无刷直流电动机及其控制系统的研究毕业论文.doc

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1、无刷直流电动机及其控制系统的研究 摘摘 要要 无刷直流电动机具有高效、高控制精度、高转矩密度、低噪声的特点，通 过合理设计磁路结构能够获得较高的弱磁性能，可以成为各类工具首选驱动机。 本文在介绍电动汽车中电动机及其控制系统应用现状和性能要求的基础上。 首先分析了无刷直流电机的结构特点，重点研究了无刷直流电机最大转矩/电流 比控制算法，并构建了 Matlab/Simulink 环境下无刷直流电机控制系统的仿真模 型。 最后，根据无刷直流电机控制系统的仿真结果，设计了无刷直流电机直接 转矩控制系统的硬件和软件，其中，硬件控制系统主要包括三相全桥逆变电路、 功率驱动电路、转子位置检测电路以及功率器件

2、的保护电路等。该系统最大特 点是以电子换向线路替代了由换向器和电刷组成的机械式换向结构，使传感器 可以借助 DSP 的强大功能获取转子位置信号，克服了机械位置传感器的存在给 无刷直流电机所带来的诸多不利影响。 关键词：关键词： 电动汽车，无刷直流电动机，直接转矩控制，Matlab 仿真 无刷直流电动机及其控制系统的研究 Brushless DC motor and its control system Abstract The brushless DC motor with high efficiency, high control accuracy, high torque density,

3、 low-noise characteristics, through the rational design of magnetic circuit structure to obtain a higher weak magnetic energy, various tools can be a driving machine of choice. On the basis of the introduction of electric vehicles, electric motor and its control system application status and perform

4、ance requirements. First analyze the structural characteristics of the brushless DC motor, focusing on brushless DC motor torque / current control algorithm, and construct a simulation model of the brushless DC motor control system in Matlab / Simulink environment. Finally, according to the simulati

5、on results of the brushless DC motor control system, design of a brushless DC motor direct torque control system hardware and software, which the hardware control system mainly consists of three-phase full-bridge inverter circuit, drive circuit, the rotor position detection circuit and power device

6、protection circuit. The system is characterized by electronically commutated line instead of the mechanical commutator and brush change to the structure, so that sensors can make use of the powerful features of the DSP to obtain the rotor position signals, to overcome the existence of the mechanical

7、 position sensors to the brushless many adverse effects brought about by the DC motor. Key words: electric vehicles, brushless DC motor, direct torque control, Matlab simulation. 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师 的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以 标注和致谢的地方

8、外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究 成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而 使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均 已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文） 的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本； 学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与 阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论 文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名

9、： 日 期： 无刷直流电动机及其控制系统的研究 目 录 第一章第一章 绪论绪论 3 第第 2 2 章章 无刷直流电机的工作原理无刷直流电机的工作原理.4 2.1 无刷直流电机的基本组成及工作原理.4 2.1.1 基本组成4 2.1.2 无刷直流电机的工作原理5 2.2 无刷直流电动机的运行特性.7 2.2.1 机械特性7 2.4 无刷直流电动机的转矩脉动9 第第 3 章章 无刷直流电机的主电路的工作方式无刷直流电机的主电路的工作方式10 3.1 星形连接三相半桥式主电路星形连接三相半桥式主电路10 3.2 星形连接三相桥式主电路星形连接三相桥式主电路 .12 3.3 角形连接三相桥式主电路角形

10、连接三相桥式主电路 .14 3.1 无刷直流电机的控制策略.16 第四章第四章 基于直接转矩的无刷直流电机控制仿真基于直接转矩的无刷直流电机控制仿真 20 4.1 无刷直流电动机 ID=0 控制20 4.1.1 仿真模型介绍 20 4.1.2 模块介绍22 4.1.3 ID=0 控制仿真结果.23 4.2 无刷直流电动机最大转矩/电流比控制.27 4.2.1 仿真模型介绍 27 4.3 根据 MTPA 原理计算 TEM对应的控制电流IQ、ID32 4.3.1MATLAB源程序 32 4.3.2 运行结果33 4.4 MTPA 控制的仿真结果34 4.3.1 电机空载34 4.3.2 电机负载

