永磁無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)研究

1、永磁無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)研究摘要無刷直流電動(dòng)機(jī)是集材料科學(xué)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和電機(jī)理論等多學(xué)科為一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品,在諸多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著大功率開關(guān)器件集成電路及高性能的磁性材料的進(jìn)步,采用電子換向原理工作的無刷直流電機(jī)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。無刷直流電機(jī)既有直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)行可靠,維護(hù)方便的一系列優(yōu)點(diǎn)。又具備交流電機(jī)運(yùn)行效率高,無勵(lì)磁損耗及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn),在當(dāng)今國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域里的應(yīng)用日益普及。通常我們靠霍爾元件來得到轉(zhuǎn)子的位置,然而傳感器有一些缺點(diǎn),比如增加了成本占空間,附加了傳感器電路對(duì)溫度不穩(wěn)定,除此之外,它不能用于在一些惡劣的環(huán)境中。由于無位置傳感器技術(shù)

2、能解決上述問題,因此吸引了各國(guó)科研工作者研究的興趣。我們用美國(guó)TI公司專門為電機(jī)的數(shù)字化控制設(shè)計(jì)的16位定點(diǎn)DSP控制器TMS320X240作為微控制器。它集DSP 的信號(hào)高速處理能力及適用于電機(jī)控制的優(yōu)化的外圍電路于一體,可以為高性能傳動(dòng)控制提供可靠高效的信號(hào)處理與控制硬件。關(guān)鍵詞:無刷直流電機(jī),控制系統(tǒng),DSP, TMS320F240目錄1緒論11.1 選題的目的和意義11.2 永磁無刷直流電機(jī)的國(guó)內(nèi)外研究概況21.3 直流無刷電機(jī)控制方法31.4 本課題主要研究?jī)?nèi)容42 無刷直流電機(jī)52.1 無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本組成52.2 直流無刷電機(jī)的工作原理72.3 永磁無刷直流電機(jī)特點(diǎn)102.4

3、 直流無刷電機(jī)與其它電機(jī)的比較133 基于DSP的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理143.1 無刷直流電機(jī)的DSP控制系統(tǒng)143.2 無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)143.3 TMS320F240 簡(jiǎn)介183.4 基于DSP的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制解決方案23 3.4.1 有位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制方案244 控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)304.1 系統(tǒng)概述304.3 主回路散熱設(shè)計(jì)334.4 電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)334.5 轉(zhuǎn)速給定電路354.6 軸角編碼檢測(cè)單元364.7 主電源、驅(qū)動(dòng)及控制電源回路364.8 故障檢測(cè)和保護(hù)環(huán)節(jié)384.9 電機(jī)姿態(tài)顯示395 總結(jié)41致謝43參考文獻(xiàn)441緒論1.1 選題的目的和意義永磁

4、無刷直流電機(jī)是一種電子電動(dòng)機(jī)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,許多新型的高性能半導(dǎo)體功率器件,如GTR、MOSFET、IGBT等相繼出現(xiàn)以及高性能永磁材料,如稀土永磁材料的問世,為無刷直流電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用奠定的基礎(chǔ), 它由直流電源經(jīng)過逆變器、位置檢測(cè)裝置向電動(dòng)機(jī)供電,因而既保持了直流電機(jī)的優(yōu)良特性,又改善了有刷直流電機(jī)效率低、耗電多、噪音大、維護(hù)困難、使用壽命短等運(yùn)行狀況。電機(jī)系統(tǒng)屬環(huán)保節(jié)能型產(chǎn)品,是國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策支持的高新技術(shù)項(xiàng)目,正處在產(chǎn)品成長(zhǎng)期,具有廣闊的市場(chǎng)前景。無刷永磁直流電機(jī)正在以其特有的優(yōu)勢(shì)不斷蓬勃發(fā)展。直流無刷電動(dòng)機(jī)有著很多其它電動(dòng)機(jī)無可比擬的優(yōu)點(diǎn)使得它在很多領(lǐng)域得到了很廣泛的應(yīng)用。1.

