基于tms320f2812的无刷直流电机控制系统设计(1) - 图文(3)

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第五章系统软件设计，完成系统控制软件的设计与实现， 第六章实验结果及分析，给出了电机实际运行的结果并进行分析。

第一章绪论

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第二章无刷直流电机控制原理及关键技术研究

第二章无刷直流电机控制原理及关键技术研究 2.1无刷直流电机组

成结构

无刷直流电动机主要由电动机本体，位置传感器和电子开关线路三部分组成 (图2-1示)。电动机本体主要包括定子和转子两部分，定子绕组一般为多相（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。图

2- 1的电动机为三相两极。三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关 器件连接。

电子开关线路用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间，主 要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成。功率逻辑开关单 元将电源功率以一定的逻辑分配关系分配给直流无刷电动机定子上的各相绕组， 以便使电动机产生持续不断的转矩。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，进而控制逻辑开关单元的各相绕组导通顺序和时间。位置传 感器的跟踪转子与电动机转轴相连接。

图2-1无刷直流电动机原理框图

当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相 互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信 号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随 转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序与转子转角 同步，因而起到了机械换向器的换向作用。

2.2无刷直流电机工作原理

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，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。BLDC电机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°

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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。但是定子方波电流的通电时刻与感应电动势波形、转子磁极位置 有严格的对应关系，否则会产生大的转矩脉动，使平均转矩减小?

以三相全控式电路为例来说明无刷直流电动机的工作原理（见图2-2)。T1、 T2…T6为六个功率器件，起绕组的开关作用。采用两两通电，三相六状态方式。 两两通电方式就是指每一个瞬间有两个功率管导通，每隔1/6周期（60°电角度) 换相一次，每次换相一个功率管，每个功率管一次导通120°电角度，各功率管导 通顺序依次是

T1T4—T1T6—T3T6—T3T2—T5T2—T5T4。表2-1列出了三相逆 变器的开关顺序。

表2-1三相全控电路开关逻辑表 状态 1 1 0 0 0 1 0 2 1 0 0 0 0 1 3 ’4 0 1 0 1 0 0 5 0 0 1 1 0 0 6 0 0 1 0 1 0 T1 T2 T3 T4 T5 T6 0 1 0 0 0 1 7

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i位置

i感器无刷直流电机控制原理和方法

具有位置传感器的直流无刷电动机速度控制系统的结构十分简单，可以达到 较髙的机械功率密度，一般可以满足实际的工业需要。然而，该系统所取得的高 性能极大地依赖于电动机信号检测的正确性，在实际的生产过程中，往往很难得 到电动机轴位置信号的精确值。因此，为了降低系统成本，同时取得良好的控制 效果，无位置传感器的直流无刷电机得到了广泛的应用。

无位置传感器无刷直流电动机虽然省去了位置传感器，但控制原理基本与有 位置传感器无刷直流电动机一样，区别在于无位置传感器无刷直流电机需要通过 硬件检测和软件计算来判断当前转子位置。即在电机运转的过程中，作为逆变桥 功率器件换向导通时序的转子位置信号仍然是需要的，只不过这种信号不再由位 置传感器来提供，而应该由新的位置信号检测措施来代替。进而，在控制方法上， 无位置传感器无刷直流电机也有自己独有的特点。主要表现在以下几个方面。

2.3.1转子位置检测方法

目前永磁无刷直流电机无位置传感器控制研究的核心和关键就是架构一个 转子位置信号检测线路，从软硬件两个方面来间接获得可靠的转子位置信号，借 以触发相应的功率器件，驱动电机运转。常用的无位置传感器无刷直流电机的位 置检测方法主要有以下几种，下面将分别对其进行介绍。

(1) 反电势法

反电势法是目前最常用的一种检测转子位置信号的方法，它利用电机旋转时 各相绕组内反电势(EMF)信号控制换向。反电势检测主要有三种方法:过零点法、 积分法和锁相环法|9]。

1) 过零点法

反电动势过零点检测法是目前技术最成熟，实现最简单，应用最广泛的转子 位置检测方法，尤其是在家电领域。这种方法用低通滤波器和电压比较器所组成 的电子电路取代了传统的机械位置传感器，获得转子位置信号。其基本原理是： 在无刷直流电机稳态运行时，忽略电机电枢反应影响的前提下，通过检测“关断 相”（逆变桥上下功率器件皆处于关断的那一相）的反电势过零点，依次获得转 子的六个关键位置信号，并以此作为参考依据，轮流触发导通六个功率管，驱动 电机运转。

这种方法也有它自身的弱点一起动困难和误差补偿。当电机静止时或转速 较低时，反电势为零或很小，很难通过反电势过零点检测来得到正确的位置信号，

故这种方法使得电机起动困难，此外，因为反电势过零检测法忽略了电枢反应对 气隙合成磁场的影响，所以在原理上就存在一定的误差。显然，当反电势过零点 和气隙合成磁场(转子励磁磁场和定子电枢反应磁场的合成)匝链电枢绕组所产 生的总感生电势过零点不重合时，就会产生转子位置误差，且反电势系数越小或 电机转速越低，误差就越大，所以在反电势法的永磁无刷直流电机的无位置传感 器控制中，必须要有一定的误差补偿措施a

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2) 反电势积分法 反电势积分法是通过对电机不导通相绕组反电动势的积分信号获得转子位 置信息当关断相的反电动势过零点时开始对其绝对值进行积分，当积分值达 到一个设定的阈值时停止积分，此时获得转子位置，对应于定子绕组的换流时刻， 高速时为提高电机转矩，改变阈值可以实现换流角超前控制。因为低速时反电动 势信号很弱，这种方法也需要采用开环起动方式。逆变桥中功率器件的开关噪声 影响这种方法的低速特性[11]。

3) 锁相环法

锁相环法是通过每隔一个磁状态，锁定未导通相绕组的反电势波形，以决定 逆变器下一个开关的准确导通时刻。数字锁相环（DPLL)技术包含有反电动势 检测、环路滤波、可控电压振荡器和分频器,经过数字锁相环的端电压信号降低 或消除了各种噪声，可以得到较为理想的反电动势信号112]。

(2) 续流二极管法

续流二极管法又称“第三相导通法'它是通过反并联于逆变桥功率开关管 上续流二极管导通与关断状态的检测来确定转子位置的。续流二级管法其本质还 是反电势法，只是在“断开相”反电势过零点检测上有了一定的改变。这种改变 在一定程度上能够拓宽电机的调速范围，尤其是能拓宽电机调速的下限#这种方 法适用于120°导通、三相六拍方波驱动的永磁无刷直流电机[14]。在有些应用场 合，电机的最低转速甚至能小于l〇〇r/mia。

但这种方法现在国内应用并不是很广泛。因为它要求上下功率器件轮流处于 PWM斩波方式，控制的难度较大；同时它必须从软、硬件两个方面去除二极管 续流导通的无效信号和因毛刺干扰而产生的误导通信号：此外，这种方法也存在 着较大的误差，当转速较低时，

VCE、VF和反电势相比就不可忽略，因忽略而 造成的误差应有一定的相位补偿措施。

(3)

三次谐波检测法[6]

无刷直流电动机的绕组反电动势为梯形波。经过Fourier级数分解可知，除 了基波分量以外，还含有较大的三次谐波分量。三次谐波分量的一个周期对应基

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