11、TF=2NM.35 无刷直流电动机及其控制系统的研究 4.3.3 负载在 0.6S 突然由原来的 2NM变到 4NM.36 4.3.4 转速在 0.6S 突然由原来的 200 RAD/S变到 400 RAD/S37 4.3.5 电机制动时，能量回收 38 4.4 MTPA 与ID=0 仿真结果对比、分析.39 4.4.1 结果对比39 4.4.2 结果分析40 4.5 本章小结.40 5.1 无刷直流电机的基本硬件组成无刷直流电机的基本硬件组成.41 5.1.1 DSP 控制器42 5.1.3 控制电路44 5.1.4 转子位置检测电路 47 5.2 数字控制系统的软件设计 .48 5.2.1

12、 整体设计论述 48 5.2.2 换相检测和开环起动的软件实现49 1.换相点的软件实现49 2. 电机旋转的正、反向控制50 5.2.3 主要子程序51 1. 转子转速调节子程序51 2.2. 换相服务子程序52 .52 5.2.4PWM 周期中断子程序(PWM ISR)55 5.2.5 ADC 转换中断服务子程序（ADC ISR）55 第六章第六章 结论结论 60 参考文献参考文献60 无刷直流电动机及其控制系统的研究 第一章 绪论 近二十多年来，电力电子技术、计算机技术、控制理论以及新材料技术都 得到了迅速的发展，所有这些都推动着电机控制技术的发展、进步。新材料技 术的发展，例如稀土永磁

13、材料Nd-Fe-B、磁性复合材料的出现，给电机设计插上 了翅膀，各种新型、高效、特种电机层出不穷。我们国家稀土资源十分丰富， 近年来，永磁电机的研究十分活跃。采用永磁材料激磁，特别是采用高性能稀 土永磁材料，可大大提高电动机效率，缩小电机体积。据不完全统计，500W以 下的直流微电机中，永磁电机占92%，而10W以下永磁电机占99%。而在无刷 化方面，主要是发展无刷直流BLDC (Brushless DC)电机，以提高产品的可靠性 和寿命。 而电力电子技术、计算机技术和控制理论的发展更使得电机调速技术得到 很快的发展。新的电力电子器件，高性能的数字集成电路以及先进的控制理论 的应用，使得控制部

14、件功能日益完善，所需的控制器件数目愈来愈少，控制器 件的体积也日益减小，控制器的可靠性提高而成本日益降低。从而使得电机的 应用不再局限于传统的工业领域。而在商业，家用电器、声像设备、电动自行 车、汽车、机器人、数控机床、雷达和各种军用武器随动系统等领域也得到广 泛应用。 当前，电子产品正经历着从模拟到数字的转化，在这场数字化的革命当中， DSP(Digital Signal Processor)器件适时而动，取得了飞速的发展。 今天，DSP己经成为通信、计算机、网络、工业控制以及家用电器等电子产 品中不可或缺的基础器件。由于DSP具有较强的计算能力和较好的实时性，使 得算法复杂的现代控制理论能

15、够在实际中得到很好的应用，特别是实时性要求 很高的系统，也可以通过DSP实现复杂的智能控制算法。在电力传动这个实时 性要求很高的领域，DSP的应用越来越多，例如机器人，机械手等工业自动化 系统；火炮位置伺服等军用设备；洗衣机，空调等家用电器设备；电动自行车 等交通工具都用到了DSP控制器电力传动方案。 DSP技术的提高和CPU相似，已经成为决定电子产品更新换代的决定因素 之一。用DSP进行电力传动系统的设计，是未来电力传动系统实现数字化，智能 化的发展方向。 无刷直流电动机及其控制系统的研究 本课题是自选研究课题，旨在研制一套基于DSP的无刷直流电机调速系统， 主要工作如下： (1)研究无刷直

16、流电动机的运行原理和控制方式，针对控制对象具有正 弦波反电动势的15kW无刷电机选择合适的控制方案。 (2)设计无刷直流电机控制器的硬件电路，包括电源电路、功率电路、电流 检测电路、电压检测电路、位置检测电路、电流斩波电路、驱动电路、DSP 外 围电路、DSP 和单片机通信电路以及显示电路等。 (3)根据无刷直流电机的控制策略，介绍无刷直流电动机在横转矩区的 id=0 和 MTPA 控制策略，并在 Matlab/simulink 环境下，构建了电机控制模型，对两 种控制策略的仿真结果进行了分析和对比。最后，选择和确定了本系统相应的 控制策略。 (4)通过实验和仿真结果，设计无刷直流电机直接转矩

