1、 0 引言 随着社会生产力的发展，需要不断地开发各种新型电动机。新技术新材料的不断涌现，促进了电动机产品的不断推陈出新。早在本世纪 30 年代，就有人开始研制以电子换向来代替电刷机械换向的无刷直流机，并取得了一定的成果。但由于当时的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。 1955 年 ,美国的 D. Harrison 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机的雏形，但由于电动机尚无起动转矩而不能产品化。而后又经过人们多年的努力，借助于霍尔元件来实现换向的无刷 直流机终于在 1962 年问世，从而开创了无刷直流机产品化的新纪元。 70年
2、代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件，如 GTO, MOSFET, IGBT 等相继出现，为无刷直流机的广泛应用奠定了坚实的基础 1。 无刷直流机保持着有刷直流电机的优良机械及控制特性，在电磁结构上和有刷直流电机一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子上放置永久磁钢。无刷直流机的电枢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，定子采用位置传感器实现电子换相来代替有刷直流电机的电刷和换向器，各相 逐次通电产生电流，定子磁场和转子磁极主磁场相互作用产生转矩。和有刷直流电机相比，无刷直流机由于取消了电机的滑动接触机构，因而消除了故障的主要根源。转子上没
3、有绕组，也就没有了励磁损耗，又由于主磁场是恒定的，因此铁损也是极小的 ,因而进一步增加了工作的可靠性 2。 对于无刷直流机的控制器，当前主要有专用集成电路 (ASIC)控制器、微处理器 (MCU)和数字信号处理器 (DSP)等三种方式。对于专用集成电路 (ASIC-Application Specific Integrated Circuit)使用时灵活性较差，受 到的限制过多。现在市面上的无刷直流机控制器大多采用单片机来实现。应用较多的是 8096 系列产品，但单片机的处理能力有限，特别是需要处理的数据量大、实时性和精度要求高时，单片机往往不再能满足要求。 因此，人们便自然地想到了 DSP(
4、数字信号处理器 )。由于 DSP 可对输入输出数据进行高速处理，特别是 DSP 器件还提供了高度专业化的指令集，提高了数字滤波器的运算速度，这样使得它在控制器的规则实施、矢量控制和矩阵变换方面具有得天独厚的优势。若要无刷直流机完成一些较复杂的控制功能，如电压电流双闭环调速、转子电流正弦波驱动，则必须要用运动控制专用微处理器。运动控制专用微处理器种类很多，尤其以 TI 公司的TMS320C24 系列将电机控制所需的外围功能电路集成在一个 DSP 芯片内，其具有体积小、结构紧凑、易于使用、可靠性高的特点，运算速度可达 20 40MINPS，指令周期仅为几十纳秒，与普通的 MCU 相比，运算及处理能
5、力增强 10 50 倍 ，确保了系统具有更优越的控制性能。因此，采用 DSP 作为控制芯片将是今后的发展方向。另外，采用 DSP 的专用集成块的另一优点就是，可以降低系统对传感器等外围器件的要求，通过复杂的算法可以达到同样的控制性能。 1 无刷直流电动机 本文针对有刷直流电动机存在换向火花、机械换向困难、磨损严重等缺点，提出了采用无刷直流机来代替有刷直流电动机，来提高控制系统的控制质量 ,本文设计了无刷直流机的数字控制方法。由于 DSP 具有处理数据量大、实时性好和精度高等优点 ,所以本文控制器采用的是 DSP。此系统的双闭环就是通过 DSP 软件编程实现的，比起以往的用模拟器件实现的控制系统
6、，其整个系统结构比较简单、控制精度高并且具有很强的灵活性，系统可根据用户的控制要求只需更改设定参数（即指令操作数）就可以实现其 控制结果。 本文对无刷直流机的结构和工作原理做了简单的介绍，以为了更好地理解无刷直流机控制系统。虽然用位置传感器检测转子位置的方法比较直接，但位置传感器必须安装在电动机轴上，使电动机更加笨重，并且增加了整个系统的机械磨损等，所以本文采用了无位置传感器方法来获得转子位置信号 ,本文采用反电势检测法。为了使整个系统能够可靠运行，因而采用了转速电流双闭环，转速环和电流环都采用 PI 调节器。 1.1 无刷直流 电动 机的结构 无刷直流机的转子是由永磁材料制成的 ,具有一定磁
7、极对数的永磁体。为了能产生梯形波感应电动势，无刷直流 机的转子磁钢的形状呈弧形（瓦片状），气隙磁场呈梯形分布。定子上有电枢，这一点与永磁有刷直流电动机正好相反。无刷直流机的定子电枢绕组采用整距集中式绕组，绕组的相数有二、三、四、五相，但应用最多的是三相和四相。各项绕组分别与外部的电子开关电路相连，开关电路中的开关管受位置传感器的信号控制。 无刷直流机的工作离不开电子开关的电路，因此由电动机本体、转子位置传感器和电子开关电路三部分组成了无刷直流机控制系统。其原理框图如图 1-1 所示。图中，直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，位置传感器随时检测到转子所处位置， 并根据转子的位置信号来控制开
