1、 本科 毕业设计 基于反电动势法的无刷直流电机控制系统建模与仿真 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 直流无刷电机即具备交流电机结构简单、运行可靠、维护方便的优点，同时也具备直流电机运行效率高、无励磁损耗、调速性能优异等 优点，因此，其被应用于家电、化工、仪器仪表等诸多领域，其产量也在逐年攀升。 直流无刷电机控制按照有无位置传感器，可分有位置传感器无刷直流电机控制和无位置传感器无刷直流电机控制。若采用有位置传感器检测电机转子位置，那么势必增加电机的引线及体积，而在很多特定环境下，电机的体积被严格限制，如计算机系统的硬盘驱动器、光
2、盘驱动器等。而采用无位置传感器控制，电机不但在体积上得到优化，其应用环境更加宽广，因为其不受高温、低温、空气腐蚀、振动及电机高速运行给传感器带来的影响。因此无位置传感器无刷直流电机控制技术成为目前无 刷电机主流研究方向。 本文对无刷电机结构、工作原理进行了分析，并在该基础上，提出了反电势过零检测法检测转子位置。针对滤波电路对检测信号造成的相移，文中给出了多种补偿方法，对不同的相移角有不同的补偿模式，并由此定义了最佳换相逻辑。然而电机反电势大小与电机转速成正比，若电机处于低转速或起动状态，则很难检测到反电势信号。因此，对于采用反电势控制技术的电机，必须通过其他方式来解决电机的自起动难题。文中阐述
3、了多种无刷电机自起动方式，例如预定位起动法、外同步升压起动法、三段式起动法等。目前应用最为广泛的无位置传感器无刷 直流电机起动方式是三段式自起动，其分为预定位、外同步加速、状态切换三个部分，文中对此进行了详尽的分析。 为了改善电机的调速特性，提高电机调速系统的稳定性，本文采用由电流环和转速环构成的双闭环调速系统对电机进行调速控制，并运用 MATLAB/SIMULINK 仿真软件对电机系统进行建模仿真，通过对电机转矩、转速仿真曲线的分析，观察电机其动态、静态特性。 关键词 ： 无刷直流电机；反电势法；三段式起动；建模与仿真 II Abstract Brushless dc motor with
4、simple structure, convenient maintenance, reliable operation as the same with ac motor, and with high efficiency DC motor, no excitation loss, speed performance as the same with dc motor. So its being used in home appliances, chemicals, instruments and so on, the production increased year by year. A
5、ccording to whether the sensors, the motor can be divided into a position sensor control and sensorless control. If using a position sensor detects the rotor position, it must increase the size and wire of the motor. In many particular circumstances, the motor size is strictly limited, such as the c
6、omputer system hard drive, optical drive, etc. The use of sensorless control, the motor is optimized not only in size, and its broader applications, because it unaffected with heat, cold, air corrosion, vibration, and motor speed to run the impact of the sensor. Therefore, the sensorless brushless D
7、C motor control brushless motor technology as the mainstream of current research. This paper analyzes the brushless motor structure and principle. Then, in order to determine the rotor position, it puts forward back emf zero assay. In allusion to the test signal phase shift of the filter circuit, th
8、is paper gives variety of compensation methods. To different phase shift Angle have different compensation mode, and define the best commutation logic. However, the size of the motor back EMF motor speed is proportional to the motor. At the low speed or the starting state, it is difficult to detect
9、the back EMF signal. Therefore, for the use of anti-motor control, we must solve the problem self-starting motor be other ways. So different phases shift Angle have different compensation modes. According the characteristics, we define the best commutation logic. For the motor starting problems of a
10、dopting the back emf control technology, this paper analyzes the various brushless motor start-up modes, For example, pre-position starting, external synchronous boost starting, three-step starting. At present, the most widely used sensorless brushless dc motor start-up mode is three-step start. It
11、into reserve bits, external synchronous speed up, state-transition three parts, this paper carries out a detailed analysis. In order to improve the speed of the motor, and the motor speed control system characteristics, this paper adopts the stability of velocity loop by current loop and the double
12、closed loop speed regulation systems constitutes of motor speed control, and use MATLAB/SIMULINK software to model and simulate the motor system. Then observe the motor dynamic and the static characteristics with anglicizing the torque and the speed of simulation curve. Key Words: BLDC Motor; Back e
13、mf method; Three-step start technique; Modeling and simulation III 目录 第 1 章 绪论 . 5 1.1 无刷电机概述 . 5 1.2 无刷电机控制控制方式 . 2 1.2.1 有位置传感器控 制方式 . 2 1.2.2 无位置传感器控制方式 . 2 1.2.3 有位置传感器控制方式与无位置传感器控制方式比较 . 4 第章 “反电势法”直流无刷电 机控制原理 . 5 2.1 无刷直流电机的基本组成环节 . 5 2.2 直流无刷电机基本工作原理 . 6 2.3 无刷直流电机数学模型 . 8 2.4 本章小结 . 9 第章 反电势
14、检测转子位置 . 10 3.1 反电势无刷电机控制原理 . 10 3.2 反电势过零信号检测方法 . 10 3.2.1 端电压法 . 10 3.2.2 相电压法 . 12 3.3 反电势过零检测方法分析 . 13 3.4 滤波电路引起的反电动势信号相移误差分析 . 14 3.4.1 时的相移补偿 . 15 3.4.2 时的相移补偿 . 15 3.4.3 延迟 换相方法 . 16 3.5 本章小结 . 17 第章 基于反电势法直流无刷电机起动方式 . 18 4.1 无刷电机起动方法 . 18 IV 4.1.1 预定位起动方式 . 18 4.1.2 短时检测脉冲转子定位起动方法原理及实现过程 .