17、控制系统的硬件和 软件。实现数据采集及显示；跟踪转子位置，输出相通断信号至功率变换器决 定对应的开关器件的开断；根据转子位置信号计算速度值；实现电流斩波控制； 进行转速环和电流环PI调节；实现电机正反转运行以及DSP与单片机通信等。 第 2 章 无刷直流电机的工作原理 2.1 无刷直流电机的基本组成及工作原理 2.1.1 基本组成 无刷直流电动机及其控制系统的研究 图2-1 无刷直流电动机的结构原理图 无刷直流电动机的结构原理如图2-1所示。它主要由电动机本体、 位置传 感器和电子开关电路控制器三部分组成。电动机本体在结构上与永磁同步电动 机相似，但没有笼型绕组和其他起 动装置，其定子绕组一般

18、制成多相（三相、 四相、五相不等），转子由永磁钢按一定极对数(2p=2，4, )组成，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。在图2-1中A相、B相、C 相绕组分别与功率开关管(VT1，VT4),(VT3，VT6),(VT5，VT2)相接，磁极位 置传感器跟踪转子与电动机转轴相连接。 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 关电路，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。随着转子的转动，位置传感器不断的送出信号，以改变电

19、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换流原理。 由于电子开关电路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换相器的换相作用。 因此，所谓无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关电路、永磁 同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统” 。其原理框图如图 2-2 所示。 2.1.2 无刷直流电机的工作原理 众所周知，一般的永磁式直流电动机的定子由永磁磁钢组成，其主要作用 是在电动机气隙中产生磁场，其电枢绕组通电后产生电枢磁场。由于电枢的换 向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直， 从而产生转矩

20、而驱动电动机不停地运转。无刷直流电动机为了实现无电刷换向， 首先把电枢绕组放在定子上，永磁磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机 的结构刚好相反。但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子上各绕 组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互 直流电源直流电源开关电路开关电路电动机电动机 位置传感器位置传感器 n 图 2-2 无刷直流电动机的原理框图 无刷直流电动机及其控制系统的研究 作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以，无刷直流电动机除了由 定子和转子组成电动机的本体以外，还要有位置传感器、控制电路以及功率开 关共同构成的换向装置，使得无刷直流电动机在运行

21、过程中定子绕组所产生的 磁场和转动中的转子磁钢所产生的永磁磁场，在空间始终保持在左右rad)2/( 的电角度。下面以图2-1和图2-3为例(两两导通、Y连接、三相六状态)加以简要 说明: 图2-3 永磁无刷直流电动机工作原理示意图 当转子永磁体位于图2-3a所示位置时，转子位置传感器输出磁极位置信号， 经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开关管、 导通，即绕组 1 VT 6 VT A、B通电，A进B出，电枢绕组在空间的合成磁势，如图2-3a所示。此时定转 a F 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:电源正极管 1 VT A相绕组B相绕组管电源负极。当转子转过600电角度，

22、到达图中2- 6 VT 3b位置时，位置传感器输出信号，经过逻辑变换后使开关管截至，导通， 6 VT 2 VT 此时仍导通。则绕组A、C通电，A进C出，电枢绕组在空间合成磁场如图2-3b 1 VT 中。此时定转子磁场相互作用使转子继续沿顺时针方向转动。电流流通路径 a F 为:电源正极管A相绕组C相绕组管电源负极，依次类推。当 1 VT 2 VT 转子继续沿顺时针每转过600电角度时，功率开关管的导通逻辑为 32VT VT ，则转子磁场始终受到定子合成磁场的作 43VT VT 54VT VT 65VT VT 16VT VT 无刷直流电动机及其控制系统的研究 用并沿顺时针方向连续转动。 在图2-

