第7章无刷直流电动机控制系统.ppt

1、第7章 无刷直流电动机控制系统,有刷直流电动机以它具有线性机械特性、宽调速范围、大起动转矩、较高效率、简单的控制电路等优点，在运动控制系统中得到广泛的应用。但它的电刷和换向器带来了可靠性较低、需经常维护等弱点。,无刷直流电动机具有直流电机良好的调速特性，但由于没有换向器，因而可做成无接触式，具有结构简单、制造方便、不需要经常性维护等优点，是一种理想的变速电机。无刷直流电动机可看成是一个定转子倒置的直流电动机。普通直流电动机的电枢绕组在转子上，永磁体则在定子上，参见图7.0.1。,无刷直流电动机关键特征,1）本质上是多相交流电动机，但经控制获得类似直流电动机的特性； 2）需要多相逆变器驱动； 3

2、）由于没有电刷和换向器，即使在很高的转速下，可得到较高的可靠性； 4）电枢绕组在定子上，散热好； 5）较普通有刷直流电动机效率高、体积小； 6）低的EMI； 7）总系统成本比直流电动机高； 8）可实施无传感器控制；,无刷直流电动机的特点及其应用：,无刷直流电动机具有高效率、高转矩、高精度的特点，适合使用在24小时连续运转的产业机械及空调冷冻主机、风机水泵、空气压缩机负载；低速高转矩及高频繁正反转不发热的特性，更适合应用于机床工作母机及牵引电机的驱动；其稳速运转精度比直流有刷电机更高,比矢量控制或直接转矩控制速度闭环的变频驱动还要高，性价比更好，是现代化调速驱动的最佳选择。,无刷直流电动机在先进

3、国家已大量应用于军事、信息业(IT)、办公设备(OA)、家电业(HA)、DIY手动工具、伺服系统、电动汽车、电瓶车、磁悬浮列车等，永磁无刷直流发电机在中小型风力发电系统中广泛应用。,7.1 无刷直流电动机的组成结构 和工作原理,无刷直流电动机和一般的永磁有刷直流电动机相比，在结构上有很多相近或相似之处，用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极，用具有三相绕组的定子取代电枢，用逆变器和转子位置检测器组成的电子换向器取代有刷直流电动机的机械换向器和电刷，就得到了三相永磁无刷直流电动机。,1. 无刷直流电动机的结构特点,无刷直流电动机属于三相永磁同步电动机的范畴，永磁同步电动机的磁场来自电动机

4、转子上的永久磁铁，永久磁铁的特性，在很大程度上决定了电动机的特性，目前采用的永磁材料主要有铁淦氧、铝镍钴、钕铁硼以及SmCO5和Sm2CO17。常用永久磁铁的磁特性如图7.1.1所示。,在转子上安置永久磁铁的方式有两种，如图7.1.2所示。一种是将成型永久磁铁装在转子表面，即所谓外装式；另一种是将成型永久磁铁埋入转子里面，即所谓内装式。,（1）根据永久磁铁安装在转子上的方法不同，永久磁铁的形状可分为扇形和矩形两种，永久磁铁转子的不同结构如图7.1.3所示。扇形磁铁构造的转子具有电枢电感小，齿槽效应转矩小的优点。但易受电枢反应的影响，且由于磁通不可能集中，气隙磁密度低，电极呈现凸极特性。,矩形磁

5、铁构造的转子呈现凸极特性，电枢电感大，齿槽效应转矩大。但磁通可集中，形成高磁通密度，故适于大容量电动机。由于电动机呈现凸极特性，可以利用磁阻转矩。此外，这种转子结构的永久磁铁不易飞出，故可适合于高速运转。,（2）根据确定的转子结构所对应的每相励磁磁势分布的不同，三相永磁同步电动机可分为两种类型：正弦波型和方波型永磁同步电动机。 正弦波型每相励磁磁势分布是正弦波状； 方波型每相励磁磁势分布呈方波状。,稀土永磁方波型电动机属于永磁无刷直流电动机的范畴，而稀土永磁正弦波型电动机则一般作为三相交流永磁同步伺服电动机来使用。但这不是绝对的，究竟是三相永磁无刷直流电动机(无刷直流电动机)还是三相交流永磁同

6、步伺服电动机主要取决于电动机控制系统的控制方式，取决于电动机的转子位置传感器的类型。,2. 无刷直流电动机的转子位置传感器,转子的位置检测器有多种，正弦波永磁同步电动 机一般采用旋转变压器、绝对式光电脉冲编码器 或增量式光电脉冲编码器作为位置检测元件，而 在永磁无刷直流电动机（方波电动机）中，一般 采用简易型的位置检测器，该器件不能用来检测 转子的精确位置，主要作用是为了满足电动机换 相的要求。,位置传感器是无刷直流电动机系统的组成部分之一，也是区别于有刷直流电动机的主要标志。其作用是检测主转子在运动过程中的位置，将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，以控制它

