（車輛工程專業(yè)論文）混合動(dòng)力電動(dòng)轎車用基于dsp的無刷直流電機(jī)控制方式研究.pdf

摘要 摘要 從節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境出發(fā)，電動(dòng)汽車將成為車輛更新?lián)Q代的發(fā)展方向。 純電動(dòng)汽車雖然能做到“ 零排放” 、 無污染， 但受蓄電池技術(shù)的制約， 一 次充電 后的續(xù)駛里程較短，目 前尚不能實(shí)用。混合動(dòng)力電動(dòng)汽車擁有電機(jī)驅(qū)動(dòng)和內(nèi)燃 機(jī)驅(qū)動(dòng)，不但性能優(yōu)越，而月 ， 降低排放，減少污染，這是目前既現(xiàn)實(shí)又迫切的 環(huán)保車輛。 混合動(dòng)力電動(dòng)轎車是在較小的空間配置雙驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，不僅要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)體積小、重量輕，而且要求電機(jī)既能作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也能作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，特 別在車輛減速制動(dòng)時(shí)， 即使轉(zhuǎn)速較低， 也希望電機(jī)的發(fā)電電壓高于蓄電池電壓. 給蓄電池充電。這是目 前混合動(dòng)力電動(dòng)轎車的一個(gè)前沿課題，也是一個(gè)需要突 破的難點(diǎn)。 本文就是針對混合動(dòng)力電動(dòng)轎車用無刷直流電 機(jī)馭動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行基于d s p 數(shù) 字控制方式的研究。 設(shè)計(jì)了基于d s p數(shù)字控制方式的集電動(dòng)、 發(fā)電于一體的混 合動(dòng)力轎車用稀上永磁無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng);給出在控制電路硬件不變的 基礎(chǔ)上， 通過軟件來解決電動(dòng)和發(fā)電運(yùn)行的控制思路; 實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)， 其發(fā)電電壓高于蓄電池電壓，給蓄電池充電的功能; 詳細(xì)闡述了控制系統(tǒng)總體 方案設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了試制、調(diào)試及試驗(yàn)，取得了滿意的 結(jié)果。 然后，作者還設(shè)計(jì)了基于專用集成芯片的小功率稀土永磁無刷直流電機(jī)的 調(diào)速控制系統(tǒng)，進(jìn)行了試制、調(diào)試及試驗(yàn)，可適用于其它小功率輔助電機(jī)的控 制。 最后，作者分析了課題研究中存在的一些不足，并提出了改進(jìn)意見。 關(guān)鍵詞:稀土永磁 電動(dòng)機(jī) 無刷直流電機(jī) 發(fā)電機(jī) 數(shù)早信號處理器 ( d s p ) 混合動(dòng)力電動(dòng)轎車 ah s va c t ab s t r a c t t o s a v e e n e r g y s o u r c e s a n d p r o t e c t e n v i r o n m e n t , e l e c t r ic v e h i c l e s h o u l d b e t h e d e v e l o p m e n t d i r e c t i o n i n s t e a d o f t r a d i t i o n a l v e h i c l e . p u r e e l e c t r i c v e h i c l e c a n a c h i e v e n o e x h a u s t g a s a n d n o p o l l u t i o n , b u t i t s c o n t i n u o u s j o u r n e y i s s h o r t d u e t o t e c h n i c a l l im i t o f t h e s t o r a g e b a tt e ry . p u r e e l e c t r ic v e h i c l e c a n n o t b e u s e d n o w . h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e ( h e v ) h a s m o t o r a n d g a s e n g i n e d r i v e . h e v i s p r a c t i c a l a n d e x i g e n t v e h i c l e o w i n g t o it s p r e d o m i n a n t p e r f o r m a n c e , s m a l l e x h a u s t g a s a n d p o l l u t i o n . t h e h e v f i x t w o d r i v e s y s t e m s i n s m a ll e r s p a c e . mo t o r d r i v e s y s t e m i s r e q u i re d t o n o t o n l y p o s s e s s s m al l v o l u m e a n d l i g h t w e i g h t , b u t a l s o a c h i e v e p e r f o rma n c e o f e l e c t r o m o t o r a n d g e n e r a t o r . e s p e c i al l y w h e n t h e h e v a p p l i e s t h e b r a k e , i n o r d e r t o e n e r g iz e t h e s t o r a g e b a tt e ry , i t i s e x p e c te d t h a t v o l t a g e b r o u g h t b y g e n e r a t o r i s h i g h e r t h a n v o lt a g e o f t h e s t o r a g e b a tt e ry e v e n i f s p e e d o f g e n e r a t o r i s s l o w e r . a t p r e s e n t , t h i s i s a n e w q u e s t i o n f o r d i s c u s s i o n a n d c h a l l e n g e t o t h e h v c . b r u s h l e s s d i r e c t c u r r e n t m o t o r d r i v e s y s t e m b a s e d o n d s p i n t h e h v c i s r e s e a r c h e d b y d i g i t a l c o n t r o l m a n n e r i n t h e p a p e r . i n t e g r a t i n g e l e c t r o m o t o r a n d g e n e r a t o r , a r a r e e a r t h p e r m a n e n t m a g n e t b r u s h l e s s d i r e c t c u r r e n t m o t o r ( r e p m b l d c m ) c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n