8、关管的导通和截止。从而自动地控制了哪些绕组通电，哪些绕组断电，实现了电子换向 4。 直流电源 开关 电路 电动机 图 1-1 无刷直流电动机原理框图 Fig.1-1 The diagram of block diagram of brushless DC motor 1.2 无刷直流机的工作原理 普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场。为了使直流电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断的改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电 动机不断旋转。 无刷直流机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子做成永磁体，这样的结构正好与普通电动机相反。然
9、而即使这样改变还不够，因为定子上的电枢通入直流电以后，只能产生不变的磁场电动机依然转不起来。为了使电动机的转子转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子磁场随着转子的位置不断地变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持 90o 左右的空间角，产生转矩推动转子旋转 5。在换相的过程中，定子各项绕组在工作气隙中所形成的旋转磁场是跳跃式运动。这种旋转磁场在一周有三种状态，每种状态持续 120o。它们跟踪转子，并与转子的磁场相互作用，能够产生推动转子继续转动的转矩。 无刷直流机有多相结构，每种电动机可分为半桥驱动、全桥驱动，全桥驱动又可分为星形和角形联结以及不同的通电方式。因此，不同的选
10、择会使电动机产生不同的性能并且成本也不相同。以下对此作一个对比 : 1)绕组利用率 不像普通直流电动机那样，无刷直流机的绕组是断续通电的。适当地提高绕组通电率将可以使同时通电导体数增加，使电阻下降，提高效率。从这个角度来看，三相比四相好，四相比五相好，全桥比半桥好。 2)转矩的波动 无刷直流机的输出转矩波动比普通直流 电动机的大。因此希望尽量减小转矩波动。一般相数越多，转矩波动越小。全桥驱动比半桥驱动的波动小。 3)电路成本 相数越多，驱动电路所使用的开关管越多，成本越高。全桥驱动比半桥驱动所使用的开关管多一倍，因此成本要高。多相电动机的结构复杂，成本也高。 位置传感器 综合上述分析，目前以三
11、相星形全桥驱动方式应用最多。 1.3 三相无刷直流机星形联结全桥驱动原理 驱动电路开关管的控制原理可用图 1-2 加以说明（图中假设转子只有一对磁极，定子绕组 A、 B、 C 三相对称，按每极每相 60o 相带分布）。 BACBACSNCBACBASN（ a） A 相正向通电， B 相反向通电 （ b）转过 60o BCAASNBC BACABCNS（ c）继续旋转 （ d） A 相正向通电， C 相反向通电转过 60o BCAACBSCBAABCSN（ e） B 相正向通电， C 相反向通电 （ f）转过 60o CBAABCNSCBAABCSN（ g） B 相正向通电， A 相反向通电 （
12、 h）转过 60o 图 1-2 无刷直流机转子位置与换相的关系 Fig.1-2 The diagram of brushless DC motor rotor position and commutation relations 假设当转子处于图 1-1（ a）位置时为 0o ，相带 A、 B、 C在 N 级下，相带 A、 B、C 在 S 级下，这时 A 相正向通电， B 相反向通电， C 相不通电，各相通电波形见图 1-3，产生的定子磁场与转子磁场相互作用，使转子逆时针恒速转动。 当转过 60o 角后，转子位置如图（ b）所示。这时如果转子继续转下去就进入图（ c）所示的位置，这样就会使同一
13、磁极下的电枢绕组中有部分导体的电流方向不一致，它们互相抵消，削弱磁场， 使电磁转矩减小。因此，为了避免出现这样的结果，当转子转到图（ b）的位置时，就必须换相，使 B 相断电， C 相反相通电。 转子继续旋转，转过 60o 角后到图（ d）所示位置。根据上面讲的道理必须要进行换相，即 A 相断电， B 相正相通电，（ e）所示。 转子再转过 60o 角，如图（ f）所示位置，再进行换相，使 C 相断电， A 相反向通电，如图（ g）所示。 这样如此下去，转子每转过 60o 角就换相一次，相电流按图所示的顺序进行断电和通电，电动机就会平稳地旋转下去。 按图 1-1 的驱动方式，就可以得到如图 1