7、们的导通与截止，使电动机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换向，形成气隙中步进式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转。,位置传感器有电磁式、光电式、磁敏式等多种，它们各具特点。磁敏式霍尔位置传感器结构简单、体积小、安装灵活方便、易于机电一体化。以霍尔效应原理构成的霍尔元件、霍尔集成电路、霍尔组件统称为霍尔效应磁敏传感器，简称霍尔传感器。,霍尔效应,任何带电粒子在磁场中沿着与磁力线垂直的方向运动时，都要受到磁场的作用力，即洛伦兹力，其大小可用下式表示: (7.1.1),上式表明，洛伦兹力的大小与粒子的电荷量q，粒子的运动速度v及磁感应强度B成正比。,在没有外加磁场时，电子沿外加电场E的相

8、反方向运动，形成一股沿电场方向的电流。当加一与外电场垂直的磁场B时，运动着的电子受到洛伦兹力的作用将向左边偏移，并在该侧面形成电荷积累，由于该电荷的积累产生了新的电场，称为霍尔电场。,该电场使电子在受到洛伦兹力的同时还受到与它相反的电场力的作用。随着半导体横向方向边缘上的电荷积累不断增加，霍尔电场力也不断增大。它逐渐抵消了洛伦兹力，使电子不再发生偏移，从而使电子又恢复到原有的方向无偏移地运动，达到新的稳定状态，这时，在半导体两侧，就产生了一个电场，从而形成了一个电压，这就是霍尔电压。,根据霍尔效应的原理，可制成霍尔元件。对于一定的半导体薄片，其霍尔电压U可用下式表示:(7.1.2),当 、 和

9、d都为固定值时，通过测量电压U就可测得磁感应强度B，这就是霍尔传感器的原理。,霍尔传感器按其功能和应用可分为线性型、开关型、锁定型三种。 线性型 线性型传感器是由电压调整器、霍尔元件、差分放大器、输出级等部分组成，为变化的磁感应强度，得到与磁感应强度成线性关系的输出电压。可用于磁场、电流和电压测量等。, 开关型 开关型传感器是由电压调整器、霍尔元件、差分放大器、施密特触发器和输出级等部分组成。输人磁感应强度，输出开关信号。直流无刷电动机的转子位置检测器属于开关型的传感器。,直流无刷电动机的霍尔位置传感器和电动机本体一样，也是由静止部分和运动部分组成，即位置传感器定子和位置传感器转子。其转子与电

10、动机主转子一同旋转，以指示电动机主转子的位置，既可以直接利用电动机的永磁转子，也可以在转轴其他位置上另外安装永磁转子。定子由若干个霍尔元件，按一定的间隔，等距离地安装在传感器定子上，以检测电动机转子的位置。,霍尔位置传感器必须满足以下两个条件： 位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态是不重复的，每一个开关状态所占的电角度应相等。 位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态数应和电动机的工作状态数相对应。,位置传感器输出的开关状态通过一定的逻辑变换与电动机的换向状态对应，从而完成换向。对于三相无刷直流电动机，其位置传感器的霍尔元件的数量是3，安装位置应当间隔120电角度， 其输出信号是Hu、Hv

11、、Hw，波形如图7.1.4所示。,3. 直流无刷电动机的换向原理,图7.1.4表明,无刷直流电动机转子位置传感器输出信号Hu、Hv、Hw在每3600电角度内给出6个按顺序排列的代码：101、100、110、010、011、001。该顺序与电动机的转动方向有关，如果转向反了，代码顺序也将倒过来。,无刷直流电动机的电子换向器主回路如图7.1.5所示，三相H形桥式逆变电路由6只功率开关元件组成。,如图7.1.6所示是无刷直流电动机的定子绕组的结构示意图。其中虚线U1-U2、 V1-V2、 W1-W2分别表示与U相、V相、W相绕组轴线相正交的位置；显然由U1-U2、V1-V2、W1-W2交叉形成了6个

12、60的扇区，故将图7.1.6称作“定子空间的扇区图”。,无刷电动机的换相过程可以通过两种方法来进行分析：1）利用 “定子空间的扇区图” 来分析换相过程；2）通过分析电动机的三相反电动势来理解换相过程。,“定子空间的扇区图”有6个扇区，转子位置检测器能先后给出6个代码的输出信号，6个扇区和6个代码是一一对应的。即当电动机的转子位于某个扇区内时，转子位置检测器发出的代码保持不变，一旦电动机转子转出了这个扇区，转子位置检测器就发出了新的代码，而这一新代码和电动机转子所处的新扇区是相对应。,如图7.1.7(a)所示, 设电动机正处于1号扇区, 为使电动机转 子获得连续转矩，定子磁场应与转子垂直，即定子