23、3a到b的600电角度范围内，转子磁场顺时针连续转动，而定子合成磁 场在空间保持图2-3a的的位置不动，只有当转子磁场转够600电角度到达图2- a F 3b中的位置时，定子合成磁场才从图2-3a中位置顺时针跃变至的位置。 f F a F f F 可见定子电流产生的磁场在空间不是连续旋转的磁场，而是一种跳跃式旋转磁 场，每个步进角为600电角度。 当转子每转过600电角度时，逆变器开关管之间进行一次换流，定子通电状 态就改变一次。可见，电机有6个状态，每一状态都是两两导通，每相绕组中流 过电流的时间相当于电角度1200。两两导通、Y连接、三相六状态无刷直流电动 机的三相绕组与各开关管导通顺序的

24、关系如表2.1。 表2.1 两两导通Y连接三相六状态时绕组合开关管导通顺序表 电角度电角度00 ABC导通导通 顺序顺序BCAB VT2 VT3 VT4 VT5 2.2 无刷直流电动机的运行特性 2.2.1 机械特性 无刷直流电动机的机械特性为： （1-1） UT-开关器件的管压降 Ia-电枢电流 VT1 VT6 600 1200180024003000 3600 无刷直流电动机及其控制系统的研究 Ce-电机的电动势常数 -每级磁通量 可见无刷直流电动机的机械特性与一般直流电动机的机械特性表达式相同， 机械特性较硬。在不同的供电电压驱动下，可以得到如 1-3 图所示机械特性曲 线簇。 图 1-

25、3 机械特性曲线簇 当转矩较大、转速较低时，流过开关管和电枢绕组的电流很大，这时，管 压降随着电流增大而增加较快，使在电枢绕组上的电压有所减小，因而图所示 的机械特性曲线会偏离直线，向下弯曲。 2.2.22.2.2 调节特性调节特性 无刷直流电动机的调节特性如图 1-4 所示。 图 1-4 调节特性 调节特性的始动电压和斜率分别为： （1-2） 无刷直流电动机及其控制系统的研究 （1-3） 从机械特性和调节特性可以看出，无刷直流电动机与一般直流电动机一样， 具有良好的调速控制性能，可以通过调节电源电压实现无级调速。但不能通过 调节励磁调速，因为永磁体的励磁磁场不可调。 2.2.32.2.3 工

26、作特性工作特性 电枢电流与输出转矩的关系、效率输出转矩的关系如图 1-5 所示。 图 1-5 工作特性 在输出额定转矩时,电机效率高、损耗低是无刷直流电动机的重要特点之一。 2.4 无刷直流电动机的转矩脉动 无刷直流电动机中存在的转矩脉动问题使它很难实现更精确的位置控制和 更高性能的转速控制，尤其是在直接驱动应用的场合，转矩脉动问题更为突出。 引起转矩脉动的因素很多，主要有以下几个方面： （1）齿槽效应引起的转矩脉动 在无刷直流电动机的任何电枢电流都不存在的情况下，当转子旋转时，由 于定子齿槽的存在，定子铁心磁阻的变化而产生的磁阻转矩，就是齿槽转矩。 齿槽转矩是交变的，与转子位置有关，因此它是

27、电动机本身空间和永磁励磁磁 场的函数。在电机制造上，将定子齿槽与永磁体斜一个齿距，或采用合理的分 数槽，可以使齿槽转矩减小到额定转矩的百分之一左右。 （2）谐波引起的转矩脉动 在无刷直流电动机中，恒定转矩主要是由基波磁链和基波电流相互作用产 生的，更高次的同次谐波间产生的恒定转矩可以忽略不计，不同次谐波磁链和 电流间不产生脉动转矩。但在实际电机中，输入定子绕组中的电流不可能是矩 形波，因为电机的电感限制了电流的变化率。反电动势的波形偏差越大，引起 的转矩脉动越大，另外，非理想的磁链波形对转矩脉动也有影响。 无刷直流电动机及其控制系统的研究 （3）电流换向引起的转矩脉动 电流换相也是引起转矩脉动

28、的主要原因之一，转矩脉动基本频率是电流频率 的6倍，也就是说，转矩脉动起决定作用的是6次谐波转矩，主要因为电流在每 周期内要进行6次换相。平均转矩随换相角而变化，换相角度越大，转矩脉动幅 值越大。特别，在低速区BLDC电机的脉动转矩会引起转速波动，将严重影响系 统的性能。 第第 3 章章 无刷直流电机的主电路的工作方式无刷直流电机的主电路的工作方式 目前，无刷直流电动机的电机本体大多采用三相对称绕组，由于三相绕组 既可以是星形连接，也可以是角形连接，同时功率逆变器又有桥式和非桥式两 种。因此，无刷直流电动机的主电路主要有星形连接三相半桥式、星形连接三 相桥式和角形连接三相桥式三种形式。 3.1