15、18 4.2 三段式起动方法 . 19 4.2.1 转子预定位 . 19 4.2.2 外同步加速 . 20 4.2.3 状态切换 . 21 4.3 本章小结 . 22 第章 无刷直流电机控制系统建模与仿真 . 23 5.1MATLAB/SIMUILINK 的主要特点 . 23 5.2 电机控制系统整体结构设计 . 23 5.3 基于 MATLAB/SIMULINK 直流无刷电机的建模仿真 . 24 5.3.1 电机本体模块 . 24 5.3.2 电流滞环控制模块 . 25 5.3.3 三相电压逆变模块 . 26 5.4 仿真 . 27 5.4 本章小结 . 27 结论及技术展望 . 28 致谢
16、 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 29 V 第 1 章 绪论 1.1 无刷电机概述 电动机分为异步电动机、直流电动机和同步电动机三种。容量小的几瓦，大的上万瓦。其中直流电机具有运行效率高和调速性能好等很多优点。但由于传统的直流电机采用的大都是电刷，以机械方式进行换向，因而存在机械摩擦，并由此带来无线电干扰、火花、 噪声以及寿命短等致命的弱点，再加上其制造成本高且维修困难的缺点，大大限制了直流电机的应用范围。在此背景下科学家研发了无刷电机。 无刷直流电动机（ Brushless DC Motor，简称 BLDCM）是近年来随着新型电力电子器件、微处理器技术、新型控制理论的发展，以及低成本
17、、高磁能积的永磁材料的出现而发展起来的一种新型的直流电机。无刷直流电机集交流、直流电机的优点于一体，它既具有交流电机结构简单、维护方便、运行可靠的优点，又具备直流电机调速性能好、运行效率高的优点，同时其无励磁损耗。 无刷直流电动机为实现无刷换 向，首先把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，而把永磁磁钢放在转子上，这样的结构与传统的直流永磁电动机恰好相反。而仅仅这样做还是不行，因为用一般直流电源给定子上的各绕组供电，只能产生固定磁场，他不能与运动中转子磁钢所产生的永磁场相互作用，以产生单一的转矩来驱动转子转动。因此，直流无刷电动机除了定子和转子组成电动机本体外，还要有由控制电路、位置传感器以及功
18、率逻辑开关共同构成的换向装置，使直流无刷电动机在运行过程中定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产生永磁磁场，在空间上始终保持在 90左右的电角度，从而产生 最大的电磁转矩驱动电动机不停地转动。 在上世纪 30 年代，就已经有人开始研究以电子换向来代替电刷机械换向的直流无刷电机。但由于当时的大功率电力电子器件仍处于初级发展阶段，没能找到理想的电子换向元器件。使得这种电机停留于实验阶段而无法投入使用。 1955 年，美国的哈利森等人首次申请了应用晶体管来代替电机的机械换向的专利，这是现代直流无刷电机的雏形。此后经过几代人多年不懈的努力，通过借助霍尔元器件来实现换向的直流无刷电机终在 1962 年
19、问世，从而开创了直流无刷电机产品化的新纪元。 1978 年，西德的 MANNESMANN 公司在汉诺威贸易博览会推出了 MAC 方波无刷直流电机及其驱动器，其标志着无刷直流电动机电子换相真正进入实用阶段。 1986 年 H.R.Bolton 对方波无刷直流电机进行了全面的研究分析，成为了研究方波无刷直流电机的经典文献，其标志着方波无刷直流电机的理论技术达到成熟。进入上世纪90 年代，永磁材料的出现和完善 , 特别是钕铁硼的耐腐蚀性能和热稳定性的进一步发展和改进，加上电力电子器件的高性能化、大容量以及传动控制技术和功率变换技术的确立，还有被用于控制的 MPU、 DSP、 ASIC 等电子设备的低