5、直流無刷電動(dòng)機(jī)在家用電器中的應(yīng)用。在空調(diào)器行業(yè),永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用已成為衡量空調(diào)技術(shù)水準(zhǔn)的重要指標(biāo)之一。目前,變頻空調(diào)技術(shù)已從異步電機(jī)變頻控制發(fā)展到無刷電動(dòng)機(jī)的變轉(zhuǎn)速控制,即市場(chǎng)上宣傳的“直流變頻空調(diào)”,其壓縮機(jī)電機(jī)和室內(nèi)、室外風(fēng)機(jī)都采用永磁直流無刷電動(dòng)機(jī),與采用異步電機(jī)的交流變頻空調(diào)相比,直流變轉(zhuǎn)速空調(diào)具有起動(dòng)功率大、高效節(jié)能,抗電壓波動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前直流變轉(zhuǎn)速空調(diào)電控系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)主要包括:壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制技術(shù),無位置傳感器控制技術(shù),高效率低噪音的室內(nèi)外風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。變頻洗衣機(jī)是近年來進(jìn)入居民家庭消費(fèi)的又一熱門產(chǎn)品。目前應(yīng)用于變頻洗衣機(jī)的電機(jī)類型主要有三相異步電動(dòng)

6、機(jī),開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和直流無刷電動(dòng)機(jī)三大類。永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)洗衣機(jī)具有機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效節(jié)能、洗滌脫水運(yùn)行噪音低等一系列優(yōu)點(diǎn),代表了未來的發(fā)展趨勢(shì)。2.直流無刷電動(dòng)機(jī)在計(jì)算機(jī)外設(shè)和辦公自動(dòng)化設(shè)備中的應(yīng)用。3.直流無刷電動(dòng)機(jī)在工業(yè)中的應(yīng)用。4.直流無刷電動(dòng)機(jī)在汽車、摩托車、自行車等交通工具中的應(yīng)用。5.直流無刷電動(dòng)機(jī)在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用。綜上所述,由于永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)具有效率高、功率密度大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、調(diào)速性能好等一系列優(yōu)點(diǎn),己經(jīng)在工業(yè)、交通、航空航天、軍工、伺服控制領(lǐng)域以及家用電器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,雖然我國(guó)和國(guó)外在電機(jī)制造技術(shù)方面的差距不大,但是控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)卻需要加大力度。

7、從另外一個(gè)角度來講,我國(guó)的稀土資源特別豐富,占世界總儲(chǔ)量的75%,發(fā)展永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)對(duì)發(fā)展我國(guó)的經(jīng)濟(jì)有特殊的意義。由于直流無刷電動(dòng)機(jī)固有的特點(diǎn),常規(guī)的控制方法必須有位置傳感器,這帶來了種種限制。因此,研究無位置傳感器直流無刷電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)也很有必要。1.2 永磁無刷直流電機(jī)的國(guó)內(nèi)外研究概況20世紀(jì)七十年代以來,隨著電力半導(dǎo)體工業(yè)的飛速發(fā)展,許多新型的全控型半導(dǎo)體功率器件如GTR、MOSFET、IGBT等相繼問世,加上新型高磁能積永磁材料陸續(xù)出現(xiàn)均為無刷直流電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),隨著電機(jī)本體及其相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展,新型電機(jī)不斷涌現(xiàn)?！盁o刷直流電動(dòng)機(jī)”的概念己由最初“特指”具有

8、特定電子換向的直流電動(dòng)機(jī)發(fā)展到“泛指”一切具備有刷直流電動(dòng)機(jī)外部特性且沒有電刷的永磁直流電動(dòng)機(jī)。無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)按其繞組反電勢(shì)BEMF的波形和電流的波形可分為兩大類:方波無刷直流電動(dòng)機(jī)和正弦波無刷直流電動(dòng)機(jī)。由于可以獲得更好的節(jié)能效果和節(jié)省材料,目前日本90%以上的空調(diào)器采用永磁無刷直流電機(jī)替代異步電機(jī)變頻調(diào)速,我國(guó)空調(diào)制造廠也開始采用永磁無刷直流電機(jī)。對(duì)于今后永磁無刷直流電機(jī)的發(fā)展,會(huì)上也有專業(yè)人士表示,為了盡可能提高效率,永磁無刷直流電機(jī)永磁體采用燒結(jié)釹鐵硼。我國(guó)具有豐富的釹鐵硼永磁材料資源,有數(shù)據(jù)表明,2005年全球釹鐵硼永磁材料產(chǎn)量將達(dá)到2.3萬噸,我國(guó)生產(chǎn)1.4萬噸,預(yù)計(jì)2010年

