直流无刷电机驱动技术的研究.docx

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直流无刷电机驱动技术的研究

摘要

随着现代电力电子技术的发展和永磁材料性能的不断提高，无刷直流电动机的系统在高性能运动控制领域越来越受到重视.无刷直流电动机既具有直流电动机运行效率高、调速性能好、无励磁损耗等诸多特点，又具备交流电动机的运行可靠、结构简单、维护方便等一系列优点，在国民经济各个领域的应用日益普及.

本文在对无刷直流电动机控制系统的发展及应用综述的基础上，详细的介绍了无刷直流电动机的基本结构、工作原理和运行特性，并给出了其数学模型.简述了无刷直流电动机的控制策略，并分析了无位置传感器控制技术的原理和方法.然后对无刷直流电动机双闭环控制系统的硬、软件设计作了详细论述.系统以TI公司的TMS320LF2407芯片为控制核心，分析了PWM信号的产生分配情况，给出反电动势过零点、速度及电流等检测电路设计，并以IR2130作为驱动芯片设计了无刷直流电动机的驱动电路，采用三段式起动方式来起动电动机.系统的软件采用模块化设计方法，主要包括初始化程序、起动子程序、换相子程序、ADC中断服务程序等.最后运用SIMULINK建立了无刷直流电动机控制系统的仿真模型，并对给定实例进行仿真.

本论文所述无刷直流电动机控制系统的设计方案，可以获得良好的速度控制性能，而且DSP技术不仅使系统获得了高精度，高可靠性，还简化了系统结构.：

关键词：

无刷直流电动机PWM控制无位置传感器仿真

Abstract

Withthedevelopmentofpowerelectronicstechnologyandceaselessadvanceofpermanentmagnetmaterial,BrushlessDCmotor（BLDCM）ismoreandmoreattentioninthefieldofhighperformancemotioncontrol.BLDCMhasbeenwidelyusedinthevariousfieldsofthenationaleconomybecausethismotornotonlyhasthemeritoftheDCmotorforhighefficiency,goodperformanceandnoexcitationlossetc.butalsohasthemeritoftheACinductionmotorforreliableoperation,simplestructureandeasymaintenanceetc.

OnthebasisofthesummaryfordevelopmentsandapplicationsofBLDCMcontrolsystem,thethesisintroducesthestructure,runningprinciple,operationalcharacteristicsandmathematicalmodelofBLDCM.ItoutlinesBLDCMcontrolstrategy,anddiscussestheprinciplesandmethodsofthecontroltechnologywithnopositionsensordetection.Thenthehardwareandsoftwaredesignofthedoubleclosedloopcontrolsystemisdissertatedindetail.ThecontrollerofthehardwareofthesystemisbuiltbyusingtheTMS320LF2407asthemicroprocessor.ItanalysestheformationofPWMsignalsanddesignsthecircuitofBEMF-zero-crossing,velocityandcurrentdetection.Thissystemchoosessyllogismjump-startmotor.Besides,thedrivecircuitoftheBLDCMisdesignedwithIR2130.Systemsoftwareismodularindesignmethods,Includinginitialization,starting,commutationsubroutine,ADCinterruptserviceprocedures.Finally,itestablishedaBLDCMcontrolsystemsimulationmodelbySIMULINK,andsimulatetothecasemodel.

ThisthesisdescribedthedesignoptionsaboutBLDCMcontrolsystem,ItcangetagoodperformanceofSpeedcontrol;DSPtechnologyenablesthesystemhasnotonlyahigh-precision,highreliability,alsosimplifiesthesystemarchitecture.