29、 星形连接三相半桥式主电路星形连接三相半桥式主电路 常见的三相半桥主电路如图 3.1 所示，图中，A、B、C 三相绕组分别与三 只功率开关管 VT1、VT2、VT3 串联，来自位置检测器的信号 H1、H2、H3 控 制三只开关管的通断。在三相主半桥电路中，位置信号有 1/3 周期为高电平、 2/3 周期为低电平，各传感器之间的相位差也是 1/3 周期，如图 3.2 所示。 图 3.1 三相半桥主电路 无刷直流电动机及其控制系统的研究 图 3.2 三相半桥主电路中位置传感器信号 当转子磁极转过图 3.3（a）所示的位置时，H1为高电平，H2、H3为低电平， 使功率开关 VT1 导通，A 相绕组通

30、电，该绕组电流同转子磁极作用后所产生的 转矩使转子沿顺时针方向转动。 当转子磁极转到图 3.3（b）所示的位置时，H2为高电平，H1、H3为低电平， 使功率开关 VT2 导通，A 相绕组断电，B 相绕组通电，电磁转矩仍使转子沿顺 时针方向转动。 当转子磁极转到图 3.3（c）所示的位置时，H3为高电平，H1、H2为低电平， 使功率开关 VT3 导通，B 相绕组断电，C 相绕组通电，转子继续沿顺时针方向 旋转，而后重新回到图 3.3（a）所示的位置。 图 3.3 电枢绕组通电与转子磁极的相对位置 这样，定子绕组在位置检测器的控制下，便一相一相地依次馈电，实现了 各相绕组电流的换相。在换相过程中，

31、定子各相绕组在气隙中所形成的旋转磁 场是跳跃式的，其旋转磁场在 360电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态 持续 120电角度。我们把这种工作方式叫做单相导通星形三相三状态。 无刷直流电动机及其控制系统的研究 三相半桥主电路虽然结构简单，但电机本体的利用律很低，每相绕组只通 电 1/3 周期 2/3 周期处于关断状态，绕组没有得到充分利用，在整个运行过程中 转矩脉动也比较大。 3.2 星形连接三相桥式主电路星形连接三相桥式主电路 图 3.4 所示是一种星形连接三相桥式主电路。图中，上桥臂三个开关管 VT1、VT3、VT5 是 P 沟道功率 MOSFET，栅极电位低电平时导通；下桥臂三 开关管

32、VT4、VT6、VT2 是 N 沟道功率 MOSFET，栅极电位高电平时导通。这 种逆变器电路利用 P 沟道 MOSFET 和 N 沟道 MOSERT 导通规律的互补性，简 化了功率开关管的驱动电路。位置检测的三个输出信号通过逻辑电路控制这些 开关管的导通和截止，其控制方式有两种：二二导通方式和三三导通方式。 1二二导通方式 二二导通方式是指在任一瞬间使两个开关管同时导通。这种工作方式就是 两相导通星形三相六状态方式，下面根据反电动势和电磁转矩的概念来分析其 导通规律及特点。 图 3.4 星形连接三相桥式主电路 电机的瞬时电磁转矩可由电枢绕组的电磁功率求得： （3.1） 式中、A、B、C 三相

33、绕组的反电动势。 、A、B、C 三相绕组的电流。 转子的机械角速度。 可见，电磁转矩取决于反电动势的大小。在一定的转速下，如果电流一定， 反电动势越大，转矩就越大。 无刷直流电动机及其控制系统的研究 图 3.5 三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式下的导通规律 图 3.5 给出了无刷直流电动机三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式 下的开关管导通规律。为了使电机获得最大转矩，在二二导通方式下，开关管 的导通顺序应为： VT1、VT2VT2、VT3VT3、VT4VT4、VT5VT5、VT6VT6、VT1 。在这种工作方式下，每个电周期共有六种导通状态，每隔 60电角度工作状 态改变一次，每个开