14、-2 所示的电流和感应电动势波形。 以 A 相为例，在转子位于 0o 120o 区间内，相带始终在 S 磁极下，相带 A始终在 N极下，所以感应电动势 Ae 是恒定的。在转子位于 120o 180o 区间内，随着 A 相的断电，相带 A 相和相带 A相分别同时逐渐全部进入 N 极下和 S 极下，实现换极。由于磁极的改变，使感应电动势的方向也随之改变， Ae 经过过零后点后变成正值。在转子位于 180o 300o区间内， A 相反向通电，相带 A 和相带 A仍然分别在 N 磁极下和 S 极下，获得恒定的负感应电动势。在转子 位于 300o 360o 区间内， A 相断电，相带 A 相和相带 A相
15、又进行换极，感应电动势的方向再次改变， Ae 经过过零点后变成正值。因此，感应电动势是梯形波，且其平顶部分恰好包含了 120o 电流方波。转子每转一周，感应电动势变化一个周期。 图 1-3 电流与感应电动势波形 Fig.1-3 The diagram of current and induced voltage waveforms 对于 B 相和 C 相，感应电动势的波形也是如此，只不过在相位上滞后于 A 相 120o 和240o。实际上，感应电动势的梯形波形取决于转子永磁体供磁磁场和定子绕组空间分布，以及两者的匹配情况。感应电动势的梯形波有利于电动机产生一个恒定的转矩。由于在换相时电流不能突
16、变，因此实际的相电流波形不是纯粹的方波，而是接近方波的梯形波，这会使转矩产生波纹。 根据图 1-1 的通断顺序，三相星形联结全桥驱动的通电规律如表 1-1 所列 表 1-1 三相星形联结全桥驱动的通电规律 Tab.1-1 Table of star-connected three-phase full-bridge driver of the power law 通电顺序 正转（逆时针） 转子位置 060 60 120 120 180 180 240 240 300 300 360 开关管 1， 4 1， 6 3， 6 3， 2 5， 2 5， 4 A 相 + + - - B 相 - + +
17、- C 相 - - + + 通电顺序 反转（顺时针） 转子位置 360 300 300 240 240 180 180 120 120 60 60 0 开关管 3， 6 1， 6 1， 4 5， 4 5， 2 3, 2 A 相 + + - - B 相 + - - + C 相 - - + + 1.4 无刷直流机的运行特性和调速原理 设转子永久磁铁所产生的磁场在电动机气隙中是按正弦分布，转子转角为 时，sinmBB 。当定子绕组某相通过直流电流时，电动机产生的转矩为： si nrILBZT mDa （ 1-1） 式中 , DZ 为相导体数； L 为导体的有效长度； mB 为气隙磁通最大值； r 为
18、气隙半径； I 为定子绕组相电流。 无刷直流机的电压平衡方程式为： IREUU a （ 1-2） nKE ea （ 1-3） IKT Ta （ 1-4） 则 可写出机械特性方程式为 : nnTKK RK UUn aTee 0)( （ 1-5） 式中， n 为电动机转速， min/r ； U 为直流电源电压， V； U 为功率晶体管压降， V； aT 为电动机转矩平均值， MN ； R 为电动机内阻， ； eK 、 TK 分别为电势系数、转矩系数。 和直流电动机一样，当 U 变化时即改变 0n ，电动机可以进行无级调速。但实际的无刷直流机调速系统使用微机控制，把检测到的端电压信号送到 DSP，计
19、算出电动机的转速，再与给定的转速比较，输出 PWM 信号，控制开关管的通断，从而控制电动机电流（电压）大小，是电动机的转速变化。其调速原理是通过电子开关把交变的方波电 流送入定子绕组，由开关频率的变化引起电动机转速的变化 7。 2 系统硬件平台设计 2.1 系统总体方案设计 系统总体的硬件电路可分为以下几个部分 : 1)DSP 控制系统电路设计 2)功率主电路设计 3)检测电路设计 4)故障处理保护电路设计。系统的总体的硬件框图如图 2-1 所示 电流检测光电隔离反电势检测电路故障保护过欠电压检测电路起停键晶振电路 6 路 PWM6 路ADSPIPMBCBLDCM3图 2-1 系统总体硬件框图 Fig.2-1 The diagram of overall system hardware block diagram 前级整流滤波电路提供给整个系统稳定的直流电源；逆变电路选用的是 IPM 模块，由DSP 提供的 6 路 PWM 信号经过高速光耦的隔离后经驱动电路驱动从而控制电机的运转；反电动势检测电路则是提供给 DSP 信号用来确定转子位置的。保护电路则是对整个系统提供安全的保护措施，包括过压、欠压等。 2.2 功率主电路 由于无刷直流机的供电电压为直流，在其定子中流过的是交流电的原因，所以对于系统的主电路来说采用常用的交 -直 -交变换。