Keywords：

BrushlessDCmotorPWMNopositionsensorSimulation

目录

第1章概述-1-

1.1无刷直流电机的现状-1-

1.2电无刷直流电动机的概况-2-

1.2.1无刷直流电动机的特点和应用-2-

1.2.2发展前景-3-

1.3本设计的主要工作-4-

第2章无刷电机控制系统分析-5-

2.1无刷直流电动机的基本结构-5-

2.1.1电动机本体电动机本体-6-

2.1.2转子位置检测器-6-

2.1.3电子换相-7-

2.2无刷直流电动机的工作原理-7-

2.3直流电动机的PWM调速原理-9-

第3章无刷直流电机控制器硬件设计-11-

3.1无刷直流电动机双闭环调速系统-11-

3.2SPWM控制技术-13-

3.2.1SPWM控制的基本原理-13-

3.2.2SPWM的数学模型-14-

3.3无刷直流电动机无位置传感器的检测方法-15-

3.3.1反电动势过零检测法-15-

3.3.2续流二极管间接检测法-16-

3.3.3反电动势积分法-17-

3.3.4反电动势三次谐波检测法-17-

3.4数字PID控制器及算法-18-

3.4.1模拟PID控制原理-19-

3.4.2PID算法的数字实现-20-

第4章无刷直流电动机的DSP控制系统-23-

4.1DSP的结构和特点-23-

4.1.1DSP在运动控制领域的应用-23-

4.1.2TMS320LF2407结构和特点-24-

4.2无刷直流电动机的DSP控制系统的设计-26-

4.2.1PWM波形的产生-27-

4.2.2速度检测与调节-29-

4.2.3电流检测与调节-31-

4.2.4异步串行通讯接口电路-31-

4.2.5电动机的驱动电路-32-

4.3基于DSP的无位置传感器无刷直流电动机的起动-33-

4.3.1位置型PID算法程序的设计-34-

4.3.2数字PI速度调节器设计-35-

4.3.2数字PI速度调节器设计-37-

第五章无刷直流电动机控制系统的软件设计-38-

5.1主程序结构-38-

5.2电动机启动子程序-39-

5.3换相子程序-40-

5.4ADC中断子程序-40-

总结-44-

致谢-45-

参考文献-46-

附录1：

直流无刷电机驱动技术的研究-47-

第1章概述

1.1无刷直流电机的现状

有刷直流电动机作为最早的电动机广泛应用于工农业生产的各个领域，由于其宽阔而平滑的优良调速性能，在需要调速的应用领域占有重要地位，但机械换向装置的存在，限制了其发展和应用范围.直流电动机的机械电刷和换向器因强迫性接触，造成其结构复杂、可靠性差、火花、噪声等一系列问题，影响了直流电动机的调速精度和性能.科学技术的飞速发展，带来了半导体技术的飞跃，开关型晶体管的研制成功为创造新型的无刷直流电动机带来生机.1955年，美国人首次提出用晶体管换向线路代替机械换向装置，经过反复实验，人们终于找到了用位置传感器和电子换相线路来代替有刷直流电动机的机械换相装置，出现了磁电祸合式、光电式及霍尔元件作为位置传感器的无刷直流电动机，以后人们发现电量波形和转子磁场的位置存在着一定的对应关系，因此又出现了通过观测电枢绕组中不同电量波形，监测转子位置的无位置传感器的电动机.

80年代初，无刷直流电机进入了实用阶段，方波和正弦波无刷直流电机先后研究成功.“无刷直流电机”的概念已由最初的具有电子换相器的直流电机发展到泛指一切具有传统直流电机外部特性的电子换相电机.现今，无刷直流电机集电机、变速机构、检测元件、控制软件和硬件于一体，形成为新一代的电动调速系统.无刷直流电机具有最优越的调速性能，主要表现在:

调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能好（启动转矩大，启动电流小），运行平稳，噪音低，效率高，应用场合从工业到民用极其广泛.如电动自行车、电动汽车、电梯、抽油烟机、豆浆机、小型清污机、数控机床、机器人等等.由于无刷直流电机具有这些优点，因此在2004年的国际电机会议上提出了有刷电机将被无刷电机取代这一发展趋势.美、日、英、德在工业自动化领域中已经实现了以无刷直流电机代替有刷电动机的转换.

美国福特公司率先把无刷直流电机应用于汽车20世纪80年代以来，随着微机控

制技术的快速发展，出现了各种称为无位置传感器控制技术的方法，是当代无刷直流电机控制研究的热点之一.各国知名半导体公司Allegro,Philips,MicroLinear,等，先后推出了许多无刷直流电机无传感器控制集成电路.

