【文章內(nèi)容簡介】 轉(zhuǎn)了位置的改變而發(fā)生相應變化，通過檢測這些變化，再經(jīng)過一定計算，即可得到轉(zhuǎn)了位置信號。該方法中，需要對繞組電感進江蘇大學本科畢業(yè)設計論文 7 行不間斷的實時檢測，增加了實現(xiàn)的難度，應用不是很廣泛。 “狀態(tài)觀測器法”的基本思想 就是以電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置角、電流等參數(shù)為狀態(tài)變量，在定義狀態(tài)變量的基礎上建立電機的數(shù)學模型，通過數(shù)字濾波得出狀態(tài)變量的離散值，從而實現(xiàn)對電機?！盃顟B(tài)觀測器法”比較好的解決了電機在高速、重載情況下難于控制的問題，其良好的抗干擾能力使其更適用于惡劣的工作環(huán)境?！盃顟B(tài)觀測器法’，龐大的運算量在一定程度上限制了它的應用。 這種方法一般采用數(shù)字信號處理器 (DSP)來承擔龐大的運算量，因而增加了系統(tǒng)成本，在實際應用中并不多見。從使用的觀測器種類來劃分，可分為擴展卡爾曼濾波法 (Extended Kalman Filter,這些簡稱 EKF)和維納濾波法。 (ANN)控制法 “人工神經(jīng)網(wǎng)絡法”是在觀測器法的基礎上，使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術而誕生的一種控制方法。它通過自適應技術，模糊控制策略或神經(jīng)網(wǎng)絡控制策略來建立被測相的電壓、電流和轉(zhuǎn)子位置的相互關系，基于被測相電壓和電流來獨立地獲得轉(zhuǎn)子位置信號，借以提高轉(zhuǎn)子位置檢測精度的方法。其優(yōu)點在于具有自適應、自學習等特性，可在線設計神經(jīng)網(wǎng)絡自適應學習規(guī)則，因此在解決速度和位置推算、對電動機參數(shù)和負載擾動的自適應問題以及對測量噪聲敏感等問題上有其獨特的優(yōu)點。此外，國內(nèi)外 許多學者還提出了其他一些無位置傳感器 BLDCM 控制理論和方法。如渦流法即在轉(zhuǎn)子表面安裝非磁性材料，通過檢測因該材料中渦流而造成的斷開相電壓改變來獲得轉(zhuǎn)子位置信號的方法 。還有電流法，即根據(jù)電流波形向時序的方法 。以及矢量表法等控制方法。這些方法實現(xiàn)難度較大，對控制要求的條件比較苛刻，只在一些特殊場合應用。 隨著控制理論的不斷發(fā)展，智能控制在無位置傳感器控制中的應用己經(jīng)成為一種新趨勢。許多現(xiàn)代控制理論如PID 控制、模糊算法、神經(jīng)元網(wǎng)絡和專家系統(tǒng)等，均被用于無刷直流電動機的控制中。其中，經(jīng)典 PID 控制與模糊控制相結 合的 FuzzyPID控制，人工神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊控制相結合的復合控制，以及遺傳算法和模糊控制相結合的控制方法代表當前智能控制的研究方向。智能控制法是控制理論發(fā)展的高級階段，其最大特點是具有自學習、自適應、自組織等功能，能夠解決模型不確定性問題、非線性控制問題以及其它較復雜的問題。嚴格來說， BLDCM 是一個多變量、非線性、強禍江蘇大學本科畢業(yè)設計論文 8 合的控制對象，利用智能控制方法可以建立被測相電壓、電流和轉(zhuǎn)了位置的相勻_關系，獲取轉(zhuǎn)了位置信號。但是這些方法在理論上還需要進一步研究，技術上實現(xiàn)還有一定困難。然而，隨著微處理器和數(shù)字信號處 理器技術的發(fā)展和控制理論的不斷成熟，智能控制方法必將會進一步推動無刷直流電動控制技術的發(fā)展。 有位置傳感器控制和無位置傳感器控制的對比 無刷直流電機運行時需要檢測轉(zhuǎn)了磁場位置信號，以控制逆變器功率管的換流，從而實現(xiàn)電機的同步運行。