d s p i n t h e h v c i s s t u d i e d . t h e s o ft w a re c o n t r o l t h o u g h t a c h i e v i n g p e r f o r m a n c e o f e l e c t r o m o t o r a n d g e n e r a t o r i s g i v e n o n c o n d i t i o n t h a t t h e h a r d w a r e o f c o n t rol c i r c u i t i s n o t c h a n g e d . i t i s r e a l iz e d t h a t v o l ta g e b r o u g h t b y g e n e r a t o r i s h i g h e r t h a n v o l t a g e o f t h e s t o r a g e b a tt e r y e v e n t h o u g h s p e e d o f g e n e r a t o r i s s l o w e r . t h e o v e r al l p r o j e c t d e s i g n , h a r d w a r e a n d s o f t w a r e d e s i g n o f t h e c o n t r o l s y s t e m a r e p r e s e n t e d p a r ti c u l a r l y . t h e d e s i g n s c h e m e o f t h e p a p e r i s t e s t e d a n d t h e s a m p l e h as b e e n m a n u f a c t u r e d . t h e s a t i s f a c t o ry r e s u l t i s s h o w n妙 t h e p r o t o t y p e t r i al s . a ft e r w a r d s , v e l o c i t y a d j u s t m e n t c o n t r o l s y s t e m o f r e p m b l d c m b as e d o n s p e c i al i n t e g r a t e d c i r c u i t i s r e s e a r c h e d . t h e d e s i g n s c h e m e i s t e s t e d a n d t h e s a m p l e h a s b e e n m a n u f a c t u r e d . t h e s a t i s f a c t o ry r e s u l t i s s h o w n b y t h e p ro t o t y p e t r i al s . t h e c o n t r o l s y s t e m i s u s e d m a i n l y i n s m al l p o w e r a c c e s s o r i al e l e c t r o m o t o r c o n t r o l . f i n al l y , s h o r t a g e i n p r o j e c t r e s e a r c h i s a n a ly z e d a n d s u g g e s t io n i s g i v e n . k e y w o r d s : rep m el e c t r o mo t o r bl dcm d i g i t al s i g n a l s p r o c e s s o r ( d s p ) h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e ( h e v ) 西北工業(yè)人學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 1 . 1研究背景 . l 開發(fā)電動(dòng)汽車的必要性 汽車問世以來， 汽車己成為人們生產(chǎn)和生活中不可缺少的工具， 成為現(xiàn)代社 會(huì)文明的重要組成部分。 在汽車發(fā)展的過程中， 伴生的兩個(gè)主要問題 環(huán)保 和能源。 汽車保有量高和使用集中的大城市， 汽車噪聲和尾氣排放對城市環(huán)境己造 成嚴(yán)重污染，對生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅。據(jù)環(huán)保部門提供的資料，城市空氣中 污染物的污染源6 0 % 以上來自 交通運(yùn)輸車輛的排放。 汽車排放的廢氣中 含有氮 氧化物，一氧化碳，二氧化碳及碳?xì)浠衔锏扔泻怏w。1 9 8 1 年，美國一些研 究機(jī)構(gòu)證明，這些廢氣是有毒的致癌物質(zhì)。 據(jù)有關(guān)研究報(bào)告估計(jì)， 大氣污染在美國 造成的經(jīng)濟(jì)損失每年約2 2 9 0 億美元。 我國汽車的總量及人均擁有量與發(fā)達(dá)國家相比有很大的差距， 但汽車排放造成的 大氣污染己 不容忽視。目 前， 我國汽車保有量己 達(dá)1 7 0 0 多萬輛， 隨著轎車進(jìn)入 家庭的啟動(dòng)和升溫，我國的汽車保有量將會(huì)急增。 根據(jù)2 0 0 1 年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)， 世界汽車產(chǎn)量約為5 5 7 7 萬輛， 就我國而言， 2 0 0 2 年的汽車產(chǎn)量也超過了3 0 0萬輛。 作為汽車的能源，目 前仍主要依賴于石油產(chǎn) 品。根據(jù)專家預(yù)測，按照目 前的石油開采量，世界石油已勘查的儲藏量只能使 用 7 9 年。 因此從節(jié)約資源， 保護(hù)環(huán)境，降低汽車污染物的排放量，以綠色環(huán)保汽車 代替燃油汽車也是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，成為世界共同關(guān)注的問題。 電動(dòng)汽車是融合了電力、電子、機(jī)械控制以及化工技術(shù)等多種高新技術(shù)的 綜合產(chǎn)品，是2 1 世紀(jì)清潔有效的城市交通工具。 它以電力為動(dòng)力， 解除了人們 對石油資源日 漸枯竭的擔(dān)心，作為清潔、節(jié)能的新型交通工具，電動(dòng)車具有無 與 倫比的優(yōu)勢，是唯一 可以做到“ 零排放” 的車輛，它在行駛過程中沒有污染， 熱輻射低，噪音小，不消耗汽油，可應(yīng)用多種能源，結(jié)構(gòu)簡單，使用維修方便， 因此受到世界各國的歡迎。 電動(dòng)汽車必然成為運(yùn)輸車輛更新?lián)Q代的方向電動(dòng)汽車的推廠使用也是當(dāng) i 西北工業(yè)人學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 1 . 1研究背景 . l 開發(fā)電動(dòng)汽車的必要性 汽車問世以來， 汽車己成為人們生產(chǎn)和生活中不可缺少的工具， 成為現(xiàn)代社 會(huì)文明的重要組成部分。 在汽車發(fā)展的過程中， 伴生的兩個(gè)主要問題 環(huán)保 和能源。 汽車保有量高和使用集中的大城市， 汽車噪聲和尾氣排放對城市環(huán)境己造 成嚴(yán)重污染，對生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅。據(jù)環(huán)保部門提供的資料，城市空氣中 污染物的污染源6 0 % 以上來自 交通運(yùn)輸車輛的排放。 汽車排放的廢氣中 含有氮 氧化物，一氧化碳，二氧化碳及碳?xì)浠衔锏扔泻怏w。1 9 8 1 年，美國一些研 究機(jī)構(gòu)證明，這些廢氣是有毒的致癌物質(zhì)。 