13、磁场须 与V1-V2线重合 (V1端为N极，V2端为S极)。 由于定子磁场由定子电流产生，故定子电流的流向为：U1 相电流由U1端流入U2端流出。W相电流由W2端流入W1端 流出。V相不通电。 对应图7.1.5所示主回路中，1号、2号开关管导通，其余均 关断。,随着电动机转子的转动，当转子转出1号扇区，进入6号扇区时，转子位置检测器发出的代码发生了改变，在逻辑电路的控制下，使得1号、6号开关管导通，其余的开关管都关断。定子电流的流向为：U相电流由U1端流入U2端流出。V相电流由V2端流入由V1端流出。W相绕组不通电。这时定子磁场与W1-W2轴重合(W2端N极，W1端S极) 。与刚才的情况相比，

14、定子磁场向前跨越了60电角度。仍与转子保持近于垂直的位置，如图7.1.7(b)所示。,图7.1.7所示运用“定子空间扇区图”分析了三相无刷直流电动机在360电角度内的换相过程，可见，定子的磁场是步进前进的，每步跨越60电角度，而转子是连续地运行的。从分析三相无刷直流电动机的三相反电势的角度，同样也可以理解其换相过程。基本思路是这样的：为了获得最大的转矩，应使每相的反电势与该相的电流的相位相同。由于开关管的通电周期为120电角度，所以每相电流的宽度120，电流波型的中心位置应当与反电势的中心位置对应。,无论是从“定子空间扇区图”还是从电动机定子绕组的反电势来分析三相无刷电动机的换相过程，所得出的

15、开关管的导通和关断状态与转子位置的关系都是相同的。表7.1.1是对无刷直流电动机换相状态的总结。前面分析的是电动机转子顺时针运转时的情况,电动机转子逆时针运转时的情况也是类似的。,7.2 无刷直流电动机的基本公式和数学模型,无刷直流电动机的基本物理量有电磁转矩、电枢电流、反电势和转速等。这些物理量的表达式与电动机气隙磁场分布、绕组形式有十分密切的关系。对于永磁无刷直流电动机，其气隙磁场波形可以为方波，正弦波或梯形波。对于采用稀土永磁材料的电动机，其气隙磁场一般为方波，理想波形如图7.2.1所示。,当定子绕组采用集中整距绕组时，方波磁场在定子绕组中感应的电势为梯形波。方波电动机通常采用方波电流驱

16、动，由电子换向器向方波电动机提供三相对称的、宽度为120电角度的方波电流。方波电流应位于梯形波反电势的平顶宽度范围内，如图7.2.2所示。下面分析方波电动机的电磁转矩、电枢电流和反电势等特性。,1.电枢绕组的反电势,电枢绕组的反电势为,其中转子线速度为,考虑到三相永磁方波电动机是两相同时通电，所 以，线电势E为两相电势之和，即(7.2.1),2. 电磁转矩,利用功率与速度的关系计算电磁转矩为式中 则(7.2.2),从式（7.2.1）和式（7.2.2）可以看出，三相永 磁方波电动机与永磁直流电动机有完全相同的 反电势公式和转矩公式。,下面仍以三相永磁方波电动机为例来分析无刷直 流电动机的数学模型

17、。由于稀土永磁无刷直流电动机的气隙磁场、反电势以及电流是非正弦的，因此采用直、交轴坐标变换已不是有效的分析方法。通常直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型，该方法既简单又具有较好的准确度。,假设磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗，三相绕 组完全对称，则三相绕组的电压平衡方成为(7.2.3),对于方波电动机由于转子磁阻不随转子的位置变 化，因而定子绕阻的自感和互感为常数。当采用 Y型连接时， ，因而有(7.2.4),电动机的电磁转矩为(7.2.5),7.3 无刷直流电动机的转矩波动,转矩波动是永磁无刷直流电动机在运行时的一个显著特点, 产生转矩波动的原因是多方面的,下面对其产生原因进行分析。普通永

18、磁无刷电动机的气隙磁场都非1200方波，而是接近于正弦波；只有采用稀土永磁材料，才有可能使电动机磁场呈现120方波形状。对于那些具有正弦波磁场，但按照无刷直流电动机工作方式运行的电动机，具有较大的转矩波动。,由“定子空间扇区图”可见，当转子在每个60扇区中转动时，定子磁场是保持在固定位置不变的。在每个扇区中，定子磁场和转子的夹角是在从60到120的范围内变化，进入了新的一个扇区，由于定子磁场向前跨越了60，使得定子磁场和转子的夹角又重复前一个扇区内的变化。,对于这类电动机来说，定子磁场和转子之间的夹角的变化，是导致转矩波动的主要原因。因为对于正弦波磁场的永磁电动机来说，其电磁转矩可由下式表示。

