【正文】 ......................................... 46 附 錄 1： 直流無刷電機驅動技術的研究 ............................................................. 47 直流無刷電機驅動技術的研究 1 第 1 章 概 述 無刷直流電機的現(xiàn)狀 有刷直流電動機作為最早的電動機廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領域，由于其寬闊而平滑的優(yōu)良調(diào)速性能，在需要調(diào)速的應用領域占有重要地位，但機械換向裝置的存在，限制了其發(fā)展和應用范圍。直流電動機的機械電刷和換向器因強迫性接觸，造成其結構復雜、可靠性差、火花、噪聲等一 系列問題，影響了直流電動機的調(diào)速精度和性能?？茖W技術的飛速發(fā)展，帶來了半導體技術的飛躍，開關型晶體管的研制成功為創(chuàng)造新型的無刷直流電動機帶來生機。 1955年，美國人首次提出用晶體管換向線路代替機械換向裝置，經(jīng)過反復實驗，人們終于找到了用位置傳感器和電子換相線路來代替有刷直流電動機的機械換相裝置， 出現(xiàn)了磁電禍合式、光電式及霍爾元件作為位置傳感器的無刷直流電動機，以后人們發(fā)現(xiàn)電量波形和轉子磁場的位置存在著一定的對應關系，因此又出現(xiàn)了通過觀測電樞繞組中不同電量波形，監(jiān)測轉子位置的無位置傳感器的電動機。 80年代 初，無刷直流電機進入了實用階段，方波和正弦波無刷直流電機先后研究成功?！盁o刷直流電機”的概念已由最初的具有電子換相器的直流電機發(fā)展到泛指一切具有傳統(tǒng)直流電機外部特性的電子換相電機。現(xiàn)今，無刷直流電機集電機、變速機構、檢測元件、控制軟件和硬件于一體，形成為新一代的電動調(diào)速系統(tǒng)。無刷 直 流 電機具有最優(yōu)越的調(diào)速性能，主要表現(xiàn)在 :調(diào)速方便 (可無級調(diào)速 )，調(diào)速范圍寬，低速性能好 (啟動轉矩大，啟動電流小 )，運行平穩(wěn)，噪音低，效率高，應用場合從工業(yè)到民用極其廣泛。如電動自行車、電動汽車、電梯、抽油煙機、豆?jié){機、小型清 污機、數(shù)控機床、機器人等等 .由于無刷直流電機具有這些優(yōu)點，因此在 20xx年的國際電機會議上提出了有刷電機將被無刷電機取代這一發(fā)展趨勢。美、日、英、德在工業(yè)自動化領域中已經(jīng)實現(xiàn)了以無刷直流電機代替有刷電動機的轉換。 美國福特公司率先把無刷直流電機應用于汽車 20世紀 80年代以來，隨著微機控 直流無刷電機驅動技術的研究 2 制技術的快速發(fā)展，出現(xiàn)了各種稱為無位置傳感器控制技術的方法，是當代無刷直流電機控制研究的熱點之一。各國知名半導體公司 Allegro,Philips,MicroLinear,等，先后推出了許多無刷直流電機無傳感器控制集成電路 。 20xx年 12月我國電機制造業(yè)共 1167家生產(chǎn)企業(yè)，全部從業(yè)人員 388282人，資產(chǎn)972億。我國生產(chǎn)的微特電機己經(jīng)占世界 60%以上，目前是全球最大的永磁體 (生產(chǎn)無刷直流電機控制系統(tǒng)設計刷電機的主要原材料 )生產(chǎn)供應基地，中國還將會成為全球最大的無刷電機生產(chǎn)國。隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，車用小功率電機的需求增長帶動了以永磁無刷直流電機為主體的車用小功率電機的興起，我國正在成為世界電動汽車制造業(yè)的主要供應商。 