據(jù)有關(guān)研究報(bào)告估計(jì)， 大氣污染在美國 造成的經(jīng)濟(jì)損失每年約2 2 9 0 億美元。 我國汽車的總量及人均擁有量與發(fā)達(dá)國家相比有很大的差距， 但汽車排放造成的 大氣污染己 不容忽視。目 前， 我國汽車保有量己 達(dá)1 7 0 0 多萬輛， 隨著轎車進(jìn)入 家庭的啟動(dòng)和升溫，我國的汽車保有量將會(huì)急增。 根據(jù)2 0 0 1 年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)， 世界汽車產(chǎn)量約為5 5 7 7 萬輛， 就我國而言， 2 0 0 2 年的汽車產(chǎn)量也超過了3 0 0萬輛。 作為汽車的能源，目 前仍主要依賴于石油產(chǎn) 品。根據(jù)專家預(yù)測，按照目 前的石油開采量，世界石油已勘查的儲藏量只能使 用 7 9 年。 因此從節(jié)約資源， 保護(hù)環(huán)境，降低汽車污染物的排放量，以綠色環(huán)保汽車 代替燃油汽車也是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，成為世界共同關(guān)注的問題。 電動(dòng)汽車是融合了電力、電子、機(jī)械控制以及化工技術(shù)等多種高新技術(shù)的 綜合產(chǎn)品，是2 1 世紀(jì)清潔有效的城市交通工具。 它以電力為動(dòng)力， 解除了人們 對石油資源日 漸枯竭的擔(dān)心，作為清潔、節(jié)能的新型交通工具，電動(dòng)車具有無 與 倫比的優(yōu)勢，是唯一 可以做到“ 零排放” 的車輛，它在行駛過程中沒有污染， 熱輻射低，噪音小，不消耗汽油，可應(yīng)用多種能源，結(jié)構(gòu)簡單，使用維修方便， 因此受到世界各國的歡迎。 電動(dòng)汽車必然成為運(yùn)輸車輛更新?lián)Q代的方向電動(dòng)汽車的推廠使用也是當(dāng) i 第一章 緒論 代車輛運(yùn)輸?shù)挠忠淮沃卮蟾母?。世界發(fā)達(dá)國家都在紛紛開發(fā)研制，我國政府也 將電動(dòng)汽車的發(fā)展作為我國科技攻關(guān)的主要項(xiàng)目之一。 目 前人們所說的電動(dòng)汽車主要有三種類型，一是混合動(dòng)力汽車，這種車的 排放比 傳統(tǒng)汽車低得多;二 是純電 動(dòng)汽車，一般用蓄電池供電;三是燃料電 池 汽車，也就是通過氫、氧的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力。 這三種電動(dòng)汽車各有各的優(yōu)勢。目前，電動(dòng)與燃料混合車是最有可能取得 突破、投入生產(chǎn)和投入實(shí)際使用的，盡管它對環(huán)境的污染還不是零;純電動(dòng)汽 車礙于目 前電池技術(shù)瓶頸， 續(xù)駛里程很有限， 除非電池技術(shù)得到突破性的發(fā)展， 否則不太可能得到實(shí)際應(yīng)用:燃料電池汽車很有前途，并且對環(huán)境沒有任何污 染，但目前離實(shí)際應(yīng)用還是很有一段距離。 1 . 1 .2電動(dòng)汽車國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1 . 國外電動(dòng)汽車發(fā)展概況:在美國、日 本、歐洲等發(fā)達(dá)國家，電動(dòng)汽車己 開始進(jìn)入實(shí)用化階段。由于高新技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)和政府對汽車排放越來越苛刻 的要求，各大汽車公司投入了大量的人力、物力和財(cái)力用于電動(dòng)汽車開發(fā)，不 斷推出自己的新產(chǎn)品。 2 . 國內(nèi)電動(dòng)汽車發(fā)展概況:國內(nèi)電 動(dòng)汽車的 研究始于2 0 世紀(jì)6 0 年代， 但 當(dāng)時(shí)的研究開發(fā)都是零散和小規(guī)模的， 投入也很少。自1 9 8 0 年開始， 我國開始 掀起電動(dòng)汽車的研究高潮，電動(dòng)汽車被國家列為 “ 八五” 、“ 九五”科技攻關(guān)項(xiàng) 目。 國內(nèi)一些科研院所和生產(chǎn)企業(yè)相繼開始研究電動(dòng)汽車， 并取得了一些成果。 但與國外先進(jìn)電動(dòng)汽車相比還有一定差距。另外國家還建立電動(dòng)汽車試驗(yàn)場和 示范區(qū)。近幾年我國電動(dòng)汽車的研究開發(fā)工作進(jìn)入了全面發(fā)展階段，電動(dòng)汽車 市場己 初露端倪。 為此科技部在“ 十五”國 家8 6 3 計(jì)劃， 提出中央財(cái)政撥款8 . 8 個(gè)億，特別設(shè)立電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)，選擇新一 代電動(dòng)汽車技術(shù)作為我國汽車科 技創(chuàng)新的主攻方向，組織企業(yè)、高等院校和科研機(jī)構(gòu)，以 官、產(chǎn)、學(xué)、 研四位 一體的方式，聯(lián)合攻關(guān)。 國內(nèi)電動(dòng)汽車研究的整體水平不高， 特別在電 動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)上。 但我 們與世界的差距尚未完全拉開，還沒有形成像傳統(tǒng)燃油汽車與國際先進(jìn)水平差 距那么大， 我們應(yīng)該抓住電動(dòng)汽車發(fā)展的大好時(shí)機(jī)，改變我國汽車工業(yè)落后的 局面。本淪文就在此背景下 進(jìn)行選題并開展研究。 第一章 緒論 代車輛運(yùn)輸?shù)挠忠淮沃卮蟾母?。世界發(fā)達(dá)國家都在紛紛開發(fā)研制，我國政府也 將電動(dòng)汽車的發(fā)展作為我國科技攻關(guān)的主要項(xiàng)目之一。 目 前人們所說的電動(dòng)汽車主要有三種類型，一是混合動(dòng)力汽車，這種車的 排放比 傳統(tǒng)汽車低得多;二 是純電 動(dòng)汽車，一般用蓄電池供電;三是燃料電 池 汽車，也就是通過氫、氧的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力。 這三種電動(dòng)汽車各有各的優(yōu)勢。目前，電動(dòng)與燃料混合車是最有可能取得 突破、投入生產(chǎn)和投入實(shí)際使用的，盡管它對環(huán)境的污染還不是零;純電動(dòng)汽 車礙于目 前電池技術(shù)瓶頸， 續(xù)駛里程很有限， 除非電池技術(shù)得到突破性的發(fā)展， 否則不太可能得到實(shí)際應(yīng)用:燃料電池汽車很有前途，并且對環(huán)境沒有任何污 染，但目前離實(shí)際應(yīng)用還是很有一段距離。 1 . 1 .2電動(dòng)汽車國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1 . 國外電動(dòng)汽車發(fā)展概況:在美國、日 本、歐洲等發(fā)達(dá)國家，電動(dòng)汽車己 開始進(jìn)入實(shí)用化階段。由于高新技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)和政府對汽車排放越來越苛刻 的要求，各大汽車公司投入了大量的人力、物力和財(cái)力用于電動(dòng)汽車開發(fā)，不 斷推出自己的新產(chǎn)品。 2 . 國內(nèi)電動(dòng)汽車發(fā)展概況:國內(nèi)電 動(dòng)汽車的 研究始于2 0 世紀(jì)6 0 年代， 但 當(dāng)時(shí)的研究開發(fā)都是零散和小規(guī)模的， 投入也很少。自1 9 8 0 年開始， 我國開始 掀起電動(dòng)汽車的研究高潮，電動(dòng)汽車被國家列為 “ 八五” 、“ 九五”科技攻關(guān)項(xiàng) 目。 國內(nèi)一些科研院所和生產(chǎn)企業(yè)相繼開始研究電動(dòng)汽車， 并取得了一些成果。 