19、 （7.3.1） 式中 K为系数；Fs为定子磁势；Fr为转子磁势；为定转子磁势间的夹角。,式（7.3.1）表明，对于具有正弦波磁场，但按照无刷直流电动机的工作方式运行的三相永磁电动机来说，其转矩波动的幅度是比较大的，当转子位于每个扇区的中央位置时，电磁转矩最大，如果把这点的值定为1，那么当转子位于扇区边缘时，转矩最小，只有0.866。,参见图7.2.1和图7.2.2，对于三相永磁方波电动机，由于其具有120的方波磁场，顶部宽度大于120的梯形波电势，以及120宽的方波电流，所以根据式（7.2.5），从原理上说，电动机的电磁转矩应当是平稳的，无波动的，但实际上，在这种情况下，转矩的波动仍然是存在

20、的，只不过与前面分析的情况相比，波动要小得多。,对于方波电动机来说，引起波动的原因主要有： 齿槽效应和磁通畸变引起的转矩脉动； 谐波引起的转矩脉动； 电枢反应的影响； 相电流换向引起的转矩脉动； 机械加工引起的转矩波动 ；,7.4 无刷直流电动机的驱动控制,电子换相控制电路接收电动机本体的转子位置传感器信号，经过逻辑电路的处理，发出换相控制信号。近年来出现了无位置传感器的无刷电动机控制系统。,1. 开环型无刷直流电动机驱动器,开环型三相无刷直流电动机驱动器内部包含有电子换相器主电路-三相H形桥式逆变器、换相控制逻辑电路、PWM调速电路以及过流等保护电路。电路结构如图7.4.1所示。,（1）换相

21、控制逻辑电路,参见图7.4.1，三相永磁无刷直流电动机的转子位置传感器输出信号Hu、Hv、Hw在每360电角度内给出了6个代码，换相控制逻辑电路接收转子位置传感器的输出信号Hu、Hv、Hw，并对其进行译码处理，给出电子换相器主回路（三相桥式逆变器）中6个开关管的驱动控制信号。,Hu, Hv, Hw给出的6个代码顺序是101、100、110、010、011、001，代码顺序决定了电动机的转动方向。改变代码顺序，即改变电动机的转动方向。故换相控制逻辑电路还应当接收电动机的转向逻辑控制信号DIR，高电平控制电动机正转，低电平控制电动机反转。,Hu、Hv、Hw给出的6个代码与图7.1.6中的6个“定子

22、空间扇区”具有一一对应的关系。为了得出换相控制逻辑电路中的逻辑关系，不失一般性，可以假定六个代码101、100、110、010、011、001分别与1、6、5、4、3、2号扇区相对应。根据以上的条件，并结合本章第一节中对换相原理的分析，可以得出表7.4.1。,设1号6号开关管的控制信号分别为K1K6。根 据表7.4.1，可以得出逻辑表达式（7.4.1）根据式（7.4.1），可以得出换相控制逻辑电路。,（2） PWM调速电路,图7.4.2所示是一种实用的脉宽调制电路。脉宽 调制器的主体就是一片比较器LM311, 输入的控 制信号与三角波信号相叠加，叠加后的信号为其中,由换相控制逻辑电路输出的换相

23、信号的频率与电动机的转速有关，还与电动机的磁极数有关。无论在何种情况下，换相控制信号的频率都远远低于PWM信号的频率。因此，可以把PWM信号和换相控制信号，通过逻辑“与”的办法合成在一起，通过调节PWM信号的占空比，来调节电动机的定子电枢电压，从而实现调速。,考虑到电动机在运行的过程中，在任何时刻，三相桥式逆变器中只有两个开关管导通，高压侧的一个开关管与低压侧的一个开关管串联导通的，所以，PWM信号只需与高压侧的三个开关管的控制信号通过逻辑“与”的办法合成在一起即可实现调压调速。图7.4.3中表明了PWM信号与换相控制信号的合成和有关的波形。,（3） 保护电路,无刷直流电动机在开环运行的情况下

24、，最重要的保护就是过流保护，如图7.4.1所示，一般在主回路中的直流母线上取得过流反馈信号，在过流保护环节中与设定的保护值相比较，如果超过了保护值就引发了保护动作，一般是封锁逆变器中的开关管，从而实现保护。,无刷直流电动机的开环控制系统广泛应用于性能指标要求不高的场合，如电动自行车驱动、便携式电动工具的驱动、汽车电器等。在这些应用领域，一般采用直流蓄电池供电，其电压一般低于DC36V，而驱动电流相对较大。,2. 速度闭环的无刷直流电动机驱动器,如果对无刷直流电动机的速度调节范围和速度控制精度有较高的要求，应当采用速度闭环的控制结构，如图7.4.4所示。将霍尔位置传感器的信号加以处理后，形成速度