9、全球產(chǎn)量可達(dá)到9萬噸,我國(guó)將生產(chǎn)5萬噸。此外,我國(guó)永磁無刷直流電機(jī)領(lǐng)域近幾年還出現(xiàn)了專門用于電機(jī)控制的高性能、低價(jià)位的數(shù)字信號(hào)處理器DSP,集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展,這為永磁無刷直流電機(jī)應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此,空調(diào)、洗衣機(jī)、電冰箱等家電將可能越來越多采用永磁無刷直流電機(jī)。專家們同時(shí)也指出,由于我國(guó)使用的精密永磁交流伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)絕大部分依賴進(jìn)口,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),每年進(jìn)口費(fèi)用需2億美元左右,這已經(jīng)阻礙了永磁無刷直流電機(jī)在我國(guó)的應(yīng)用發(fā)展,永磁無刷直流電機(jī)要想普及亟待解決的問題并不少,還無法很快替代現(xiàn)有產(chǎn)品。自上世紀(jì)末起,逐漸形成BLDCM的研究熱潮,針對(duì)其存在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的問題,各國(guó)紛紛推出了

10、自己最新科研成果。其中美國(guó)的專家研制出一種新型的BLDCM,其轉(zhuǎn)子跟普通的BLDCM一樣,而其定子卻和普通的有刷直流機(jī)的轉(zhuǎn)子極為相似,并能以轉(zhuǎn)子位置傳感器及邏輯開關(guān)電路,使定子繞組依次換向。其優(yōu)點(diǎn)為大大減少了轉(zhuǎn)矩波動(dòng),可在較大范圍內(nèi)自然換向,充分提高了電機(jī)體積的利用率。此外還有人利用定子電流諧波的最優(yōu)權(quán)重的設(shè)計(jì)方法,通過電流調(diào)節(jié)器等裝置有效減少了電磁轉(zhuǎn)矩及齒槽引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。英國(guó)研究人員研制成功了無齒槽的BLDCM,其主要作用也是減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng),提高電機(jī)效率。針對(duì)位里傳感器的改善,美國(guó)人最近研制出一種混合觀測(cè)裝,通過固定于定子上的霍爾元件獲得信號(hào)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子位置。以此代替價(jià)格不菲的光學(xué)編碼器,大大降

11、低了電機(jī)成本,且提高了監(jiān)測(cè)精度,可謂物美價(jià)廉。另外,臺(tái)灣的研究人員通過智能換向調(diào)節(jié)裝置實(shí)現(xiàn)了無位置傳感器的控制。其主要原理是:監(jiān)測(cè)電機(jī)端電壓，通過開關(guān)信號(hào)發(fā)生器對(duì)換向位置作粗略估計(jì)，然后給出最佳轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生特性，通過智 能自調(diào)系統(tǒng)對(duì)換向瞬間進(jìn)行微調(diào)。 1.3 直流無刷電機(jī)控制方法 目前，直流無刷電機(jī)的控制有帶位置傳感器、無位置傳感器以及智能控制三種。 一、帶位置傳感器控制 帶位置傳感器控制是在直流無刷電動(dòng)機(jī)定子上安裝位置傳感器來檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置而控制定子繞組換向。所用的位置 傳感器有電磁式(如磁阻旋轉(zhuǎn)變壓器、光電式(如遮光板、磁敏式(如霍爾傳感器等，其中霍爾傳感器使用最為廣 泛。 二、無位置傳感器控制