但與國外先進(jìn)電動(dòng)汽車相比還有一定差距。另外國家還建立電動(dòng)汽車試驗(yàn)場和 示范區(qū)。近幾年我國電動(dòng)汽車的研究開發(fā)工作進(jìn)入了全面發(fā)展階段，電動(dòng)汽車 市場己 初露端倪。 為此科技部在“ 十五”國 家8 6 3 計(jì)劃， 提出中央財(cái)政撥款8 . 8 個(gè)億，特別設(shè)立電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)，選擇新一 代電動(dòng)汽車技術(shù)作為我國汽車科 技創(chuàng)新的主攻方向，組織企業(yè)、高等院校和科研機(jī)構(gòu)，以 官、產(chǎn)、學(xué)、 研四位 一體的方式，聯(lián)合攻關(guān)。 國內(nèi)電動(dòng)汽車研究的整體水平不高， 特別在電 動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)上。 但我 們與世界的差距尚未完全拉開，還沒有形成像傳統(tǒng)燃油汽車與國際先進(jìn)水平差 距那么大， 我們應(yīng)該抓住電動(dòng)汽車發(fā)展的大好時(shí)機(jī)，改變我國汽車工業(yè)落后的 局面。本淪文就在此背景下 進(jìn)行選題并開展研究。 西北工業(yè)大學(xué)碩十學(xué)位論文 1 . 1 .3 電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù) 電動(dòng)汽車是集機(jī)、 光、電、 化于一體的綜合技術(shù)產(chǎn)品，它需要汽車、 機(jī)械、 電力、化工、冶金、微電子、自動(dòng)控制等多種技術(shù)協(xié)同合作，電動(dòng)汽車高新技 術(shù)含量高，難度大。 電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)包括: 整車技術(shù) 、 新型電源技術(shù)和電機(jī)與電控技 術(shù)。電機(jī)及其控制技術(shù)是電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的核心。 1 . 1 .4稀土永磁無刷直流電機(jī)的特點(diǎn) 直流電機(jī)具有運(yùn)行效率高和調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)的直流電機(jī)均 采用電刷，以機(jī)械方法進(jìn)行換向，因而帶來了噪聲、火花、無線電干擾以及壽 命短等致命弱點(diǎn)，再加上維修困難，從而大大地限制了它的應(yīng)用范圍。而無刷 直流電機(jī)則既具備交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)， 又具備有刷直流電機(jī)的運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好等諸多特點(diǎn)，因此無刷直流電 機(jī)得到廣泛的應(yīng)用。 隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，新技術(shù)新材料的不斷涌現(xiàn)，更 促進(jìn)了電機(jī)產(chǎn)品的不斷推陳出新。 在上個(gè)世紀(jì)3 0 年代， 就已經(jīng)有人針對傳統(tǒng)有 刷直流電 機(jī)的 弊病開始 研究以電 子換向 來代替電 刷機(jī) 械換向 的無刷直流電 機(jī)， 并取得了一定成果。 進(jìn)入上個(gè)世紀(jì)7 0 年代以來， 隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展， 許多新型的高性能半導(dǎo)體功率器件，如 g t r , m o s f e t , i g b t等相繼出 現(xiàn)， 以及高性能永磁材料，如衫鉆、欽鐵硼等的問世，為無刷直流電機(jī)的廣泛應(yīng)用 奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 稀上永磁無刷直流電 機(jī)采用稀土永磁代替電 勵(lì)磁，采用電子換向 代替機(jī)械 換向，具備體積小、重量輕、動(dòng)態(tài)性能好、出力大、設(shè)計(jì)簡便等特點(diǎn)，故用途 更為廣泛，特別適合于對性能、體積重量要求較高的場合，如航空、航天、電 動(dòng)汽車、精密電子儀器與設(shè)備、工業(yè)自 動(dòng)化和現(xiàn)代家用電 器等領(lǐng)域。 電動(dòng)汽車是當(dāng)前汽車發(fā)展的新方向，而電機(jī)是電動(dòng)汽車的心臟，稀土永磁 無刷直流電機(jī)以其體積小、效率高、性能優(yōu)異而成為各國研制新一代電動(dòng)汽車 的首選方案。 1 .2 論文的主要內(nèi)容 第一章 緒論 1 . 2 . 1 混合動(dòng)力 轎車用基于d s p 的無刷直流電 機(jī)控制系統(tǒng)總體方案 論文的主要工作:根據(jù)混合動(dòng)力電動(dòng)轎車的技術(shù)要求，研制出基于d s p 數(shù) 字控制方式的集電動(dòng)、發(fā)電于一體的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)的總體方案包括閉環(huán)控制技術(shù)、控制策略及其實(shí)現(xiàn)方法。該階段 的工作主要包括: 1 ， 系統(tǒng)總體方案的論證:廣泛查閱國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)資料，研究了各型 d s p 控制器芯片的不同特性以及稀土永磁無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制技術(shù)、控 制策略， 并對基于d s p 控制器的稀土永磁無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的各種實(shí) 現(xiàn)方案進(jìn)行了論證。 2 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì):根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求確定系統(tǒng)軟硬件的比例， 由于硬件結(jié)構(gòu)和軟件方案會(huì)相互影響，從簡化電路結(jié)構(gòu)，降低成本，減少故障 率，提高系統(tǒng)的靈活性與通用性方面來考慮， 提倡軟件能完成的工作由 軟件來 完成， 但也應(yīng)考慮軟件代替硬件實(shí)際上是以降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性為代價(jià)的， 因此， 系統(tǒng)的軟、硬件分配應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理安排，統(tǒng)一考慮，確定系統(tǒng)的硬件總 體方案和軟件總體方案。 1 .2 .2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 根據(jù)已確定的基于d s p 集電動(dòng)、發(fā)電于一體的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)總體 方案來完成系統(tǒng)硬件電 路的設(shè)計(jì)，并完成硬件電路的調(diào)試工作。該階段的工作 主要包括: 1 . 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì):根據(jù)確定的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案完成系統(tǒng)硬件電路的 設(shè)計(jì)，包括電路原理圖的設(shè)計(jì)、印制板圖的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件組裝等。 