以此控制电枢绕组的导通和关断。接近式是利用接近某物而动作的原理所组成的一种位置传感器，如接近开关，它利用磁性旋转圆盘的远近来改变固定部分的电感，并利用振荡条件的变化建立通断信号。这种方式结构简单，输出电平高，适用于大中型电机。由于永磁无刷直流电机的转子是永磁，在本电机系统中采用的是霍尔位置传感器来检测转子位置。其基本原理为霍尔效应和磁阻效应，在霍尔开关元件的输入端通入控制电流，当霍尔元件受外磁场作用时，其输出端会感应出电压信号，当没有外界磁场作用时，其输出端没有电压信
41、号，霍尔元件及其应用电路如图 2-3 所示。将霍尔位置传感器安装在绕组线圈所在位置，当磁极在极间出现时，霍尔传感器输出电平变化形成换相逻辑。对于两相导通星形三相六状态的无刷直流电机，要正确地实现电枢绕组的换相，每相绕组需要安装一个霍尔位置传感器，在空间上要求彼此间隔 120”电角度，传感器永磁体的极弧宽度为 1800 电角度，洛阳理工学院毕业设计（论文）13同时还必须保证与绕组的相对位置正确，二者的相对位置不同，换相逻辑亦随之不同。这样，当电机转子旋转时，霍尔元件便交替的输出三个宽为 180 的电角度、相位互差 1200 电角度的矩形波信号。图 2-3 霍尔元件及其应用电路在无刷直流电机系统中
42、安装位置传感器解决了电机转子位置的检测问题。但位置传感器的存在增加了系统的成本和体积，降低了系统的可靠性，限制了无刷直流电机的应用范围，对电机的制造工艺也带来了不利影响，因此无刷直流电机无位置传感器技术的研究将越来越成为主流。2.1.4 控制器控制器是无刷直流电机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，对转子位置检测器输出的信号、PWM 信号、启动和停止信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各开关管的斩波信号和选通信号，实现如短路、过流、过电压、欠电压等故障保护功能。无刷直流电机的控制器有以下几种形式:(1)分立元件加少量集成电路构成的模拟控制系统。这种控制器在以往的无刷直流电机中大量应用，但由于
43、模拟电路不可避免地存在参数飘移和参数不一致等问题，加上线路复杂、调试不便等因素，使电机的可靠性和性能受到影;(2)基于专用集成电路的控制系统。目前，众多的半导体厂商如 Motorola, NS, IR 等推出了不同规格和用途的无刷直流电机控制的专用集成电路，克服了分立元件带来的弊端，使控制电路体积小、可靠性高，但其应用范围局限性大，功能难以扩展;(3)以微型计算机技术为核心的数模混合控制系统与全数字化控制系统。随着洛阳理工学院毕业设计（论文）14无刷直流电机应用领域的不断扩大，对性能也提出越来越高的要求，因而控制器也由以硬件模拟电子器件为主，转向数字电路、单片机及数字信号处理器( DSP)的方
44、向发展，实现半数字化的数模混合控制和全数字控制，控制规律山硬件实现向软件的实现。2.2 无刷直流电机的工作原理2.2.1 控制器我们以图 2. 4 所示的无刷直流电机系统来说明无刷直流电机的运行原理。电机本体的电枢绕组为三相星形连接，位置传感器与电机本体同轴，控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生驱动信号，驱动信号经过驱动隔离放大后控制逆变器的功率开关管，使电机各相绕组按一定顺序运行。图 2-4 无刷直流电机系统当转子旋转到图 2-5(a)所示的位置时，转子位置传感 L 1 输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使 VT1, VT6 导通，即 A, B 两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经