12、 無位置傳感器的直流無刷電動(dòng)機(jī)控制法，不直接在直流無刷電動(dòng)機(jī)的定子上安裝位置傳感器來檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。它 一般采用直接反電勢(shì)檢測(cè)、反電勢(shì)三次諧波法、電流通路監(jiān)視法、開路相電壓檢測(cè)法、相電感法、反電勢(shì)邏輯電 平積分比較法等方法來間接檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置。 三、智能控制 智能控制是控制理論發(fā)展的高級(jí)階段，一般包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家系統(tǒng)等。智能控制系統(tǒng)具有自學(xué) 習(xí)、自適應(yīng)、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(fù)雜的問題。嚴(yán)格來說， BLDCM 是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合的對(duì)象，因此利用智能控制可以取得較滿意的控制結(jié)果。目前，已有許 多較為成熟的智能控制方法應(yīng)用于直流無刷

13、電動(dòng)機(jī)控制， 例如:模糊控制和 PID 控制相結(jié)合的 Fuzzy-PID 控制、 模 糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的復(fù)合控制、隸屬度參數(shù)經(jīng)遺傳算法優(yōu)化的模糊控制、單神經(jīng)元自適應(yīng)控制等。 1.4 本課題主要研究?jī)?nèi)容 本論文以永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)為理論墓礎(chǔ)，研究永磁無刷電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制規(guī)律，接著分別提 出了基于 DSP 技術(shù)的有位置傳感器和無位置傳感器控制方案。 根據(jù)方案進(jìn)行了硬件電路設(shè)計(jì)， DSP 芯片 TMS320F240 為核心的控制單元， 以 研究了無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)， IGBT 模塊以及驅(qū)動(dòng)單元，相電壓及電流檢測(cè)單元，速度給定環(huán)節(jié)，軸角編碼檢測(cè)單元，主電源、驅(qū)動(dòng)及控制電源回路，

14、 故障檢測(cè)和保護(hù)環(huán)節(jié)，電機(jī)姿態(tài)顯示單元分別進(jìn)行了闡述。特別是直流無刷電機(jī)的原理、控制方案以及以 IGBT 模塊的具體應(yīng)用。 5 總結(jié) 本論文以永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)為理論墓礎(chǔ)，研究永磁無刷電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制規(guī)律，接著分別提 出了基于 DSP 技術(shù)的有位置傳感器和無位置傳感器控制方案。 根據(jù)方案進(jìn)行了硬件電路設(shè)計(jì)，以 DSP 芯片 TMS320F240 為核心的控制單元，IGBT 模塊以及驅(qū)動(dòng)單元，相電壓 及電流檢測(cè)單元，速度給定環(huán)節(jié)，軸角編碼檢測(cè)單元，主電源、驅(qū)動(dòng)及控制電源回路，故障檢測(cè)和保護(hù)環(huán)節(jié)，電 機(jī)姿態(tài)顯示單元分別進(jìn)行了闡述。特別是以 IGBT 模塊的具體應(yīng)用以及相電壓、電流檢

15、測(cè)方法，本章進(jìn)行了詳細(xì) 的敘述，并對(duì)硬件設(shè)計(jì)過程中的注意事項(xiàng)也做了較為詳細(xì)的描述。通過研究得出以下結(jié)論: (1通過本文的分析可以看出，采用 dsp 技術(shù)的永磁無刷電動(dòng)機(jī)的電力推 進(jìn)系統(tǒng)可高效率地提供對(duì)象運(yùn)動(dòng)的所有必須方式：?jiǎn)?dòng)、運(yùn)行、反向、全速度范圍的平滑調(diào)節(jié)、制動(dòng)。 (2本文所述的智能功率模塊，作為主回路逆變器的開關(guān)器件采用 IPM 模塊大大簡(jiǎn)化了主回路的設(shè)計(jì)，同時(shí)也方便了與 DSP 芯片的信號(hào)接口，提高系統(tǒng)的電磁兼容性。目前，IPM 模 塊還只是應(yīng)用于中小功率場(chǎng)合，大功率場(chǎng)合的產(chǎn)品也在逐步推出，但是對(duì)于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來說，IPM 模塊已經(jīng)完 全滿足要求。 (3對(duì)于無刷電機(jī)的有位置傳感器控制，關(guān)鍵是對(duì)于位置信號(hào)