1、摘要I分类号： 密级： UDC： 学号： 东 南 大 学硕 士 学 位 论 文双凸极永磁电机无位置传感器控制系统研究研究生姓名： 导师姓名： 教授申请学位级别 工学硕士 学科专业名称 电机与电器 论文提交日期 年 月 日 论文答辩日期 年 月 日学位授予单位 东 南 大 学 学位授予日期 答辩委员会主席 评 阅 人 年 月 日东南大学硕士学位论文II东 南 大 学硕 士 学 位 论 文双凸极永磁电机无位置传感器控制系统研究系 别：电气工程学院专 业： 电机与电器 中国 南京二 00 七年五月摘要III摘要双凸极永磁电机（简称 DSPM 电机）是一种高性能宽调速电动机，正日益受到重视。转子位置是
2、 DSPM 电机运行控制中的一个重要信息，它不仅是电源开通与关断的时间基准，而且是转速闭环控制中实际转速计算的依据。论文以 8/6 极定子永磁型 DSPM 电机的两相运行为基础，详细分析了多种无位置传感器控制方法的原理，比较了它们的各自特点，最终选用了“反电势过零检测法” ，设计了位置信号检测电路，主要包括：隔离采样，巴特沃思二阶滤波，过零比较等，最后得到反电势的过零点，经过再一次光电隔离送入到微处理器。在得到准确的位置信号后，经过微处理器计算转速和转子位置，由正弦波发生器产生正弦波参考电流，通过硬件比较和斩波电路，控制功率器件的开通关断，实现 DSPM电机的无位置传感器控制下的两相运行。论文
3、还介绍了无位置传感器控制方法常用的起动方法，深入讨论了“三段式”起动技术，对“三段式”起动技术中转子预定位、外同步运行和切换运行进行了详细的分析。基于 DSPM 电机两相的独立运行，对于“三段式”起动技术中的外同步运行，在传统的外同步方法的基础上，还提出了可以采用间接单相外同步法来实现外同步运行，大大提高了起动的可靠性。最后，设计制作了实验装置，并进行了实验研究，实验结果验证了整个控制系统的可行性和正确性。关键词：DSPM 电机，无位置传感器，反电势过零检测法，起动方法，间接单相外同步法东南大学硕士学位论文IVABSTRACTThe new DSPM motor drive system is
4、 a competitive candidate in variable-speed operation drive with high performance, attracting more and more attentions. The rotor position information of DSPM motor drive is essential to determining the switching sequence and the speed of the rotor. In this thesis, the key features of different senso
5、rless control strategies are compared and the applicability to the DSPM motor drive is analyzed. At last, back-EMF method is selected. The circuit of rotor position detection and the main hardware and software for the control system are presented. The circuit of rotor position detection is comprised
6、 of isolated sample of the terminal voltage, the Butterworth second-order low pass filter, zero-crossing detection and optical isolated circuitry. According to the exact rotor position signals, the MPU calculates the rotor speed and position, and then the DDS produces the referenced current wave. By
7、 using the developed control system, the DSPM motor operates in two-phase operation with sensorless control. Because of the lack of self-starting ability for the DSPM motor controlled by the Back-EMF method, the “Three-step Starting Technique” is analyzed and adopted to the DSPM motor. The rotor pre