45、 VT1 流入 A 相绕组，再从 B 相绕组流出，经 VT6 回到电源的负极。电枢绕组在空间产生的磁动势 如图 2-5( a )所示，此时定转子磁场相aF互作用，使电机的转子顺时针转动。当转子在空间转过 电角度，达到图 2-5(b)所示位置时，转子位置传感器输60出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使 VTl , VT2 导通，即 A, C 两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经 VTl 流入 A 相绕组，再从 C 相绕组流出，经 VT2 回到电源的负极。电枢绕组在空间产生的磁动势 如图 2-5 ( b)所示，此aF洛阳理工学院毕业设计（论文）15时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续顺时
46、针转动。转子在空间每转过 电角度，逆变器开关就发生一次切换，功率开关管的60导通逻辑为 VT1,VT6VT1, VT1VT2 ,VT2VT3,VT4VT5, VT6VT1, VT6。在此期间，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩的作用，沿顺时针方向连续旋转。在图 2-5( a )到图 2-5( b)的 电角度范围内，转子磁场沿顺时针连续旋转，60而定子合成磁场在空间保持图 2-5( a )中 的位置静 U。只有当转子磁场连续旋转F电角度，到达图 2-5( b)所示的 位置时，定子合成磁场才从图 2-5( a)中 的60o aF位置跳跃到图 2-5( b )中 的位置。可见，定子合成磁场在空间不是连
47、续旋转，a而是跳跃式旋转磁场，每个步进角是 电角度。60图 2-5 转子通电情况转子在空间每转过 电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的60磁状态就发生一次跃变。可见，电机有六种磁状态，每一状态有两相导通，每相绕组的导通时问对应于转子旋转 电角度。无刷直流电机的这种运行方式称为12两相导通星形三相六状态，这也是无刷直流电机最正常的一种运行方式。由于定子合成磁场每隔 1/6 周期( 电角度)跳跃前进一步，在此过程中，转60子磁极上的永磁磁势却是随着转子连续旋转的，这两个磁势之间平均速度相等，洛阳理工学院毕业设计（论文）16保持“同步” ，但是瞬时速度却是有差别的，二者之间的相对位置是时刻
48、有变化的，所以，他们相互作用下所产生的转矩除了平均转矩外，还有转矩分量。2.2.2 无刷直流电机的换向无刷直流电机用电子换向器取代了机械电刷，所以在无刷直流电机的运行过程中，控制器需要不断检测霍尔传感器输出的信号来计算电机转子当前位置，并根据转子当前位置信息，按照换相规律由控制器控制逆变器相应功率开关管的通断，完成电子换相以实现对电机各相绕组的正确供电，控制电机正常运行。电机圆周在几何上分成 ，这个角度称为机械角度。从电磁观点来看，若磁场在空360间按正弦规律分布，则经过 N, S 一对磁极恰好相当于正弦曲线的一个周期。如果有导体去切割这种磁场，经过 N, S 这一对磁极，导体上所感应产生的正
49、弦电动势的变化也为一个周期，变化一个周期即经过 电角度。若电机有 P 对磁极，则360电机圆周按电角度计算就是 P* ，而一周的机械角度总是 ，因此电角度360360=P*机械角度。本实验系统中用到的电机，三只霍尔位置传感器按相位差 ，安装三路霍12尔输入信号的相互关系如图 2-6 所示。从图 2-4 中可以清楚地看到，在每一个电角度周期内，三路霍尔位置信号可以组成 6 种编码状态，分别是:011.，111，110，100，000，001。据此，我们可以按一定次序导通对应的功率管，从而驱动电机旋转。霍尔位置信号、功率管、三相电流的对应关系如表 2-1 所示。当需要反向旋转时，只需要更换一下换相控制表就能实现。图 2-6 霍尔输入信号的相互关系在实际的工作中，由于电机内部的电磁环境比较复杂，霍尔位置信号容易受到电磁干扰。当电枢电流比较大时，相应的电磁噪声也很大，更容易影响到霍尔洛阳理工学院毕业设计（论文）17位置信号，严重时将影响到控制器对转子位置信号的准确判断，进而发生功率管换向错误而导致整个系统不稳定甚至不工作。因此，需要对电机内部转子位置传感器送出的霍尔位置信号进行预处理。首先将三路霍尔位置信号经由 RC 组成的低通滤波器进行滤波处理，再经光祸隔离后，才送入 DSP 的 CAP 口，进行转子位置信号的读取，进而控制相应的功率管导