有位置傳感器的無刷直流電動機控制是通過位置傳感器檢測轉(zhuǎn)了位置，以保證各相繞組的正確換流，因此電機內(nèi)部必須安裝位置傳感器，而位置傳感器的存在帶來許多缺點 : ，抗擾性變差。 (如溫度、濕度、振動 )影響傳感器的精度 。 位置傳感器系統(tǒng)，系統(tǒng)的成本增加 (包括傳感器和電了線路 )。 ，相對增加了生產(chǎn)工藝的難度。 ，因此它們多用于常用電器的驅(qū)動場合，如洗衣機電機控制，電動自行車電機控制等。由此可見，雖然有位置傳感器的驅(qū)動方式簡單、方便，相對于無位置傳感器方式在控制上有比較大的優(yōu)勢，但在一定程度上限制了 BLDCM 的推廣和應用。在很多特殊場合，比如高溫、高壓等環(huán)境下，必須采用無位置傳感器控制方式。因此，無刷直流電機的無位置傳感器控制近些年來己成為研究的熱點 。另一 方面，隨著無位置傳感器控制方式一些問題的解決和性能的提高，其應用范圍也越來越廣。 隨著世界范圍內(nèi)能源危機的到來，人類更加關注保護環(huán)境、節(jié)約能源以及國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。隨著現(xiàn)代微電了技術、電力電了技術、傳感器技術、精密機械技術、自動控制技術、微型計算機技術及人工智能技術等高新技術的發(fā)展，以機械為 主 體的工業(yè)、民用產(chǎn)品不斷采用高新技術，并向自動化和智能化方向發(fā)展。相應對電動機的要求從過去簡單的起動控制、提供動力，發(fā)展到要求對轉(zhuǎn)速、位置、轉(zhuǎn)矩等的精確控制，以使驅(qū)動機械運動達到預定的技 術性能，從而促進了江蘇大學本科畢業(yè)設計論文 9 電動機與電了產(chǎn)品緊密結合的機電一體化產(chǎn)品的發(fā)展，而永磁直流無刷電動機就是這類典型的產(chǎn)品之一。同時，無刷直流電機是近幾年小電機行業(yè)發(fā)展最快的品種，隨著視聽產(chǎn)品“小、輕、薄”化和家電產(chǎn)品的靜音化以及豪華轎車需求量增多，對無刷直流電動機的需要量迅速增加。無刷直流電機用電了換向替代了電刷和機械換向器，具有高可靠、高效率、壽命長、調(diào)速方便的優(yōu)點。各國都加快了開發(fā)新產(chǎn)品的速度和占領市場的力度。日本不少公司己將無刷直流電機應用到數(shù)碼照相機、微型收錄機、攝影機、打印機、存儲驅(qū)動器、乎機以及汽車空調(diào)、洗衣機 、吸塵器、電動車和心臟泵等設備。 在無位置傳感器控制方式中，比較成熟和應用比較廣泛的是“反電勢法”。但是，傳統(tǒng)的“反電勢法”由于是通過濾波電路間接獲得反電勢過零點，目使用濾波電路得到的轉(zhuǎn)了位置信號在不同轉(zhuǎn)速下補償角度不一樣。雖然該方法應用比較廣泛，但仍存在很多問題，這些問題的解決將有助無位置傳感器無刷直流電機更廣泛的應用。因此，在這方面做進一步的研究具有十分重要的理論意義和實用價值。 本課題的主要研究內(nèi)容以設計研制一套新型的“直接反電勢法”采樣處理位置信號的 BLDCM 控制系統(tǒng)硬件電路，并用匯編語言編寫并調(diào)試 該控制系統(tǒng)的軟件。論文的具體工作如下 : “直接反電勢法”無位置傳感器無刷直流電機控制的原理，并對常用的反電勢過零檢測方法進行理論分析。 ，不用對端電壓進行低通濾波，解決一般反電勢法濾波電路引起的移相補償隨轉(zhuǎn)速變化的問題，并用 PSPICE 對直接反電勢過零點檢測電路進行建模與仿真驗證。 “直接反電勢法”無位置傳感器無刷直流電機控制系統(tǒng)的硬件電路，包括控制電源的設計、微處理器的選擇、驅(qū)動逆變電路和保護電路的設計等，并在設計中考慮軟硬件抗 干 擾措施。 ，用有位置傳感器控制方式帶動電機旋轉(zhuǎn)，得到端電壓波形，輸入直接反電勢檢測電路，測試驗證位置檢測電路能 正 確檢測到幾個關鍵位置信號，即反電勢過零點，并給出實驗結果。 ，并對 BLDCM 控制中常用的“三段式”江蘇大學本科畢業(yè)設計論文 10 起動技術進行了詳細的分析。圍繞“三段式”起動方法編寫“直接反電勢法”程序，并使電機順利起動目能在較低速度切換。 “直接反電勢法”無位置傳感器無刷直流電機控制系統(tǒng)的調(diào)試，包括硬件電路的調(diào)試，系統(tǒng)軟硬件聯(lián)調(diào)，并給出實驗結果。 制系統(tǒng)日前存在的一些問題和不足，提出解決方法。 江蘇大學本科畢業(yè)設計論文 11 第二章 BLDCM 的基本工作原理和數(shù)學模型 無刷直流電動機采用電子換相代替普通直流電動機的機械換相，因此無刷直流電動機的工作方法不同于普通直流電動機，它需要檢測轉(zhuǎn)子的位置信息，電子換相電路根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息來控制電動機的換相。本章主要介紹無刷直流電動機的工作原理，給出無刷直流電動機的基本方程和數(shù)學模型。 的組成 圖 21所示為無刷直流電動機的組成原理框圖。由電動機本體、 位置檢測電路和電子換相電路 (逆變器 )三部分組成。 電 子 換 相電 路電 動 機本 體位 置 檢 測電 路u 圖 21無刷直流電機的組成框圖 本體 結構上，無刷直流電動機本體與永磁同步電動機結構相似，轉(zhuǎn)子上有永磁磁鋼，定子繞組為多相對稱繞組。按定轉(zhuǎn)子相對位置的不同，無刷直流電動機可以分為內(nèi)轉(zhuǎn)子型和外轉(zhuǎn)子型，圖 22(a), (b)所示分別為兩種類型無刷直流電動機的結構示意圖。無刷直流電動機的定子結構和繞組形式與交流同步電動機或異步電動機相類似。 本論文所使用的樣機為內(nèi)轉(zhuǎn)子型無刷直流電動機 ，轉(zhuǎn)子磁鋼使用表面貼裝方式安裝，磁鋼采用稀土永磁材料，定子繞組為 三 相星形連接。 江蘇大學本科畢業(yè)設計論文 12 圖 22無刷直流電機結構示意圖 電子換相電路 無刷直流電動機電子換相線路用來控制電動機定子上各相繞組通斷的順序和時 間。功率邏輯開關單元 是控制電路的核心，其功能是將電源的功率以一定邏輯關系分配給無刷直流電動機定子上各相繞組，從而使電動機輸出持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。 電子換相電路有橋式和非橋式兩種。三相橋式換相電路中功率器件的使用效率高，可以與各種繞組連接形式的電動機配合使用。 本論文中采用 三相橋式換相電路。如圖 23所示為三相橋式電路與星形繞組電動機連接的示意圖。 圖 23三相橋式換相電路 的工作原理 在結構上，無刷直流電動機的本體和永磁同步電動機相似，但是沒有籠型繞組和其他起動裝置。無刷直流電動機的定子設計成多相繞組，一般為三相。本論文研究的無刷直流電動機定子繞組采用 三 相星形連接結構。下面以它為例，說明江蘇大學本科畢業(yè)設計論文 13 無刷直流電動機的工作原理。 三相星形繞組的無刷直流電動機與 中介紹的 三 相橋式換相電路相結合，組成三相全控運行方式。三相全控運行方式具有轉(zhuǎn)矩脈動 小，繞組利用率高等優(yōu)點，被廣泛采用。圖 24所示為三相全控運行電路接線原理圖 【 19】 。 圖 24無刷直流電機三相全控電路 三相全控運行方式因同時導通的繞組數(shù)不同可分為兩兩導通方式 (為 120176。導通方式 )和三三導通方式 (也稱為 180176。導通方式 )。 三三導通方式是指任一瞬間 (換相瞬間除外 )均有三個功率開關管導通，每隔 60176。電角度換相一次，每次一個功率管換相，每個功率管通電 180176。電角度。在圖 29所示電路中，各功率管按 V1V2V V2V3V4 ,V3V4V5,V4V5V6 ,V5V6V1 ,V6V1V2?的順序?qū)ā? 兩兩導通方式是指任一時刻 (換相瞬間除外 )只有兩相繞組導通，每 60176。電角度換相一次，每次一個功率管換相，每相繞組導通 120176。