25、反馈信号。,霍尔位置传感器发出的是三路相差120的低频脉冲信号Hu、Hv、Hw，脉冲的频率正比于电动机的转速。先对Hu、Hv、Hw三路信号进行辨向和6倍频处理，取出其中的方向信息，并使其频率提高。辨向和6倍频处理电路如图7.4.5所示。,在图7.4.6中，正转和反转时一个周期内的波形被分成了 12个区间，每个区间都相当于一个由Q5、Q4、Q3、Q2、 Q1、Q0并行组成的代码。 正转时，代码依次为 110001、110011、100011、000011、000111、 001111、 001110,、001100、011100、111100、111000、110000。 反转时, 代码依次为

26、001101、001111、001011、000011、010011、110011、 110010、110000、110100、111100、101100、001100。,“公共代码”110011、000011、001111、001100、111100、110000 正转特征代码110001、100011、000111、001110、011100、111000 反转特征代码001101、001011、010011、110010、110100、101100,无论在正转脉冲序列还是在反转脉冲序列中，“公共代码”和“特征代码”都是交替出现的。可以利用这一规律，来实现辨向和6倍频处理。图7.4.5的逻

27、辑表达式如下： CPZ=Q5Q4/Q3/Q2/Q1Q0+Q5/Q4/Q3/Q2Q1Q0+/Q5/Q4/Q3Q2Q1Q0+/Q5/Q4Q3Q2Q1/Q0+/Q5Q4Q3Q2/Q1/Q0+Q5Q4Q3/Q2/Q1/Q0 CPF=/Q5/Q4Q3Q2/Q1Q0+/Q5/Q4Q3/Q2Q1Q0+/Q5Q4/Q3/Q2Q1Q0+Q5Q4/Q3/Q2Q1/Q0+Q5Q4/Q3Q2/Q1/Q0+Q5/Q4Q3Q2/Q1/Q0,其中，CPZ和CPF分别是正转和反正时的，经过6倍频的输出脉冲，显然CPZ和CPF的频率与电动机的转速成正比，但其脉冲的宽度是不变的，等于一个同步时钟脉冲CP的周期。根据这一点，就可以

28、利用简单的低通滤波电路和加法电路得出与电动机的转速成正比的电压信号，这就是速度反馈信号。,由于反馈通道中存在大的滤波惯性环节，使得系统较易震荡，较难稳定。在设计速度控制器的动态参数时，应当考虑相位超前补偿，以抵消由于反馈通路带来的相位滞后。所以，这里的速度控制器一般不是一个纯粹的比例积分控制器。,3 速度电流双闭环的无刷直流电动机驱动器,采用速度单闭环控制的无刷直流电动机控制系统可以提高电动机的速度控制精度，减小速度误差。如果对系统的动态性能要求较高，例如要求电动机快速起制动、突加负载时速度改变小，恢复快等等，单闭环系统就无法满足要求了。这时，需要转速和电流的双闭环控制。,与有刷直流电动机双闭

29、环系统相比，无刷直流电动机双闭环系统中的电流环的结构具有其特殊性，这是由于这里有三相电枢绕组，在不同的时刻，电动机的电流经过其中不同的两相，根据这一特点，至少必须设置两路电流传感器（一般采用霍尔电流传感器），根据基尔霍夫电流定则，第三相的电流可由另外两相的电流值计算得到。电流传感器的安装位置，以及输出的波形可见图7.4.7。,（1） 采用单一电流控制器的方式,采用该方式，需将检测到的电流值 和 “拼接”起来，形成一个总的电流反馈信号，这个总的电流反馈信号的幅值就是 。电流反馈信号拼接的原理见图7.4.8。,如图7.4.9所示为绝对值电路，速度控制器的输出信号Ugi，经过绝对值的变换后，得到了转

30、矩控制信号MCMD，这个信号用做电流环的给定，用来控制转矩的大小。在绝对值电路中，还可以取出方向信号DIR ,当Ugi的极性为正时，DIR 为1；当Ugi为负的时候，DIR为0。DIR信号用于换相逻辑控制电路中。图7.4.10为采用单一电流控制器的无刷直流电动机双闭环控制系统的框图。,（2） 采用两只电流控制器的方式,采用两只电流控制器构成双闭环系统，无需对电流反馈进行“拼接”，但需要对速度调节器的输出信号 进行“分解”，使其能够成为U相和V相的电流给定信号。实现对 “分解”的电路如图7.4.11所示。,在这种控制方式下，电动机换相是与控制电流波形结合在一起来实现的。无需专门的方向控制信号，图

31、7.4.11可见，当 极性反向以后，U相和V相电流的给定值都会发生 相位移动，所以转矩的方向直接体现在 的极性中。,U相和V相电流控制器LTU和LTV采用比例积分型，其输出信号分别为 、 ，由反馈系统理论可知， 和 具有电动机绕组相电压控制信号的性质，W相绕组的相电压控制信号可由下式得到,采用这种三角载波比较方式实现电流跟踪控制具有谐波分量固定、电流波动小的特点，可以在一个三角波载波周期内实现电流的跟踪，即实现最短时间控制。三角波载波信号的频率的选择，影响电流控制的快慢，平均的控制延时等于半个三角波载波周期，在这一延时小于电动机机电时间常数的1/10时，可以忽略不记。 图7.4.13是采用两个