34、关管导通 120电角度。 由此可见，如果忽略换相过程的影响，当梯形波反电动势的平顶宽度大于 等于 120电角度时，电机的转矩脉动为 0。因此，无刷直流电动机在设计时， 应尽量增大磁极的极弧系数，以获得足够宽的磁密分布波形，从而得到平顶部 分较宽的反电动势波形。 同时，如果假定电流为平顶波，电机工作在两相导通星形三相六状态方式 时，总的电磁转矩是每相电磁转矩的两倍。 如果假定气隙磁密在空间呈正弦分布，容易根据相量图得出此时合成电磁 转矩是每相电磁转矩的倍的结论。必须指出，这个结论对于无刷直流电动机 来说并不准确，但可用于逆变器工作方式的定性分析。 2三三导通方式 三三导通方式是在任一瞬间使三个开

35、关管同时导通，各开关管导通顺序为： VT1、VT2、VT3VT2、VT3、VT4VT3、VT4、VT5VT4、VT5、VT6 VT5、VT6、VT1VT6、VT1、VT2，如图 3.6 所示。由此可见，三三导通 方式也有六种导通状态，同时也是每隔 60改变一次导通状态，每改变一次工 作状态换相一次，但是每个开关管导通 180，导通时间增加了。 无刷直流电动机及其控制系统的研究 图 3.6 三相绕组的反电动势波形及其三三导通方式下的导通规律 当 VT1、VT2、VT3 导通是，电流的路线为：电源VT1、VT3A 相绕 组和 B 相绕组C 相绕组VT2地。其中 A 相 B 相相当与并联。如果假定

36、C 相绕组的电流为 I，则 A、B 相绕组的电流分别为 I/2 ，可以求得电枢绕组产 生的总的电磁转矩约为每单相转矩的两倍。 在三三导通方式下，各相绕组不是在反电动势波的平顶部分换相，而是在 反电动势的过零点换相。因此，在电枢电流和转速相同的情况下，三三导通方 式下平均电磁转矩比二二导通方式下要小，同时瞬时电磁转矩还存在脉动。如 果假定气隙磁密在空间呈正弦分布，则合成电磁转矩是单相电磁转矩的 1.5 倍。 比较两种通电方式可见：在二二通电方式下，每个管子均有 60的电角度 的不导通时间，不可能发生直通短路故障。而在三三通电方式下，因每个管子 导通时间为 180电角度，一个管子的导通和关断稍有延

37、迟，就会发生直通短 路，导致开关器件损坏。并且，两相导通三相六状态工作方式很好地利用了方 波气隙磁场的平顶部分，是电机出力大，转矩平稳性好。所以两相导通三相六 状态工作方式最为常见。 3.3 角形连接三相桥式主电路角形连接三相桥式主电路 图 3.7 所示的角形连接三相桥式主电路的开关管也采用功率 MOSFET。与 星形连接一样，角形连接的控制方式也有二二导通和三三导通两种。 无刷直流电动机及其控制系统的研究 图 3.7 三角形连接三相桥式主电路 1二二导通方式 三相角形连接二二导通方式的开关管导通顺序为： VT1、VT2VT2、VT3VT3、VT4VT4、VT5VT5、VT6VT6、VT1 ，

38、如图 3.8 所示。 图 3.8 电枢绕组的反电动势波形及其角形连接二二导通方式的导通规律 当 VT1、VT2 导通时，电流的路线为：电源VT1A 相绕组、B 相绕组 和 C 相绕组VT2地。其中 B 相与 C 相串联，在与 A 并联。如果 A 相绕组 中的电流为 I，则 B、C 两相绕组中的电流约为 I/2，总电磁转矩约为单相电磁 转矩的两倍。但各相绕组在反电动势的过零点导通，在反电动势平顶波部分关 断，瞬时电磁转矩存在脉动。 如果假定气隙磁密在空间呈正弦分布，则容易得出此时合成电磁转矩约为 单相电磁转矩的 1.5 倍。可见，角形连接二二导通方式下无刷直流电动机的工 作情况与星形连接三三导通