電角度。在圖 24所示的電路中，各功率管按 V1V2,V2V3,V3V4,V4V5,V5V6,V6V1?的順序?qū)ā? 假設無刷直流電動機為三相星形連接，運行在兩兩導通方式，該電動機有一對磁極，利用傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置。同時，假設三相定子繞組電流從 A, B, C流入， x,y,z 流出，符合右手螺旋定則的磁場方向為正。電動機定子繞組反電勢方向如圖 24 所 示。 按照上述假定，該無刷直流電動機轉(zhuǎn)子位置、功率管觸發(fā)邏輯和定子繞組反電勢波形關系如圖 25 所示。 江蘇大學本科畢業(yè)設計論文 14 圖 25轉(zhuǎn)子位置、功率管觸發(fā)邏輯和反電勢波形關系 結合圖 24和圖 25，下面對無刷直流電動機的換相過程進行分析。 假設轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到圖 25 中 P1 所示的位置時，通過位置檢測，控制器輸出控制信號使功率開關管 V V2導通，即繞組 A, C 相通電，電流流通路徑為 :電源正極→ V1管→ A 相繞組→ C 相繞組→ V2管→電源負極，電樞合成磁勢為 Fac。在合成磁勢 Fac的作用下，轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動。當轉(zhuǎn)子順時針 轉(zhuǎn)過 30176。電角度，到達圖15 所示 TO位置時，轉(zhuǎn)子磁勢方向與 B相負磁勢 FB方向相同，此時 B相中的反電勢為零。轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)過 30176。電角度，到達 P2的位置，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出變化，經(jīng)控制器邏輯變換后使 V1管關斷， V3管導通，即繞組 B,、 C相通電，電流流通路徑為 :電源正極→ V3管→ B 相繞組→ C相繞組→ V2管→電源負極，電樞合成磁勢為 Fbc。 在合成磁勢 Fbc的作用下，轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)過 30176。電角度到達 T1 位置時，此時的懸空相 A相繞組的反電勢為零。再經(jīng)過 30176。電角度，轉(zhuǎn)子到達 P3 位置時，轉(zhuǎn)子位置檢測出現(xiàn)變 化，控制器關斷功率管 V2，導通功率江蘇大學本科畢業(yè)設計論文 15 管 V4。 依此類推，轉(zhuǎn)子沿順時針方向每轉(zhuǎn)過 60176。電角度，功率開關管切換一次，功率開關管導通邏輯為 V1V V2V3,V3V4,V4V5,V5V6,V6V1 ?，轉(zhuǎn)子磁場始終受到定子合成磁場的作用，沿順時針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動。在換相過程中，定子繞組電流在空間內(nèi)所形成的合成磁場不是連續(xù)的旋轉(zhuǎn)磁場，而是一種跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場，每個步進角度為 60176。電角交。 的數(shù)學模型 對于徑向激磁結構，稀土永磁體直接面對均勻氣隙，由于稀土永磁體的取向性好所以可以獲得具有較好 方波形狀的氣隙磁場，其理想波形如圖 26所示。 圖 26方波氣隙磁場分布 無刷直流電動機中，受定子繞組合成磁場的作用，轉(zhuǎn)子沿著一定的方向連續(xù)轉(zhuǎn)動。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的同時，電動機定子上的電樞繞組在空間切割磁力線，產(chǎn)生感應電勢。對于方波氣