32、电流控制器的无刷直流电动机双闭环控制系统的框图。,7.5 无位置传感器的无刷直流电动机的 驱动控制,电动机中的位置传感器，增加了电动机的成本和制造的难度，在某种意义上来说也降低了运行的可靠性。近年来，无位置传感器的无刷直流电动机已经引起了业内人们的高度重视，尽管无位置传感器的无刷直流电动机控制原理和控制电路稍复杂些，但总体结构大为简化了，制造的难度也降低了。,1. 无刷直流电动机转子位置估计方法,无位置传感器的无刷直流电动机的转子位置需要通过估计来获得，获取转子位置的目的是为了换相，所以只需要估计出换相时刻的转子位置。对于三相绕组的电动机，在一个电周期内只要估计六个时刻，相邻两时刻转子位置相差

33、600电角度。常用的方法有反电势法、定子三次谐波法、电流通路监视法等。,(1)反电势法,无刷直流电动机在任何时刻其三相绕组只有两相导通，每相绕组正反向分别导通120电角度，通过测量三相绕组端子及中性点相对于直流母线负端的电位，可估算换向时刻。当某相绕组的端点电位与中性点电位相等时，说明此时刻这相绕组的反电势为零，再过30电角度就必须对开关管进行换相, 据此可设计过零检测及移相(或定时)电路，得到全桥驱动内6个开关管的开关顺序，这种方法叫做直接反电势法。,还有一种间接反电势法，它直接测量定子每相的电压，然后由电压方程解出反电势的值，由于表达式中含有电流微分项，易引入噪声。 无论是直接反电势法还是

34、间接反电势法，都只适合于电动机稳速运行。当电动机速度有波动时所得的估计值误差较大。,美国通用电气(GE)公司采用了一种反电势积分法，它对开关噪声没那么敏感，而且可自动调节逆变器开关时刻以适应转子速度变化，较上述直接反电势法或间接反电势法有明显的改进。其基本原理是采用信号选择电路，所选相即为未导通的绕组。当反电势过零后开始对其绝对值进行积分，积分值达到预先设定的门限值后，便产生换相信号。有学者将这种反电势积分法应用于无位置传感器无刷直流电动机的四象限运行。获得了较好的动态性能。,(2) 定子三次谐波法,由于无刷直流电动机的反电势为梯形波，它包含了三次谐波分量。将此分量检测出来并进行积分，积分值为

35、零时即得功率器件的开关信号。一种办法是在星型连接的电动机绕组三个端子并联组星型连接电阻，两个中性点之间的电压即为三次谐波分量。然而，当电动机的中性点没有引出线或不便引出时，不能用这种办法。,另一种办法不需要三相绕组的中性点引线，而是用星型电阻中性点与直流侧的中点之间的电压来获得三次谐波电压，不过它要用滤波器来消除高频分量。实验表明，这种方法比上述的直接反电势过零检测法具有更宽的运行范围，可在5额定转速下稳定运行，而直接反电势法必须在20的额定转速下才有效。另外它对过载也具有更强的鲁棒性。,2 无位置传感器无刷直流电动机控制系统的构成,前面介绍了估计无刷直流电动机转子位置的两种方法，下面介绍采用

36、这两种方法构成的无位置传感器无刷直流电动机控制系统。图7.5.1是采用反电势法构成的无位置传感器无刷直流电动机控制系统，从电动机三相绕组的端点取出三相反电势，经过过零检测和30移相，得到了换向控制信号，此信号经过功率放大，就可以用来驱动电子换向器中的开关管。,图7.5.2是采用定子三次谐波法构成的无位置传感器无刷直流电动机控制系统，通过检测星型连接的电阻网络的中点与直流侧的中点之间的电压信号，获得三次谐波分量，通过滤波和积分得到了信号SCB,利用SCB的过零点信息, 可以得出换相的时刻。,7.6 无刷直流电动机驱动控制的 专用芯片介绍,近几年来无刷直流电动机得到迅速推广应用的主要原因之一是大量

37、的专用控制电路芯片和功率集成电路芯片的出现。各国著名的半导体厂商推出了多种不同规格和用途的无刷直流电动机专用芯片，这些功能齐全、性能优良的专用集成电路芯片，为无刷直流电动机的大量的推广应用创造了条件。,多数专用芯片的功率控制是采用PWM方式。电路内设置有频率可设定的锯齿波振荡器、误差放大器、PWM比较器和温度补偿基准电压源等。对于桥式全波驱动电路，常只对下桥臂开关进行脉宽调制。表7.6.1中列出了目前常用的一些无刷电动机专用芯片的生产厂商和工作特性。,7.7 基于DSPIC30F2010的无刷直流 电动机控制,DSPIC30F2010 器件划分为三个部分：CPU 内核、系统集成和外设。CPU内