39、是情况相似。 2三三导通方式 无刷直流电动机及其控制系统的研究 三相角形连接三三导通方式的各开关管导通顺序为： VT1、VT2、VT3VT2、VT3、VT4VT3、VT4、VT5VT4、VT5、VT6 VT5、VT6、VT1VT6、VT1、VT2，如图 3.9 所示。 图 3.9 电枢绕组的反电动势波形及其角形连接三三导通方式的导通规律 当 VT1、VT2、VT3 导通时，电流的路径为：电源VT1、VT3A 相绕 组 B 相绕组VT2地。A、B 两相绕组并联，流经 A、B 两相的电流大小相 同。因此，总的电磁转矩为单相电磁转矩的两倍。 如果假定气隙磁密在空间呈正弦分布，容易得出此时合成电磁转矩

40、为单相 电磁转矩的倍。 所以角形连接三三导通方式下无刷直流电动机的工作情况与星形连接二二 导通时情况相似。所不同的是，在星形连接二二通电方式下，两通电绕组为串 联；而三角形连接三三通电时，两相绕组为并联。 第四章 无刷直流电机的控制策略 3.1 无刷直流电机的控制策略 控制策略指电动机运行是对哪些参数进行控制，如何进行控制使电动机达 到规定的运行状况（如规定的转速、转矩），并使电动机保持较高的性能指标 （如效率、温升等）。本节给出了无刷直流电动机控制的基本策略，包括无刷 直流电动机的转速调节、正反转控制及 PWM 波控制。 3.2.13.2.1 无刷直流电机的无刷直流电机的 DSPDSP 控制

41、系统控制系统 我们知道，在两两导通的情况下无刷直流电机的转矩基本上和相电流成正 比。由这个结论可以得到以下的 BLDCM 的控制方案： 无刷直流电动机及其控制系统的研究 图 3-13 无刷直流电机的 DSP 控制系统 在本系统中，三个霍尔传感器的信号分别连接到 DSP56F803 的 PHASEA0、PHASEB0 和 INDEX0 端口。系统根据检测到的位置信号情况判断电机 处于哪个区间，并根据两次捕获的时间差计算出电机运行速度。此速度作为速 度参考值的负反馈，然后经过转速 PI 调节后，得到参考电流 。另外，由霍尔电流传感器可以得到相电流信号，此信号作为 的负反馈，经过电流 PI 调节后，

42、调节 PWM 输出的占空比，这样可以根据 电机运行情况而调节逆变器 IGBT 管的导通时间，使电机的速度满足设定的要求。 为了获得良好的静动态性能，两调节器一般采用 PI 调节器，并且两个调 节器的输出都是带限幅的。转速调节器的输出限幅决定了电流调节器给定电流 的最大值，电流调节器的输出限幅限制了功率管输出电压的最大值。 3.2.23.2.2 转速和电流调节转速和电流调节 本设计中，我们采用了双闭环调速系统，即对转速和电流都进行 PI 调节。 其中，转速环作为外环，电流环作为内环。 （1） 转速 PI 调节 转速调节器是整个系统的外环，它使转速随给定转速变化,静态无误差，并 且其输出限幅为允许

43、的最大限幅，对负载的变化起抗干扰能力。本系统通过键 盘设定电机给定速度。速度反馈信号与给定的速度信号相减得到速度误差，经 过一个简单的 PI 算法即可得到新的电流参考值： （式 3-1） （式 3-2） 无刷直流电动机及其控制系统的研究 其中-速度调节器的输出 -为转速环比例系数； -为转速环积分系数。 在这里有两参数需要调节，它们是和。要想获得良好的动态性能必 须适当的选择各参数的数值。另外，为了防止数值溢出或太高的电流输出，速 度误差的大小通常设定在一定的范围内。 （2）电流 PI 调整 电流调节器使电流在速度调节中跟随给定转速变化，起动时获得最大的允 许电流，过载时限制电枢电流最大值，同

44、时对电网电压起抗干扰能力。其实整 个电流调整过程也就是 PWM 输出信号的变化过程，通过调整 PWM 信号的占 空比就可以调整电流的平均值。PWM 波的脉冲宽度由参考电流与检测电流之 间的误差决定，调整过程如下： （式 3-3） （式 3-4） 其中 -为电流反馈测量值。 -为电流环比例系数； -为电流环积分系数； 经过一个 PI 调节器产生一定的 PWM 波。电流误差的大小正负决 定了 PWM 波脉宽的变化。当等于零时，PWM 的脉宽不变；当过大即参 考电流大于实际电流很多，则计算所得的 PWM 脉宽可能超过 PWM 周期，就令 PWM 的脉宽为整个周期，此时输出最宽的 PWM 波，最快的增