2004年12月我国电机制造业共1167家生产企业，全部从业人员388282人，资产972亿.我国生产的微特电机己经占世界60%以上，目前是全球最大的永磁体（生产无刷直流电机控制系统设计刷电机的主要原材料）生产供应基地，中国还将会成为全球最大的无刷电机生产国.随着汽车工业的快速发展，车用小功率电机的需求增长带动了以永磁无刷直流电机为主体的车用小功率电机的兴起，我国正在成为世界电动汽车制造业的主要供应商.

1.2电无刷直流电动机的概况

1.2.1无刷直流电动机的特点和应用

无刷直流电动机保留了有刷直流电机的优良调速性能，又省去了机械电刷和换器.它采用一种位置检测器和电子开关变换器替代电刷和换向器，既有传统直流电机的优良特性，又有交流电机的结构简单、运行可靠、寿命长的优点.在电磁结构上，无刷直流电动机和有刷直流电机一样，但是它的电枢绕组放在定子上，转子上放置永磁磁钢.无刷直流电动机的绕组像交流电机的绕组一样，采用多相形式，经由逆变器接到直流电源上，定子各相逐次接通电流，和转子磁场相互作用，产生转矩.

与传统的电励磁同步电动机相比，无刷直流电动机具有结构简单、体积小、重量轻、效率高、功率因素高、转矩/重量比高，转动惯量低、易于散热，易于维护保养等优点，因而应用范围极为广泛，尤其是在要求高控制精度和高可靠性的场合，如航空、航天、数控机床、加工中心、机器人、电动汽车、计算机外围设备和家用电器等方面获得广泛应用.

由于无刷直流电动机的优异性能，使得世界上许多科研机构和公司都投入到这一技术领域，使无刷直流电动机的技术得到了充分展示和更加广泛的应用.据美国

MTT预测公司的报告，就1986年美国市场而言，无刷直流电机的销售量为560万台，

在全部电机中占7%；在1991年无刷直流电机的消费量达到2600万台，在全部

电机中占16%，增长速度最快[7].

总之，无刷直流电动机经过20多年的发展，在技术上已经逐步成熟，在大量应用中已经显示其优良特性，应用领域几乎可覆盖所有电动机驱动领域，并可以起到其他类型电动机不能达到的功能.

1.2.2发展前景

电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中.传统直流电机采用机械机构（电刷）进行换向，因而存在机械摩擦，并由此带来电磁噪声、换向火花以及寿命短等缺点，再加上制造成本高、维修困难，从而极大的限制了它的发展和应用范围.

针对上述传统有刷直流电动机的弊病，早在20世纪30年代，就有人开始研制以电子换向代替电刷机械换向的无刷直流电动机，并取得了一定成果.但由于当时大功率电子器件仅处于初级发展阶段，没能找到理想的电子换向元器件.使得这种电动机只能停留在实验室研究阶段，而无法推广使用.1955年，美国D.哈利森等人首次申请了应用晶体管换向代替电动机机械换向的专利，这就是现代无刷直流电动机的雏形.但由于该电动机尚无起动转矩而不能产品化.尔后又经过人们多年努力，借助于霍尔元件来实现换向的无刷直流电动机终于在1962年问世.

在此之后，又相继出现了新型永磁材料钐钴、钕铁硼，它们具有高剩磁密度，高矫顽力以及高磁能积等优异磁性能，使永磁电机有了较大发展.进入九十年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多高性能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT等相继问世，以及微处理器、大规模集成电路技术的发展，逆变装置也发生了根本性的变化.这些开关器件本身向着高频化、大容量、智能化方向发展，并出现集半导体开关、信号处理、自我保护等功能为一体的智能功率模块（IPM）和大功率集成电路，使无刷直流电动机的关键部件之一——逆变器的成本降低，且向高频化、小型化发展.同时，永磁材料的性能不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁材料

的热稳定性和耐腐蚀性的改善，加上永磁电机研究和开发经验的逐步成熟，无刷直流电动机的应用和开发进入一个新阶段，目前正朝着超高速、高转矩，高功能化.

1.3本设计的主要工作

20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷直流电动机得到了长足的发展.本文针对DSP在无刷直流电动机控制系统中的应用趋势，采用TI公司的运动控制专用DSP——TMS320LF2407作为控制器，设计了基于该DSP的无刷直流电动机双闭环数字控制系统，实现了对无刷直流电动机电流的PWM控制和速度控制.本文主要内容如下：

1.对无刷直流电动机的发展状况、特点及应用和研究现状作了简单的介绍.