38、核：CPU、数据存储器、程序存储器、DSP 引擎和中断。系统集成：降低系统成本、提高系统可靠性和提高设计灵活性。外设：I/O 端口、定时器、输入捕捉模块、输出比较模块、正交编码器接口（QEI）和10 位A/D 转换器等。,7.7.1 DSPIC30F2010特性和部分功能模块简介,1. DSPIC30F2010特性 （1） 高效的RISC CPU模块 改良的哈佛结构 指令结构可使C 编译器达到最佳化 84个基本的指令可用于灵活的寻址模式 24 位宽的指令长度,16 位宽的数据通道 12 K bytes片内Flash程序空间 512 K bytes片内数据RAM,1 K bytes数据EEPRO

39、M 1616位工作寄存器阵列 高达 30MIPs 运算速度:直流可达 40 MHz 外部的时钟输入4 MHz-10 MHz 振荡器输入经锁相环(PLL)变成4、8、16倍频振荡 27个中断源 三个外部中断源 每个中断有8个可供使用者选择的优先级别 4 个处理器异常机制和软件陷阱源,（2） 引擎特性,一个40位宽的累加器ALU和两个可选择的40位饱和累加器 高速17 位x 17 位乘法器 单周期MAC操作 一个40位双向桶形移位寄存器 可同时取两个数据操作数,（3） 外设特性,具有25mA高吸流能力的电源I/O引脚 三个 16个位的定时器/计数器并可选择地成对的使用16个位的定时器组成32个位的

40、定时器 四个16位元输入捕获功能 两个16位输出比较和PWM输出功能 三线串行外设接口SPITM 模式 I2CTM模式支持多主从模式和7位/10位寻址 带有FIFO缓冲器的寻址通用异步收发器UART模式,（4）电机控制PWM模式特性,六路PWM输出通道：互补或独立输出模式，边沿和中心对齐模式 四个任务周期发生器 PWM 时基配置为以下四种不同的工作模式：1. 自由运行模式2. 单事件模式3. 连续向上/ 向下计数模式4. 带双更新中断的连续向上/ 向下计数模式。 可编程输出极性控制 互补输出模式的死区时间控制 PWM输出改写功能 可同时触发A/D转换,（5）正交编码器接口特性,相位A、相位B和

41、索引三个输入 16 位向上/ 向下位置计数器 计数方向状态 位置测量（2/4）模式 输入端设有可编程数字噪声滤波器 QEI 用作备用16 位定时器/ 计数器 位置计数器中断,（6）模拟特性,10位A/D转换（500 KSPS转换数率；6个输入通道；休眠和空闲下工作）,（7）独特的微控制器特性,Flash 程序存储空间12K可10万次擦写。 数据 EEPROM存储器1K可10万次擦写。 在软件的控制下可完成自编程 复位，定时器，振荡器 灵活的看门狗定时器（WDT）和低功耗模式可使芯片可靠工作 编程代码保护 可供选择的电源管理模式（休眠，空闲和交互时钟模式） 在线串行编程ICSPTM,（8）CMO

42、S 工艺,低压，高速Flash技术 工作电压范围宽（2.5V到5.5V） 较宽的工作温度 低功耗,2. DSPIC30F2010部分功能模块简介,(1)电机控制PWM模块电机控制PWM （MCPWM）模块简化了产生多种同步脉宽调制输出的任务。特别是它还能支持以下电源和电机控制应用：三相交流感应电机、开关磁阻（SR）电机、直流无刷(BLDC)电机和不间断电源（UPS）。, PWM 模块特性,专用时基支持TCY/2 PWM 边沿精度 每个PWM 发生器都有两个输出引脚 每个输出引脚对均可互补或独立工作 用于互补模式的硬件死区时间发生器 可由器件配置位设置输出引脚极性 多种输出模式：边沿对齐模式、中

43、心对齐模式、带双更新的中心对齐模式、单事件模式 手动改写用于PWM 输出引脚的寄存器 有可编程功能的硬件故障输入引脚 用于同步A/D 转换的特殊事件触发器 每个与PWM 相关的输出引脚都可以被单独使能, 控制MCPWM 模块的工作的控制寄存器有这样一些,PWM 时基控制寄存器PTCON、PWM 时基寄存器PTMR、 PWM 时基周期寄存器PTPER、 PWM 特殊事件比较寄存器SEVTCMP、 PWM 控制寄存器1 PWMCON1、 PWM 控制寄存器2 PWMCON2、 死区时间控制寄存器1TCON1、 死区时间控制寄存器2 DTCON2、 故障A 控制寄存器FLTACON、 PWM 占空比