2 .系統(tǒng)硬件電路調(diào)試:根據(jù)系統(tǒng)的原理，利用測試工具，先對各功能模塊 調(diào)試，再對系統(tǒng)整體進(jìn)行調(diào)試。 1 . 2 .3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及軟硬件聯(lián)調(diào) 根據(jù)系統(tǒng)軟件的整體方案， 對系統(tǒng)軟件進(jìn)行合理的分析、規(guī)劃及設(shè)計(jì)，并 對系統(tǒng)硬件、軟件進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。該階段的工作主要包括: l . 系統(tǒng)軟件分析:根據(jù)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的要求以及選用 d s p控制器的特點(diǎn)對 系統(tǒng)軟件進(jìn)行整體的分析與規(guī)劃。 2 . 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):采用結(jié)構(gòu)化、模塊化軟件設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)軟件。 4 第一章 緒論 1 . 2 . 1 混合動(dòng)力 轎車用基于d s p 的無刷直流電 機(jī)控制系統(tǒng)總體方案 論文的主要工作:根據(jù)混合動(dòng)力電動(dòng)轎車的技術(shù)要求，研制出基于d s p 數(shù) 字控制方式的集電動(dòng)、發(fā)電于一體的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)的總體方案包括閉環(huán)控制技術(shù)、控制策略及其實(shí)現(xiàn)方法。該階段 的工作主要包括: 1 ， 系統(tǒng)總體方案的論證:廣泛查閱國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)資料，研究了各型 d s p 控制器芯片的不同特性以及稀土永磁無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制技術(shù)、控 制策略， 并對基于d s p 控制器的稀土永磁無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的各種實(shí) 現(xiàn)方案進(jìn)行了論證。 2 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì):根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求確定系統(tǒng)軟硬件的比例， 由于硬件結(jié)構(gòu)和軟件方案會(huì)相互影響，從簡化電路結(jié)構(gòu)，降低成本，減少故障 率，提高系統(tǒng)的靈活性與通用性方面來考慮， 提倡軟件能完成的工作由 軟件來 完成， 但也應(yīng)考慮軟件代替硬件實(shí)際上是以降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性為代價(jià)的， 因此， 系統(tǒng)的軟、硬件分配應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理安排，統(tǒng)一考慮，確定系統(tǒng)的硬件總 體方案和軟件總體方案。 1 .2 .2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 根據(jù)已確定的基于d s p 集電動(dòng)、發(fā)電于一體的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)總體 方案來完成系統(tǒng)硬件電 路的設(shè)計(jì)，并完成硬件電路的調(diào)試工作。該階段的工作 主要包括: 1 . 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì):根據(jù)確定的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案完成系統(tǒng)硬件電路的 設(shè)計(jì)，包括電路原理圖的設(shè)計(jì)、印制板圖的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件組裝等。 2 .系統(tǒng)硬件電路調(diào)試:根據(jù)系統(tǒng)的原理，利用測試工具，先對各功能模塊 調(diào)試，再對系統(tǒng)整體進(jìn)行調(diào)試。 1 . 2 .3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及軟硬件聯(lián)調(diào) 根據(jù)系統(tǒng)軟件的整體方案， 對系統(tǒng)軟件進(jìn)行合理的分析、規(guī)劃及設(shè)計(jì)，并 對系統(tǒng)硬件、軟件進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。該階段的工作主要包括: l . 系統(tǒng)軟件分析:根據(jù)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的要求以及選用 d s p控制器的特點(diǎn)對 系統(tǒng)軟件進(jìn)行整體的分析與規(guī)劃。 2 . 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):采用結(jié)構(gòu)化、模塊化軟件設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)軟件。 4 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 . 系統(tǒng)軟、硬件聯(lián)調(diào):對系統(tǒng)硬件和軟件進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。 1 . 2 . 4小功率輔助無刷直流電機(jī)控制器 小功率輔助無刷直流電機(jī)閉環(huán)速度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)， 該系統(tǒng)主要應(yīng)用了 專用集成芯片m c 3 3 0 3 5 . m c 3 3 0 3 9 及功率模塊 i r a ms i o u p 6 0 a ，并提出了 用h o c 1 9 6 k b 單片機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行了功能擴(kuò)展的方案。 該階段的工作主要包括: 1 . 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案:熟悉專用集成芯片 mc 3 3 0 3 5 . mc 3 3 0 3 9及 i r a m s i o u p 6 0 a的內(nèi)部原理和功能， 確定系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。 2 硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):根據(jù)己確定的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案來完成硬件電 路原理圖的設(shè)計(jì)、印制板圖的設(shè)計(jì)和硬件電路的組裝與調(diào)試。 3 . 樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)測試:對樣機(jī)的各種功能及保護(hù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 . 