8、-setting, accelerating and state-changing step of three-step Starting Technique is discussed in detail. Base on the independent control of each phase in DSPM motor, a new accelerating method, indirect-one-phase operation, is proposed. This method improves the reliability of starting technique greatl
9、y.Finally, a prototype drive system is designed and built, and experiments are carried out. The results verify the feasibility and correctness of the developed sensorless control system for the DSPM motor.Key words: DSPM motor, sensorless control, EMF zero crossing detecting method, Starting Strateg
10、y, indirect-one-phase operation目录V目录摘要 .IABSTRACT.II目录 .III第 1 章 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 DSPM 电机的基本结构 .21.3 DSPM 电机的国内外发展状况 .31.4 电机的控制方法 .41.4.1 带位置传感器控制方法 .41.4.2 无位置传感器控制方法 .51.5 本文研究的主要内容 .6第 2 章 DSPM 电机调速系统基本理论 .82.1 DSPM 电机四相运行原理 .82.2 DSPM 电机两相运行原理 .112.3 小结 .15第 3 章 无位置传感器控制方法研究 .163.1 无位置传感器控制方
11、法的比较 .163.2 反电势过零检测法原理及实现 .173.2.1 隔离采样与滤波电路 .183.2.2 过零比较与光电隔离电路 .203.3 起动方法研究 .213.3.1 转子预定位 .213.3.2 外同步运行 .223.3.2.1 传统外同步运行 .223.3.2.2 间接单相外同步法 .233.4 转子位置误差校正 .253.5 仿真实验结果 .263.6 小结 .27第 4 章 DSPM 电机无位置传感器控制方法硬件电路设计 .284.1 两相控制系统的硬件总体设计 .284.2 功率变换电路 .28东南大学硕士学位论文VI4.3 隔离电路 .304.4 主控制电路 .304.4
12、.1 微控制器 .304.4.2 正弦波发生器 .314.5 斩波信号产生电路 .324.6 电流检测电路 .344.7 位置检测电路 .354.8 小结 .36第 5 章 DSPM 电机无位置传感器控制方法软件设计 .375.1 总控制程序设计 .375.2 起动阶段程序设计 .385.2.1 转子预定位 .385.2.1 外同步运行 .385.2.1 传统外同步运行 .385.2.2 间接单相外同步法 .395.3 参考正弦波参数的计算 .405.4 AD9854 的编程 .415.5 转速显示子程序 .435.6 小结 .44第 6 章 实验结果与分析 .456.1 实验平台及设备 .4
13、56.2 DSPM 电机发电机运行调试结果 .466.2.1 电压传感器输出波形 .476.2.2 位置信号 .476.2.3 参考电流波形 .486.3 DSPM 电机电动机运行实验结果 .496.3.1 起动过程 .496.3.1 稳态实验数据 .506.4 小结 .52第 7 章 总结与展望 .53致谢 .54参考文献 .55攻读硕士研究生期间发表论文情况 .57第 1 章 绪论1第 1 章 绪论1.1 课题背景从十九世纪初，奥斯特、法拉第先后发现电磁感应现象，提出著名的电磁感应定律开始，电能经过了近两个世纪的发展，人们为了生产和利用电能，积极致力于电机和电力工业的研究开发，由不知到知，