45、大转速；当过 小（为负值）即参考电流小于实际电流很多，可能使 PWM 脉宽小于零，则令 PWM 的脉宽为零，此时以较快的速度降低转速。在本设计中，转速环和电流环 的参数和是先根据实际经验初步给定，再经过反复实验确定出的。 无刷直流电动机及其控制系统的研究 3.2.3 PWM 波控制策略 本系统采用 PWM 波控制方式，通过调整 PWM 波的占空比调节绕组电压 平均值，进而能间接限制和调节绕组电流的大小，实现转速的调节。在这里 PWM 波频率是固定的，其占空比根据电流误差得到，因而在这种情况下电流 与电流的变化率都是可控的。 本系统逆变器为三相全控电路，采用两两通电方式，任意时刻上下管都各 有一

46、个导通，所以 PWM 只需控制下桥臂（或上桥臂）的三只功率管的导通即可。 PWM 波频率越高，斩波得到的平均电压越均匀，电流的脉动越小，但频率的 提高却使电路损耗增大，对功率管的要求也越高，所以 PWM 频率应根据实际选择合适的 范围。本系统 PWM 频率设定为 5kHz 左右，实验证明，运行效果良好，噪声较低。 3.2.43.2.4 无刷直流电机的正反转控制无刷直流电机的正反转控制 在一般直流电动机运行过程中，只要改变磁场方向或改变电枢电压的极性， 均可改变其转向。但这些方法均不能适用于无刷直流电动机，因为无刷直流电 动机的磁通量由永磁钢产生，无法改变方向。由于半导体的单向导通性，电源 电压

47、反接很不方便，在这种情况下，可以通过控制定子绕组的换相次序来改变 其转动方向。换向控制表如下： 表 3-1 无刷直流电机换向控制表 HALL INPUTSINPUTS HIGH SIDE OUTPUTS LOW SIDE OUTPUTS D D / / R R HaHbHcUVWUVW 1101100010 1100100001 1110010001 1010010100 1011001100 1001001010 0101010100 无刷直流电动机及其控制系统的研究 0001010001 0011100001 0010100010 0110001010 0100001100 第四章 基于直

48、接转矩的无刷直流电机控制仿真 4.1 无刷直流电动机 id=0 控制 4.1.1 仿真模型介绍 矢量控制的 PMSM 位置伺服系统一般由电流环、速度环及位置环构成，各 环节性能的最优化是整个伺服系统高性能的基础，而外环性能的发挥依赖于系 统内环的优化，尤其是电流环，它是高性能 PMSM 位置伺服系统构成的根本， 其动态响应特性直接关系到矢量控制策略的实现，也直接影响整个系统的动态 性能。系统中必须有快速的电流环以保证定转子电流对矢量控制指令的准确跟 踪，这样才能在电机模型中将定转子电压方程略去，或仅用小惯性环节替代， 达到矢量控制的目的。根据矢量控制方式，可以给出在这种控制方式下 PMSM 矢

49、量控制系统原理图，如图 3-1 所示。 PI PMSM * 0 d i dq 电压源型逆 变器 abc 电流调节 器（滞环 电流） * q i * , ,a b c i , ,a b c i 三相电 流测量 e e * e e d dt 速度调节器 坐标转换 转子位置角 参考转速 实 际 转 速 图 3-1 PMSM 矢量控制系统原理 无刷直流电动机及其控制系统的研究 应用 MATLAB/Simulink 与电气传动仿真的电气系统模块库 Powerlib 建立 了基于滞环电流跟踪控制的 PMSM 仿真结构图，如图 3-2 所示。转速调节器为 PI 调节器；速度给定值 ref与实际电角速度 相比较后经转速调节器，输出为 交轴电流参考值 iqref，直轴电流给定值 idref=0。iqref、idref经 dq/abc 坐标变换得到 三相电流给定值 iaref、ibref、icref，相电流参考信号与相电流反馈信号进行比较， 经过电流调节器和 PWM 逆变器，产生电机控制三相电压。 图 3-2 PMSM 位置伺服系统矢量控制仿真结构图 4.1.2 模块介绍 1.PI