系統(tǒng)軟、硬件聯(lián)調(diào):對系統(tǒng)硬件和軟件進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。 1 . 2 . 4小功率輔助無刷直流電機(jī)控制器 小功率輔助無刷直流電機(jī)閉環(huán)速度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)， 該系統(tǒng)主要應(yīng)用了 專用集成芯片m c 3 3 0 3 5 . m c 3 3 0 3 9 及功率模塊 i r a ms i o u p 6 0 a ，并提出了 用h o c 1 9 6 k b 單片機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行了功能擴(kuò)展的方案。 該階段的工作主要包括: 1 . 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案:熟悉專用集成芯片 mc 3 3 0 3 5 . mc 3 3 0 3 9及 i r a m s i o u p 6 0 a的內(nèi)部原理和功能， 確定系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。 2 硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):根據(jù)己確定的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案來完成硬件電 路原理圖的設(shè)計(jì)、印制板圖的設(shè)計(jì)和硬件電路的組裝與調(diào)試。 3 . 樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)測試:對樣機(jī)的各種功能及保護(hù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。 第二章 稀土永磁無刷直流電 機(jī)的組成與原理 第二章 稀土永磁無刷直流電機(jī)的組成與原理 2 . 1 組成 無刷直流電 機(jī)是由電 子開關(guān)線路、 永磁式同步電 機(jī)以 及位置傳感器三部分 組成的電 機(jī)系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖2 . 1 所示: ! 直 流 電 源卜 j - 電 子 開 關(guān) 線 路陣一一州電 機(jī) 本 體 卜斗一， 轉(zhuǎn)子位置傳感器 _ 圖 2 . 1 無刷直流電機(jī)系統(tǒng)框圖 當(dāng)某一相定子繞組通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相 互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。由轉(zhuǎn)子位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼的位置 變換成電信號，去控制電 子開關(guān)線路，使定子各相繞組按一定次序?qū)ǎㄗ?相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。由于電子開關(guān)線路的導(dǎo)通次序 是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了 機(jī)械換向器的換向作用。因此，所謂稀土永 磁無刷直流電機(jī)，就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認(rèn)為是一臺由電機(jī)本體、電子開關(guān) 線路、以及轉(zhuǎn)子位置傳感器三者組成的 “ 電機(jī)系統(tǒng)” 。 1 . 電機(jī)本體 稀土永磁無刷直流電機(jī)所采用的電機(jī)本體，其定子繞組一 般制成多相 ( 三 相、 四相、 五相不等) ， 轉(zhuǎn)子由 稀土 永磁體按一定極對數(shù)( 2 p = 2 , 4 , ) 組成。 電機(jī)轉(zhuǎn)子的稀土永磁體磁鋼與稀土永磁有刷電機(jī)中所使用的永久磁鋼的作用相 似，均是在電 機(jī)的氣隙中建立足夠的磁場，其不同之處在于無刷直流電機(jī)中永 久磁鋼安裝在轉(zhuǎn)子上，而有刷直流電機(jī)的磁鋼安裝在定子上。 2 . 電子開關(guān)線路 無刷直流電機(jī)電子開關(guān)線路是用來控制電機(jī)定子上各相繞組通電的順序和 時(shí)間，主要由功率邏輯開關(guān)單元和位置傳感器信號處理單元兩個(gè)部分組成。功 率邏輯開關(guān)單 元是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給電 機(jī)本體定子上各相繞 組，以便使電機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。位置傳感器所產(chǎn)生的信號 經(jīng)過一定邏輯 處理后來控制邏輯開關(guān)單元，進(jìn)而決定各相繞組導(dǎo)通的順序和時(shí)間。 6 第二章 稀土永磁無刷直流電 機(jī)的組成與原理 第二章 稀土永磁無刷直流電機(jī)的組成與原理 2 . 1 組成 無刷直流電 機(jī)是由電 子開關(guān)線路、 永磁式同步電 機(jī)以 及位置傳感器三部分 組成的電 機(jī)系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖2 . 1 所示: ! 直 流 電 源卜 j - 電 子 開 關(guān) 線 路陣一一州電 機(jī) 本 體 卜斗一， 轉(zhuǎn)子位置傳感器 _ 圖 2 . 1 無刷直流電機(jī)系統(tǒng)框圖 當(dāng)某一相定子繞組通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相 互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。由轉(zhuǎn)子位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼的位置 變換成電信號，去控制電 子開關(guān)線路，使定子各相繞組按一定次序?qū)?，定?相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。由于電子開關(guān)線路的導(dǎo)通次序 是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了 機(jī)械換向器的換向作用。因此，所謂稀土永 磁無刷直流電機(jī)，就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認(rèn)為是一臺由電機(jī)本體、電子開關(guān) 線路、以及轉(zhuǎn)子位置傳感器三者組成的 “ 電機(jī)系統(tǒng)” 。 1 . 電機(jī)本體 稀土永磁無刷直流電機(jī)所采用的電機(jī)本體，其定子繞組一 般制成多相 ( 三 相、 四相、 五相不等) ， 轉(zhuǎn)子由 稀土 永磁體按一定極對數(shù)( 2 p = 2 , 4 , ) 組成。 電機(jī)轉(zhuǎn)子的稀土永磁體磁鋼與稀土永磁有刷電機(jī)中所使用的永久磁鋼的作用相 似，均是在電 機(jī)的氣隙中建立足夠的磁場，其不同之處在于無刷直流電機(jī)中永 久磁鋼安裝在轉(zhuǎn)子上，而有刷直流電機(jī)的磁鋼安裝在定子上。 2 . 電子開關(guān)線路 無刷直流電機(jī)電子開關(guān)線路是用來控制電機(jī)定子上各相繞組通電的順序和 時(shí)間，主要由功率邏輯開關(guān)單元和位置傳感器信號處理單元兩個(gè)部分組成。