電無刷直流電動機的概況 無刷直流電動機的特點和應用 無刷直流電動機保留 了有刷直流電機的優(yōu)良調(diào)速性能，又省去了機械電刷和換器。它采用一種位置檢測器和電子開關變換器替代電刷和換向器，既有傳統(tǒng)直流電機的優(yōu)良特性，又有交流電機的結構簡單、運行可靠、壽命長的優(yōu)點。在電磁結構上，無刷直流電動機和有刷直流電機一樣，但是它的電樞繞組放在定子上，轉子上放置永磁磁鋼。無刷直流電動機的繞組像交流電機的繞組一樣，采用多相形式，經(jīng)由逆變器接到直流電源上，定子各相逐次接通電流，和轉子磁場相互作用，產(chǎn)生轉矩。 與傳統(tǒng)的電勵磁同步電動機相比，無刷直流電動機具有結構簡單、體積小、重量輕、效率高、功率因素高、轉 矩 /重量比高，轉動慣量低、易于散熱，易于維護保養(yǎng)等優(yōu)點，因而應用范圍極為廣泛，尤其是在要求高控制精度和高可靠性的場合，如航空、航天、數(shù)控機床、加工中心、機器人、電動汽車、計算機外圍設備和家用電器等方面獲得廣泛應用。 由于無刷直流電動機的優(yōu)異性能，使得世界上許多科研機構和公司都投入到這一技術領域，使無刷直流電動機的技術得到了充分展示和更加廣泛的應用。據(jù)美國 MTT預測公司的報告，就 1986年美國市場而言，無刷直流電機的銷售量為 560萬臺， 直流無刷電機驅動技術的研究 3 在全部電機中占 7%；在 1991 年無刷直流電機的消費量達到 2600 萬臺，在全部 電機中占 16%，增長速度最快 [7]。 總之，無刷直流電動機經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，在技術上已經(jīng)逐步成熟，在大量應用中已經(jīng)顯示其優(yōu)良特性，應用領域幾乎可覆蓋所有電動機驅動領域，并可以起到其他類型電動機不能達到的功能。 發(fā)展前景 電動機作為機電能量轉換裝置，其應用范圍已遍及國民經(jīng)濟的各個領域以及人們的日常生活之中。傳統(tǒng)直流電機采用機械機構（電刷）進行換向，因而存在機械摩擦，并由此帶來電磁噪聲、換向火花以及壽命短等缺點，再加上制造成本高、維修困難，從而極大的限制了它的發(fā)展和 應用范圍。 針對上述傳統(tǒng)有刷直流電動機的弊病，早在 20 世紀 30 年代，就有人開始研制以電子換向代替電刷機械換向的無刷直流電動機，并取得了一定成果。但由于當時大功率電子器件僅處于初級發(fā)展階段，沒能找到理想的電子換向元器件。使得這種電動機只能停留在實驗室研究階段，而無法推廣使用。 1955 年，美國 等人首次申請了應用晶體管換向代替電動機機械換向的專利，這就是現(xiàn)代無刷直流電動機的雛形。但由于該電動機尚無起動轉矩而不能產(chǎn)品化。爾后又經(jīng)過人們多年努力，借助于霍爾元件來實現(xiàn)換向的無刷直流電動機終于在 1962 年問世。 在此之后，又相繼出現(xiàn)了新型永磁材料釤鈷、釹鐵硼，它們具有高剩磁密度，高矯頑力以及高磁能積等優(yōu)異磁性能，使永磁電機有了較大發(fā)展。進入九十年代以來，隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，許多高性能半導體功率器件，如 GTR、 MOSFET、IGBT 等相繼問世，以及微處理器、大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，逆變裝置也發(fā)生了根本性的變化。