14、由初级到高级，电能已经渗透到生产、生活中的每个角落，现代社会最不可缺少的便是电能。电机，作为现代社会电能与各种能量之间的转换的主要装置，也在两百年里经历了长足的发展 1。电力工业的发展是以电机制造工业的发展作为基础的，发电机把自然界中的各种形式的能量转换为电能，显然，没有发电机，就没有电能的大规模生产和利用。在工矿企业和农业生产中，以及我们的日常生活中，需要大量的电动机，实现电能的转化。同时，随着工业企业电气化、自动化、电脑化的发展，还需要众多的各种容量的精密控制电机，作为整个自动化控制系统工作中的重要元件。然而，从二十世纪九十年代以来，全世界都面临着能源危机及环境的恶化，要缓解能源短缺等矛盾
15、，除了不断开发利用新能源和增加发电能力外，就是研制新的节能设备，提高能源的利用率。因此随着电力电子技术和现代控制技术的发展，以及新型永磁材料的出现，人们在传统电机的基础上，研制出了永磁电机（Permanent Magnet Motor，简称 PM 电机） ，开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，简称 SR 电机） ，永磁无刷直流电机（ Brushless DC motor with permanent magnet，简称 BLDC 电机）等新型高性能电机。稀土永磁材料的出现，将 PM 电机的研发和应用推向了新阶段。与电励磁电机相比，PM 电机，特别是稀土永磁电机具有
16、结构简单，运行可靠，体积小，质量轻，损耗小，效率高等优点 2。SR 电机早在一百六十多年前，就已经被提出，但由于受到当时技术水平的限制，电机的性能不佳，未能引起人们的重视。直到二十世纪七十年代末，SR 电机的发展才出现了新的生机。SR 电机是一种典型的机电一体化装置，调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。其结构简单牢固，定转子均为凸极结构，定子齿上安放有集中式绕组，转子无绕组和永磁体；调速范围宽，调速性能优异，且在整个调速范围内都具有较高的效率，系统可靠性高。这些优点，使得 SR 电机在各种需要调速和高效率的场合均得到了广泛的使用，如电动车驱动、通用工业、家用电器、纺织机械、电力传动系统等
17、各个领域。SR 电机由于其独特的双凸极结构，控制方式与传统的电动机完全不同。在 SR 电机驱动系统中，主要包含有电机本体、功率变换器、控制器与位置检测四个部分。SR 电机最常用的控制方式有两种，即电流斩波控制和角度位置控制，两种控制方式的结合使 SR 电机实现较大转速范围内的平稳运行 3。BLDC 电机是近年来随着微处理器技术的发展、新型电力电子器件等应用的基础上发展起来的一种新型直流电机。BLDC 电机在电磁结构上和有刷直流电动机一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子上安装永久磁钢，定子采用电子换向代替了有刷电机的电刷和机械换向器。它既保持了普通直东南大学硕士学位论文2流电动机良好的调速性能，
18、又具有结构简单、起动力矩大、调速范围宽、无滑动接触和换向火花等突出优点 4。随着研究的深入，以上这些电机的缺点也不断地显现出来。对于 SR 电机：第一，该电机只有在绕组电感随转子位置角增大时才给绕组通电以产生正转矩，因而一个极距内可以用来产生转矩的两个区域只有一个可以利用，大大降低了运行效率和材料的利用率；第二，SR 电机绕组电流中不仅包含转矩分量，还有励磁分量，因此不仅增大了绕组和功率变换器的伏安容量，还产生额外的附加损耗；第三，由于绕组电感较大，为了避免出现绕组关断后电流延续到负转矩区，必须提前关断绕组，这样电机的出力就削弱了。永磁体在转子上的永磁无刷直流电机，转子结构复杂并且结构不够牢固
19、，转动惯量比较大，在电机高速运行时，永磁体容易发热而冷却困难。为了克服电机的这些缺点，同时保留它们的优点，美国 Wisconsin-Madison 大学的 T.A.Lipo 教授等于二十世纪九十年代初首先在 SR 电机中嵌入了高性能永磁体，从而产生了双凸极永磁电机（Doubly Salient Permanent Magnet Motor，简称 DSPM 电机） ，并引起众多学者的关注。1.2 DSPM 电机的基本结构DSPM 电机其基本结构与 SR 电机相同，即定转子均为凸极结构；定子上装有集中式绕组，径向相对齿上的绕组串联构成一相；转子上既没有绕组，也没有永磁体，适合高速运行。与 SR 电