功 率邏輯開關(guān)單 元是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給電 機(jī)本體定子上各相繞 組，以便使電機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。位置傳感器所產(chǎn)生的信號 經(jīng)過一定邏輯 處理后來控制邏輯開關(guān)單元，進(jìn)而決定各相繞組導(dǎo)通的順序和時(shí)間。 6 西北工業(yè)大學(xué)碩十學(xué)位論文 與一般的交流異步電機(jī)不同，無刷直流電機(jī)在運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)子磁場的轉(zhuǎn) 速與定子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相等，即保持同步。無刷直流電機(jī)的頻率 不是獨(dú)立調(diào)節(jié)的，而是受安裝在轉(zhuǎn)子軸上的位置檢測器的控制。隨著轉(zhuǎn)子位置 的不同，位置檢測器產(chǎn)生的信號也不同，這些信號經(jīng)過處理后用來控制逆變橋 的if 確換流，從而改變電機(jī)定子繞組電流的頻率，即控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。定子繞組 所產(chǎn)生的 磁場和轉(zhuǎn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁磁場， 在空間始終保持在 ( -? r a d 左右的電角度。 電子開關(guān)線路中的逆變橋電路有橋式和非橋式兩種，雖然電樞繞組與逆變 橋的聯(lián)接形式多種多樣， 但應(yīng)用最廣泛的是三相星形六狀態(tài)和三相星形三狀態(tài)。 早期的無刷直流電機(jī)的逆變橋多由晶閘管組成，由于其關(guān)斷要借助于反電動(dòng)勢 或電流過零，造成換流困難，而且晶閘管的開關(guān)頻率較低，使得逆變橋只能工 作在較低頻率范圍內(nèi)。隨著新型可關(guān)斷全控型器件的發(fā)展，現(xiàn)在的逆變橋在大 功率、低頻時(shí)多由 g t o , g t r器件組成，在中小功率的電機(jī)中逆變器多由功 率m o s f e t或i g b t構(gòu)成， 具有控制容易、 開關(guān)頻率高、 可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn) 3 . 轉(zhuǎn)子位置傳感器 位置傳感器在無刷直流電機(jī)中起著檢測轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開關(guān) 電路提供正確的換相信息，即將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后 去控制定子繞組換相。它有直接式和間接式兩類。直接式位置傳感器，由于其 檢測精度和可靠性高而被廣泛采用。典型的直接式位置傳感器有下列幾種: ( 1 ) 電 磁式位置傳感器:電 磁式位置傳感器是利用電磁效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)其位置測 量作用的，有開口變壓器、鐵磁諧振電路、接近開關(guān)等多種類型。在無刷直流 電機(jī)中，用得較多的是開口變壓器，其中用于三相無刷直流電機(jī)的開口 變壓器 由定子和跟蹤轉(zhuǎn)子兩部分組成。 電磁式位置傳感器具有輸出信號大、工作可靠、壽命長、使用環(huán)境要求不 高、 適應(yīng)性強(qiáng)、 結(jié)構(gòu)簡單和緊湊等優(yōu)點(diǎn); 但這種傳感器信噪比 較大， 體積較大， 同時(shí)其輸出波形為交流，一般需整流、濾波后方可應(yīng)用。 ( 2 ) 光電式位置傳感器:光電 式位置傳感器是利用光電 效應(yīng)制成的， 由 跟隨 電機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光板和固定不動(dòng)的光源及光電管等部件組成。 光電式位置傳感器性能較穩(wěn)定.但存在輸出信號信噪比較大、光源燈泡壽 命短、使用環(huán)境要求較高等缺陷，不過現(xiàn)在己經(jīng)有新型光電元件出現(xiàn)，可克服 7 第二章 稀士永磁無刷直流電機(jī)的組成與原理 這些不足之處。 ( 3 ) 磁敏式位置傳感器:磁敏式位置傳感器是指它的某些電參數(shù)按一定規(guī)律 隨周圍磁場變化的半導(dǎo)體敏感元件， 其基本原理為霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)。目 前， 常見的磁敏傳感器有霍爾元件或霍爾集成電路、磁敏電阻器及磁敏二極管等多 種。 隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展，將霍爾元件與半導(dǎo)體集成電路一起制作在同 一塊n型硅外延片_ 匕 這就構(gòu)成了霍爾集成電路。這種集成電路包括線性型和 開關(guān)型兩種，一般而言，無刷直流電機(jī)的位置傳感器宜選用開關(guān)型。 2 .2 無刷直流電機(jī)的控制原理 控制器是稀土永磁無刷直流電機(jī)的三大組成部分之一，它主要包括控制電 路、驅(qū)動(dòng)電路和開關(guān)主電路， 圖2 .2為無刷直流電 機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖， 下面 將結(jié)合本圖進(jìn)行分析。 圖2 .2無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖 1 .開關(guān)主電路 如圖2 .2 所示，由r 3 . c 3 . d : 組成的r d c緩沖電路主要是為了減少開關(guān) 管承受的尖峰電壓，提高主電路的可靠性，使開關(guān)管工作在安全工作區(qū)域內(nèi)而 設(shè)。 緩沖電路可以分別設(shè)在各橋臂邊.也可在直流電 源側(cè)采用一個(gè)整體型r d c 緩沖電路。 其中緩沖電容c 3 應(yīng)選用高頻特性好的無感電容， d , 應(yīng)選擇過渡正向 第二章 稀士永磁無刷直流電機(jī)的組成與原理 這些不足之處。 ( 3 ) 磁敏式位置傳感器:磁敏式位置傳感器是指它的某些電參數(shù)按一定規(guī)律 隨周圍磁場變化的半導(dǎo)體敏感元件， 其基本原理為霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)。目 前， 常見的磁敏傳感器有霍爾元件或霍爾集成電路、磁敏電阻器及磁敏二極管等多 種。 隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展，將霍爾元件與半導(dǎo)體集成電路一起制作在同 一塊n型硅外延片_ 匕 這就構(gòu)成了霍爾集成電路。這種集成電路包括線性型和 開關(guān)型兩種，一般而言，無刷直流電機(jī)的位置傳感器宜選用開關(guān)型。 2 .2 無刷直流電機(jī)的控制原理 控制器是稀土永磁無刷直流電機(jī)的三大組成部分之一，它主要包括控制電 路、驅(qū)動(dòng)電路和開關(guān)主電路， 圖2 .2為無刷直流電 機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖， 下面 將結(jié)合本圖進(jìn)行分析。 圖2 .2無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖 1 .開關(guān)主電路 如圖2 .2 所示，由r 3 . c 3 . d : 組成的r d c緩沖電路主要是為了減少開關(guān) 管承受的尖峰電壓，提高主電路的可靠性，使開關(guān)管工作在安全工作區(qū)域內(nèi)而 設(shè)。 緩沖電路可以分別設(shè)在各橋臂邊.也可在直流電 源側(cè)采用一個(gè)整體型r d c 緩沖電路。 