這些開關器件本身向著高頻化、大容量、智能化方向發(fā)展，并出現(xiàn)集半導體開關、信號處理、自我保護等功能為一體的智能功率模塊 (IPM)和大功率集成電路，使無刷直流電動機的關鍵部件之一 —— 逆變器的成本降低，且向高頻化、小型化發(fā)展。同時，永磁材料的性能不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁材料 的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善，加上永磁電機研究和開發(fā)經(jīng)驗的逐步成熟，無刷直流電動機的應用和開發(fā)進入一個新階段，目前正朝著超高速、高轉矩，高功能化。 直流無刷電機驅動技術的研究 4 本設計的主要工作 20 多年以來，隨著永磁新材料、微電子技術、自動控制技術以及電力電子技術特別是大功率開關器件的發(fā)展，無刷直流電動機得到了長足的發(fā)展。本文針對 DSP 在無刷直流電動機控制系統(tǒng)中的應用趨勢，采用 TI 公司的運動控制專用 DSP—— TMS320LF2407 作為控制器，設計了基于該 DSP 的無刷直流電動機雙閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對無刷直流電動機電流的 PWM 控制和速度控制。本文主要內(nèi)容如下： 、特點及應用和研究現(xiàn)狀作了簡單的介紹。 ，給出了無刷直流電動機的數(shù)學模型，并分析了無刷直流電動機運行特性。 ，其控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)。闡述了 SPWM的基本原理和無傳感器控制技術中的反電勢法工作原理，并對數(shù)字 PID 算法作了簡單的介 紹。 TI 公司的 TMS320LF2407 控制芯片，設計了無刷直流電動機控制系統(tǒng)的硬件電路部分。分析了 PWM 的產(chǎn)生分配情況，給出速度檢測、電流檢測及故障保護等電路，并以 IR2130 作為驅動芯片設計了無刷直流電動機的驅動電路。 ，給出了各個部分的軟件設計框圖。 直流無刷電機驅動技術的研究 5 第 2 章 無刷電機控制系統(tǒng)分析 無刷直流電動機的基本結構 無刷直流電動機是在有刷直流電動機的基礎上發(fā)展起來的。它的電樞繞組是經(jīng)由電子“換向 器”接到直流電源上，可把他歸為直流電動機的一種。從供電逆變器的角度來看，它又可屬于永磁同步電動機的一種，因為無刷直流電動機轉速變化以及電樞繞組中的電流變化是和逆變器的頻率是一致的。但是無刷直流電動機電樞繞組中流過的電流以方波形式變化，故又稱為方波電流永磁交流電動機。無刷直流電動機的組成是用裝有永磁體的轉子取代有刷直流電動機的定子磁極，用具有多相繞組的定子取代電樞，用由逆變器和轉子位置檢測器組成的電子換向器取代機械換向器和電刷。無刷直流電動機的基本構成包括電動機本體、轉子位置檢測器和電子換相電路三部分。如圖 21 所示： 直流電源功 率 變 換 單 位電 動 機 本 體驅 動 控 制 電 路 轉 子 位 置 檢 測 器電 子 換 相 電 路輸 出 圖 21 無刷直流電動機的構成 在無刷直流電動機中，借助反映轉子位置的位置檢測器的輸出信號，控制逆變器換向，使電樞繞組依次通電，從而在主定子上產(chǎn)生跳躍式的旋轉磁場，拖動永磁轉子旋轉。隨著轉子的轉動，位置檢測器不斷的送出信號，以改變電樞繞組 的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導體中的電流方向始終保持不變，這就是無刷直流電動機的無接觸式換流過程的實質(zhì)。 直流無刷電機驅動技術的研究 6 電動機本體電動機本體 與永磁同步電機相似，轉子采用永久磁鐵勵磁，目前多使用稀土永磁材料，但沒有籠型繞組和其它起動裝置。