20、机的不同之处在于，DSPM 电机定子铁芯中放置了高性能永磁体。为了避免单边磁拉力，定转子沿径向是对称的，因此 DSPM 电机的定转子极数均为偶数。 DSPM 电机的相数 m、定子极数 Zs 和转子极数 Zr 之间在满足式 ( 1-1 )关系时，也可以有多种组合，如 6/4 极、8/6 极、12/8 极等等。BNSNSCDA转 子绕 组永 磁 体定 子图 1-1 定子永磁型 8/6 极 DSPM 电机( 1-1 )kZmsr2DSPM 电机继承了 SR 电机结构简单，制造工序少的优点，同时它在绕组电感随转子位置角增大和下降的两个区域内均可以通电工作，大大提高了电机的运行效率和材料的利用率。第 1
21、 章 绪论31.3 DSPM 电机的国内外发展状况1992 年，美国著名电机专家 T.A.Lipo 教授等人首先提出了现代双凸极永磁电机的概念，并进行了大量的理论和实验研究。T.A.Lipo 等人先设计了一 6/4 极 DSPM，结构如 Error! Reference source not found.所示，定转子皆为凸极结构，定子上有集中绕组，转子上无绕组，并且在定子上嵌有永磁体。同时建立了该电机的数学模型，分析了该电机的电磁特性及工作原理。除了研究电动机机构以外，T.A.Lipo 等人还研究了 DSPM 电机作为发电机使用的结构，提出了可作为汽车发电机使用的单相 DSPM 电机，结构如图
22、 1-3 所示 5。图 1-2 6/4 极 DSPM 电机截面图永 磁 体B相A相图 1-3 单相 DSPM 发电机除此之外，国内外的其他学者也对 DSPM 电机展开了各方面的研究。罗马尼亚 Radulescu M.M.等人开发出了一种适合于家用电器的小型 DSPM 电机。在 T.A.Lipo等人基础之上，罗马尼亚人 IonBoldea 和英国人 R.P.Deodhar 等，提出并开发了专用于发电的双凸极永磁电机 FRM（Flux Reverse Machine） 。国内，东南大学的教授等率先对 DSPM 电机展开了研究，获得了多项国家自然科学基金项目的资助，取得了一系列的成果，其中包括，提出
23、 8/6 极 DSPM 电机的结构，建立其数学模型并分析了电气特性；并且首次提出了 8/6 极 DSPM 电机的两相运行方式，可以从理论上完全消除转矩脉动6,7。华中科技大学詹琼华教授提出了一种单相双凸极永磁电动机，其结构特点克服了电机不能提供起动转矩的缺点，使之具备了电动功能 8。浙江大学的陈永校教授等人也对 DSPM 电机展开了研究，设计了小功率的 DSPM 电机，比较了 DSPM 电机和 SRM 电机磁场分布的不同，指出 DSPM 电机的互感影响比 SRM 电机大，其效率、功率密度等指标均比 SRM 电机好 9。南京航空航天大学、西北工业大学等国内其他机构也相继对 DSPM 电机展开了研
24、究，并且都取得了相当不错的成果。DSPM 电机正受到国内外学者的广泛关注，但目前的研究方向大都集中在电机结构分析设计和性能分析上，相对的控制策略研究较少。为了进一步提高 DSPM 电机的效率，减小转矩脉动，提高实际应用性，需要对控制器和控制策略的设计进行更加深入地研究。东南大学硕士学位论文41.4 电机的控制方法DSPM 电机的控制与 SR 电机有类似之处，但由于 DSPM 电机在一个导通周期内的正、负半周绕组都通电，因此也有自身的特点。DSPM 电机不能直接接于工频交流电源或直流电源上运行，而必须经过功率变换器在特定的转子位置开通和关断电源，达到控制绕组电流大小和方向的目的，使电机处于正确的
25、运行状态。由 DSPM 电机构成的驱动系统除了电机本体以外，主要包括：功率变换器、微机控制器、驱动电路、位置传感器和电流传感器等。在 DSPM 电机的运行过程中，及时了解转子位置及其与电机磁链变化之间的关系是给定功率变换器开关信号的前提。获得位置信号的方法主要有两种，含有机械结构的检测方案和不含机械结构的检测方案，据此可以将 DSPM 电机的控制方法分为两种：带位置传感器控制方法和无位置传感器控制方法。1.4.1 带位置传感器控制方法带位置传感器控制方法，指的是在电机定子上安装位置传感器来检测转子在运转过程中的位置，将转子磁极的位置信号转换成电信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息。所用的位置传感器有多种，如光敏式位置传感器、磁敏式位置传感器、电磁式位置传感器等等 10。最为常用的是光敏式传感器，由光电脉冲发生器和码盘组成。光电脉冲发生器一般由光耦构成，码盘的齿槽角度与转子齿槽相对应。当转子未转到一定位置时，光耦中间为空，则光耦后级饱和；当转子正好转到一定位置时，光耦中间被码盘的齿遮住，光耦后极截止。利用光