2.介绍了无刷直流电动机的基本结构及工作原理，给出了无刷直流电动机的数学模型，并分析了无刷直流电动机运行特性.

3.详细介绍了无刷直流电动机的控制策略，其控制系统采用双闭环.阐述了SPWM的基本原理和无传感器控制技术中的反电势法工作原理，并对数字PID算法作了简单的介绍.

4.基于TI公司的TMS320LF2407控制芯片，设计了无刷直流电动机控制系统的硬件电路部分.分析了PWM的产生分配情况，给出速度检测、电流检测及故障保护等电路，并以IR2130作为驱动芯片设计了无刷直流电动机的驱动电路.

5.对无刷直流电动机的软件设计采用模块化的设计思想，给出了各个部分的软件设计框图.

第2章无刷电机控制系统分析

2.1无刷直流电动机的基本结构

无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的.它的电枢绕组是经由电子“换向器”接到直流电源上，可把他归为直流电动机的一种.从供电逆变器的角度来看，它又可属于永磁同步电动机的一种，因为无刷直流电动机转速变化以及电枢绕组中的电流变化是和逆变器的频率是一致的.但是无刷直流电动机电枢绕组中流过的电流以方波形式变化，故又称为方波电流永磁交流电动机.无刷直流电动机的组成是用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极，用具有多相绕组的定子取代电枢，用由逆变器和转子位置检测器组成的电子换向器取代机械换向器和电刷.无刷直流电动机的基本构成包括电动机本体、转子位置检测器和电子换相电路三部分.如图2-1所示：

图2-1无刷直流电动机的构成

在无刷直流电动机中，借助反映转子位置的位置检测器的输出信号，控制逆变器换向，使电枢绕组依次通电，从而在主定子上产生跳跃式的旋转磁场，拖动永磁转子旋转.随着转子的转动，位置检测器不断的送出信号，以改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变，这就是无刷直流电动机的无接触式换流过程的实质.

2.1.1电动机本体电动机本体

与永磁同步电机相似，转子采用永久磁铁励磁，目前多使用稀土永磁材料，但没有笼型绕组和其它起动装置.其定子绕组采用交流绕组形式，一般制成多相（三相、四相、五相不等）.转子由永久磁钢按一定极对数（2P=2,4,…）组成，绕组形式往往采用整距、集中或接近整距、集中的形式，以便保留磁密中的其它谐波.因而BLDCM的转子结构既有传统的内转子结构，又有近年来出现的盘式结构、外转子结构和线性结构等新型结构形式.伴随着新型永磁材料钕铁硼（NdFeB）的实用化，电机转子结构越来越多样化，使BLDCM正朝着高转矩、高精度、微型化和耐环境等多种用途发展.

2.1.2转子位置检测器

转子位置检测器也就是位置传感器，在BLDCM中，位置传感器与电动机同轴安装，起着测定转子位置的作用，为逆变器提供正确的换相信息.由于逆变器的导通次序是与转子转角同步的，因而与逆变器一起，起着与有刷直流电动机的机械换相器和电刷相类似的作用.位置传感器种类较多，特点各异.

1.电磁式位置传感器

电磁式位置传感器是利用电磁效应来测量转子位置的，有开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关电路等多种类型.电磁式位置传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长、对环境要求不高等优点，但这种传感器体积较大，信噪比较低，同时，其输出波形为交流，一般需经整流、滤波方可使用.

2.光电式位置传感器

光电式位置传感器是利用光电效应，由跟随电动机转子一起旋转的遮光部分和固定不动的光源等部件组成.有绝对式编码器和增量式编码器之分，增量式编码器精度很高，多用于精密控制中，价格昂贵，且需要附加初始位置定位装置；绝对式编码器价格低廉，不需要初始定位，但精度不高，可用于一般的速度控制中.总之，光电式位置传感器性能比较稳定，体积小、重量轻，但对环境要求较高.

3.磁敏式位置传感器

磁敏式位置传感器是利用某些半导体敏感元件的电参数按一定规律随周围磁场变化而变化的原理制成.其基本原理是霍尔效应和磁阻效应.目前，常见的磁敏式传感器由霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻和磁敏二极管等.一般来说，这种器件对环境适应性很强，成本低廉，同样，精度不高.