其中緩沖電容c 3 應(yīng)選用高頻特性好的無感電容， d , 應(yīng)選擇過渡正向 西北工業(yè)人學(xué)碩 卜 學(xué)位論義 電壓低、反向恢復(fù)時(shí)間短的快速恢復(fù)二極管。 逆變電路由功率開關(guān)管 v 1 -v 6等組成，是開關(guān)主電路的核心部分。功率 開關(guān)管vi -v 6 通常為功率晶體管g t r 、 功率場效應(yīng)晶體管mo s f e t 、 絕緣柵 晶體管i g b t 、 可關(guān)斷晶閘管g t o以及mo s 柵控晶閘管mc t等功率電子器件。 晶閘管適用于較大功率電機(jī)，晶體管適用于中小功率電機(jī)。各種晶體管由于容 量、開關(guān)頻率、價(jià)格等不同應(yīng)按電機(jī)的實(shí)際工作狀況進(jìn)行合理選取。 在分立功率半導(dǎo)體器件方興未艾的同時(shí)，功率集成電路 ( p - 1 c )也得到迅 速發(fā)展。 p - i c將多個(gè) ( 如2 個(gè)或6 個(gè))功率晶體管及其快速恢復(fù)二 極管集成于 一體。這樣，稀土永磁無刷直流電機(jī)開關(guān)主電路的逆變電路就可以由一個(gè)功率 開關(guān)管集成塊來實(shí)現(xiàn)，大大提高了控制器的可靠性，有效地縮小了體積。 在這 種功率半導(dǎo)體器件與微電子技術(shù)結(jié)合的基礎(chǔ)上，又誕生了智能化功率半導(dǎo)體器 件。這種智能模塊是將功率半導(dǎo)體器件與具有信號處理功能、自 我保護(hù)功能、 各種診斷功能等的電路集成或組裝在一起， 可以實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的逆變電路、 驅(qū)動(dòng)電路和許多控制電路的功能，使得電機(jī)控制器具有體積小、重量輕、設(shè)計(jì) 簡單和可靠性高等顯著特點(diǎn)， 是高性能稀土永磁無刷直流電機(jī)的理想控制器件。 2 . 驅(qū)動(dòng)電路 驅(qū)動(dòng)電路將控制電路的輸出信號進(jìn)行功率放大、并向各開關(guān)管送去能使其 飽和導(dǎo)通和可靠關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)信號。驅(qū)動(dòng)電路的工作方式直接影響著開關(guān)管的一 些參數(shù)和特性，從而影響著整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)的正常工作。由于各開關(guān)管的種 類不同，其對驅(qū)動(dòng)信號的要求也不盡相同，因而對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路也不同。傳統(tǒng) 的驅(qū)動(dòng)電 路大多是采用分立元件搭接而成， 這種方法使得電路復(fù)雜 調(diào)試?yán)щy、 可靠性差。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展， 現(xiàn)在已 經(jīng)把驅(qū)動(dòng)電路制成有一定輸出功 率的專用集成電路，并已逐步在無刷直流電機(jī)中得到推廣應(yīng)用。驅(qū)動(dòng)集成電路 有單路i c ,雙路i c 、三路i c ，也有六路i c ，分別對應(yīng)于不同的開關(guān)管，品種 很多。 3 ， 控制電路 控制電路是稀土永磁無刷直流電機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速功能的指揮中 心，它主要完成以下功能: ( l ) 對轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號、 p w m調(diào)制信號、 正反轉(zhuǎn)和停車等信5 進(jìn) 行邏輯綜合，以給驅(qū)動(dòng)電路提供各開關(guān)管的斬波信號和選通信號，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的 9 第_章 稀土永磁無刷直流電機(jī)的組成與原理 正反轉(zhuǎn)及停車控制。 ( 2 ) 產(chǎn)生p wm調(diào)制信號， 使電 機(jī)的電 壓隨給定速度信號而自 動(dòng)變化，實(shí)現(xiàn) 電機(jī)調(diào)速。 ( 3 ) 對電機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)和電流閉 環(huán)調(diào)節(jié)， 使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)和靜 態(tài)性能。 ( 4 ) 實(shí)現(xiàn)短路、過流和欠壓等故障保護(hù)功能等。 控制電路的形式多種多樣，歸納起來主要有以下少 b 種型式:分立元件全 模擬電路; 專用集成電路;數(shù)?；旌峡刂齐娐? 全數(shù)字控制電路。其中 分立元件全模擬電路在以往的無刷直流電機(jī)中大量應(yīng)用，目 前在許多經(jīng)濟(jì)實(shí)用 性無刷直流電機(jī)中 仍占主導(dǎo)地位。由 于模擬電 路中不可避免地存在參數(shù)漂移和 不一致問 題，以及線路復(fù)雜、調(diào)試不便等因素，因而使電機(jī)的可靠性和性能受 到影響。專用集成電路克服了分立元件帶來的弊端，使控制電路體積小，可靠 性高， 對于特定環(huán)境下完成特定功能、 并具有規(guī)模化生產(chǎn)的無刷直流電機(jī)來說， 是首選方案。但其應(yīng)用范圍僅限于某類電機(jī)，難以擴(kuò)展。 隨著稀土永磁無刷直流電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，對其性能也提出越來越 高的要求，因而其控制器由以硬件模擬電子器件為主，轉(zhuǎn)向采用數(shù)字電路、微 處理器、數(shù)字信號處理器 ( d s p )方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)半數(shù)字化的數(shù)模混合控制電 路和全數(shù)字化的控制電路?？刂埔?guī)律由硬件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向以軟件實(shí)現(xiàn)。對于高性能 的稀上永磁無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，由于微機(jī)和d s p的應(yīng)用，在控制上由 通常 所采用的p i ( 比 例積分)或p i d( 比 例積分微分) 控制規(guī)律，開始轉(zhuǎn)向 應(yīng)用現(xiàn) 代控制理論，同時(shí)引進(jìn)模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制理論，發(fā)展智能化的稀 土永磁無刷直流電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法和故障診斷。 4 . 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)工作原理 在圖2 .2 所示的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中， 電機(jī)本體的三相繞組為y聯(lián)結(jié)， 逆變橋電路工作在全控橋兩兩通電方式。下面以這個(gè)系統(tǒng)為例來說明無刷直流 電機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理。 主控單元對轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測的轉(zhuǎn)子位置反饋信號和外部給定的速度信 號進(jìn)行邏輯綜合后產(chǎn)生控制信號，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路放大送至逆變器各功率開關(guān)管 v i -v 6 ， 從而