44、寄存器：PDC1，PDC2，PDC3。,PWM 时基,PWM 时基由一个带有预分频器和后分频器的15 位定时器提供。时基的15 位可通过PTMR 寄存器访问。PTMR 为一个只读状态位PTDIR，显示PWM 时基当前的计数方向。如果PTDIR 状态位清零，则表示PTMR 正在向上计数。如果PTDIR 置1，则表示PTMR 正在向下计数。,通过置位/ 清零PTEN 位（PTCON）来使能/ 禁止 时基。当PTEN 位由软件清零时，PTMR位不会清零。 可以将PWM 时基配置为以下四种不同的工作模式： a. 自由运行模式 b. 单事件模式 c. 连续向上/ 向下计数模式 d. 带双更新中断的连续向

45、上/ 向下计数模式。,PWM 周期,PTPER寄存器为PTMR设置计数周期。用户必须将15位值写入PTPER。当PTMR的值与PTPER 中的值匹配时，时基将复位为0，或在下一个时钟输入边沿改变计数方向。,PWM占空比比较单元,MCPWM 模块有四个PWM 发生器。有四个16 位特殊功能寄存器用于为PWM 发生器指定占空比值:PDC1、PDC2、PDC3。,边沿对齐的PWM,当PWM 时基工作在自由运行模式时，模块产生边沿对齐的PWM 信号。给定PWM 通道的输出信号的周期由装入PTPER 的值指定，其占空比由相应的PDCx 寄存器指定（参见图7.7.1）。假设占空比非零，所有使能的PWM 发

46、生器的输出在PWM 周期开始时（PTMR= 0）被驱动为有效。当PTMR 的值与PWM 发生器的占空比值发生匹配时, 各PWM 输出都被驱动为无效。,如果PDCx 寄存器中的值为0，则相应的PWM 引脚的输出在整个PWM 周期内都将为无效。此外，如果PDCx 寄存器中的值大于PTPER 寄存器中保存的值，那么PWM 引脚的输出在整个PWM 周期内都将有效。,电机控制脉宽调制 （MCPWM）,DSPIC30F2010有六个PWM驱动信号输出。如图7.7.2所示，通过使用六个功率开关可将三相绕组驱动为高电平、低电平或根本不通电。例如, 当绕组的一端连接到高端驱动器时，就可在低端驱动器上施加占空比可

47、变的PWM信号。这与将PWM信号加在高端驱动器上，而将低端驱动器连接到VSS或GND的作用相同。一般对低端驱动器施加 PWM信号。,PWM 信号由DSPIC30F2010 的电机控制(Motor Control，MC)专用PWM 模块提供。MCPWM 模块是专为电机控制应用而设计的，它有一个专用的16 位PTMR 时基寄存器。改写是MCPWM 的一个重要特征。改写控制允许用户直接写入OVDCON 寄存器并控制输出引脚。,表7.7.1和图7.7.3说明了如何根据转子所处的区间将不同的值装入OVDCON 寄存器，从而确定需要对哪些绕组通电。,DSPIC30F 中断控制器模块将外设中断请求信号减少到

48、一个dsPIC30F CPU 的中断请求号，具有以下特性： 多达8个处理器异常和软件陷阱 7个用户可选择的优先级 具有多达62个向量的中断向量表 (Interrupt Vector Table，IVT) 每个中断或异常源都有唯一的向量 指定的用户优先级中的固定优先级 用于支持调试的备用中断向量表(Alternate Interrupt Vector Table， AIVT) 固定的中断入口和返回延时,(2) 复位中断, CPU 优先级状态,CPU 工作在16个优先级（015）之中的一个。中断或陷阱源的优先级必须大于当前 CPU的优先级以便开始异常处理。外设和外部中断源可以编程为优先级 07，而

49、 CPU 优先级 815 是为陷阱源保留的。陷阱是不可屏蔽的中断源，用于检测硬件和软件问题。每个陷阱源的优先级是固定的并且一个优先级只可分配给一个陷阱。注意编程为优先级 0 的中断源是被有效禁止的，因为它的优先级永远不会大于 CPU 的优先级。,以下四个状态位用于显示当前的 CPU 优先级： SR 中的 IPL 状态位 CORCON 中的 IPL3 状态位IPL 状态位是可读写的，这样用户可以修改这些位以禁止所有优先级低于给定优先级的中断源。, 中断优先级,可以为每个外设中断源分配 7个优先级之一。每个单独的中断用户可分配中断优先级控制位位于IPCx 寄存器中每个半字节的 3 位最低有效位中。每个半字节的 Bit 3 不使用并读作 “0”。这些位定义了分配给特定中断的优先级。可用的优先级从1开始为最低优先级，7级为最高优先级。如果与中断源有关的 IPC 位被全部清零，则中断源被有效禁止。,