除了上述三大类位置传感器外，还有正余弦旋转变压器和编码器等多种位置传感器，它们一般较复杂，而且这些元件成本较高、体积较大、所配线路复杂，因而在一般无刷直流电动机中很少采用.

2.1.3电子换相

电子换向电路由功率变换电路和驱动控制电路两大部分组成，它与位置检测器相配合，去控制电动机定子各相绕组通电的顺序和时间，起到换向相类似的作用.

当系统运行时，功率变换器接受控制电路的控制信息.将系统工作电源的功率以一定的逻辑关系分配给直流无刷电动机定子上各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩.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，而受控于转子位置信号，是一个“自控式逆变器”，BLDCM由于采用自控式逆变器，电机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器不会产生振荡和失步，这也是BLDCM的重要优点之一.

电机各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置检测器的信号，但位置检测器所产生的信号一般不能直接用来驱动功率变换器的功率开关元件，往往需要经过控制电路一定逻辑处理、隔离放大后才能去驱动功率变换器的开关元件.驱动控制电路的作用是将位置传感器检测到的转子位置信号进行处理，按一定的逻辑代码输出，去触发功率开关管.

2.2无刷直流电动机的工作原理

一般的直流电机由于电刷的换相，使得由永久磁钢产生的磁场与电枢绕组通电后产生的磁场在电机运行过程中始终保持垂直从而产生最大转矩，使电动机运转.无刷直流电动机的运行原理和有刷直流电动机基本相同，即在一个具有恒定磁通密

度分布的磁极下，保证电枢绕组中通过的电流总量恒定，以产生恒定转矩，而且转矩只与电枢电流的大小有关.

由于转子的气隙磁通为梯形波，由电机学原理可知，电枢的感应电动势亦为梯形波，大小与转子磁通和转速成正比.BLDCM三相电枢绕组的每相电流为120°通电型的交流方波，反电动势为120°梯形波.只要控制好逆变器各桥臂功率器件的开关时刻就能满足上述要求.BLDCM三相绕组主回路基本类型有三相半控和三相全控两种.三相半控电路的特点是简单，一个可控硅控制一相的通断，每个绕组只通电1/3的时间，另外2/3时间处于断开状态，没有得到充分的利用，在运行过程中的转矩波动较大.所以最好采用三相全控式电路，电路如图2.2所示，在该电路中，电动机的绕组为Y联结.

图2-2中UI为逆变器，PMM为永磁电动机本体，PS为与电动机本体同轴连接的转子位置传感器.控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换后，产生脉宽调制（PWM）信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管，从而控制电动机各相绕组按一定顺序工作，在电动机气隙中产生跳跃式旋转磁场[9][11].下面以两相导通星形三相六状态无刷直流电动机来说明其工作原理.无刷直流电动机三相全控电路如图2-2所示：

图2-2无刷直流电动机三相全控电路

当转子永磁磁极位于图2.3（a）所示位置时，转子位置传感器输出磁极位置信号，经过驱动电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开关管VT1，VT6导通，即绕组

A，B通电，A进B出，电枢绕组在空间的合成磁势为Fa，如图2.3（a）所示.此时定、转子磁场相互作用，拖动转子顺时针方向转动.电流流通路径为：

电源正极→VT1管→A相绕组→B相绕组→VT6管→电源负极.当转子转过60°电角，到达

图2-3（b）中位置时，位置传感器输出信号，经逻辑变换后使开关管VT6截止、VT2导通，此时VT1仍导通.这使绕组A，C通电，A进C出，电枢绕组在空间合成磁场如图2-3（b）中Fa.此时定、转子磁场相互作用，使转子继续沿顺时针方向转动，电流的流通路径为：

电源正极→VT1管→A相绕组→C相绕组→VT2管→电源负极，依此类推.当转子继续沿顺时针每转过60°电角时，功率开关管的导通逻辑为：

VT3VT2→VT3VT4→VT5VT4→VT5VT6→VT1VT6…则转子磁场始终受到定子合成磁场的作用并沿顺时针方向连续转动.无刷直流电动机工作原理如图2-3所示：