其定子繞組 采用交流繞組形式，一般制成多相（三相、四相、五相不等）。轉子由永久磁鋼按一定極對數(shù) (2P=2,4,? )組成，繞組形式往往采用整距、集中或接近整距、集中的形式，以便保留磁密中的其它諧波。因而 BLDCM 的轉子結構既有傳統(tǒng)的內(nèi)轉子結構，又有近年來出現(xiàn)的盤式結構、外轉子結構和線性結構等新型結構形式。伴隨著新型永磁材料釹鐵硼 (NdFeB)的實用化，電機轉子結構越來越多樣化，使 BLDCM 正朝著高轉矩、高精度、微型化和耐環(huán)境等多種用途發(fā)展。 轉子位置檢測器 轉子位置檢測器也就是位置傳感器，在 BLDCM 中，位置傳感器與電動機同軸安裝，起著測定轉子位置的作用，為逆變器提供正確的換相信息。由于逆變器的導通次序是與轉子轉角同步的，因而與逆變器一起，起著與有刷直流電動機的機械換相器和電刷相類似的作用。位置傳感器種類較多，特點各異。 電磁式位置傳感器是利用電磁效應來測量轉子位置的，有開口變壓器、鐵磁諧振電路、接近開關電路等多種類型。電磁式位置傳感器具有輸出信號大、工作可靠、壽命長、對環(huán)境要求不高等優(yōu)點，但這種傳感器體積較大，信噪比較低，同時，其輸出波形為交流，一般需經(jīng)整流、濾波方可使用 。 光電式位置傳感器是利用光電效應，由跟隨電動機轉子一起旋轉的遮光部分和固定不動的光源等部件組成。有絕對式編碼器和增量式編碼器之分，增量式編碼器精度很高，多用于精密控制中，價格昂貴，且需要附加初始位置定位裝置；絕對式編碼器價格低廉，不需要初始定位，但精度不高，可用于一般的速度控制中?？傊怆娛轿恢脗鞲衅餍阅鼙容^穩(wěn)定，體積小、重量輕，但對環(huán)境要求較高。 直流無刷電機驅動技術的研究 7 磁敏式位置傳感器是利用某些半導體敏感元件的電參數(shù)按一定規(guī)律隨周圍磁場變化而變化的原理制成。其基本原理是霍爾效應 和磁阻效應。目前，常見的磁敏式傳感器由霍爾元件或霍爾集成電路、磁敏電阻和磁敏二極管等。一般來說，這種器件對環(huán)境適應性很強，成本低廉，同樣，精度不高。 除了上述三大類位置傳感器外，還有正余弦旋轉變壓器和編碼器等多種位置傳感器，它們一般較復雜，而且這些元件成本較高、體積較大、所配線路復雜，因而在一般無刷直流電動機中很少采用。 電子換相 電子換向電路由功率變換電路和驅動控制電路兩大部分組成，它與位置檢測器相配合，去控制電動機定子各相繞組通電的順序和時間，起到換向相類似的作用。 當系統(tǒng)運行時，功率 變換器接受控制電路的控制信息。將系統(tǒng)工作電源的功率以一定的邏輯關系分配給直流無刷電動機定子上各相繞組，以便使電動機產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉矩。逆變器將直流電轉換成交流電向電機供電，與一般逆變器不同，它的輸出頻率不是獨立調(diào)節(jié)的，而受控于轉子位置信號，是一個“自控式逆變器”， BLDCM 由于采用自控式逆變器，電機輸入電流的頻率和電機轉速始終保持同步，電機和逆變器不會產(chǎn)生振蕩和失步，這也是 BLDCM 的重要優(yōu)點之一。 電機各相繞組導通的順序和時間主要取決于來自位置檢測器的信號，但位置檢測器所產(chǎn)生的信號一般不能直接用來驅 動功率變換器的功率開關元件，往往需要經(jīng)過控制電路一定邏輯處理、隔離放大后才能去驅動功率變換器的開關元件。驅動控制電路的作用是將位置傳感器檢測到的轉子位置信號進行處理，按一定的邏輯代碼輸出，去觸發(fā)功率開關管。 無刷直流電動機的工作原理 一般的直流電機由于電刷的換相，使得由永久磁鋼產(chǎn)生的磁場與電樞繞組通電后產(chǎn)生的磁場在電機運行過程中始終保持垂直從而產(chǎn)生最大轉矩，使電動機運轉