20、价格、高速化，使得无刷直流 电动机系统控制技术在最新控制理论上取得了飞跃性的进步，在提高性能和扩大应用领域等方面有了长足的发展。 近年来，由于永磁材料的性能不断提高而其制造成本却不断的下降、电力电子技术日新月异的发展以及各个领域对电机性能的要求越来越高等因素的影响，极大的促进了直流无刷电动机在应用领域的迅速扩展。其被应用于计算机领域、家用电器领域、工业领域、交通工具领域、医疗器械领域等，并且该种电机在现代国防、通信、机器人，航空航天等高科技领域都有着很广泛的应用前景。但是，相对于其它类型电动机来说，无刷直流电动机还是一种2 新型的电动机， 它的控制更是与控制理论、电力电子技术等息息相关，因此，
21、对无刷直流电动机本体及其控制方法进行系统而又深入的研究有着十分重要的意义。 1.2 无刷电机控制控制方式 无刷直流电机的控制方式按照有无转子位置传感器可分为：无位置传感器控制和有位置传感器控制。 1.2.1 有位置传感器控制方式 有位置传感器控制方式是指将位置传感器直接安装在无刷直流电机的定子上以检测转子在运行中的位置，将转子位置的磁信号转化为电信号，来控制电子换相电路中的功率开关管的开关状态，保证电机各相按顺序导通，在空间形成跳跃式的旋转磁场，驱动永磁转子 连续不断地旋转。目前直流无刷电机中常用的位置传感器有磁敏式位置传感器（霍尔位置传感器）、光电式位置传感器（遮光板）、电磁式位置传感器等。
22、 电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现其位置测量作用的，有铁磁谐振电路、接近开关、开口变压器等多种类型。电磁式位置传感器具有工作可靠、输出信号大、寿命长、适应性强、使用环境要求不高、结构简单和紧凑等优点；但这种传感器信噪低，体积较大，同时其输出的交流波形，需要经整流、滤波后才可以使用；光电式位置传感器是应用光电效应的原理制成的，由固定不动的光源和跟随电动机转子一起旋转的遮光 板以及光敏晶体管的部件组成。光电式位置传感器性能较稳定，但存在使用环境要求较高、输出信号音噪较大、光源灯泡寿命短等缺陷。若采用新型光电元件，可克服这些不足之处。磁敏式位置传感器基本原理为霍尔效应和磁阻效应，目前常见的磁敏传
23、感器有霍尔集成电路、霍尔元件、磁敏二极管及磁敏电阻器等多种。磁敏式位置传感器可以分为两大类，锁量式和非锁量式霍尔位置传感器。非锁量式霍尔位置传感器应用范围较小，只能应用于简单场合（如 120三相三状态的无刷电机中），锁量式霍尔位置传感器目前有比较成熟的 IC 器件，具有简单可靠、体积小、安装方 便等优点，该传感器现被广泛应用于无刷直流电机 。 1.2.2 无位置传感器控制方式 所谓无位置传感器控制，其正确的理解应该是无机械的位置传感器控制，在电机运转的过程中，作为逆变桥功率器件换相导通时序的转子位置信号仍然是需要的，只不过这种信号不再是由位置传感器来提供，而是由新的位置信号检测方法来代替，即以
24、提高电路和控制的复杂性来降低电机的复杂性。所以目前永磁无刷直流电机无位置传感器控制研究的核心和关键技术是构架一转子位置信号检测线路，从硬件、软件两个方面来间接的获得转子位置的可靠信号，用以触发导通相应的功率开关器 件，驱动电机的运转。近年来，国内外均出现了很多的位置信号检测方法，其中较为成熟的主要有续流二极管法、反电动势法、电感法等。 1.2.2.1 反电动势法 直流无刷电机在起动后，转子磁钢产生的磁通会切割定子绕组进而产生反电动势 E。其大小正比于直流无刷电机的转速，及其气隙中感应强度 B。当转子磁钢极性改变时，反电动势波形的正负也随着改变。所以通过测出反电动势波形的过零点即可确定转子磁钢的
25、精确位置，并以此控制直流无刷电机的换相。此种控制技术我们称之为反电动势控制技术。反电势法按照原理的不同可分为反电势过零检测法、反电势 三次谐波法、反电势积分法。 1.反电势过零检测法 反电势过零检测法是目前实现最简单，技术最成熟，应用最为广泛的转子位置检测方法。这检测方法应用于三相六状态、定子绕组星型连接、 120两两导通方式的无刷直流电机中。3 其原理是：在无刷电机稳态运行时，忽略电机电枢反应，通过检测关断相反电势过零点来获得转子位置的关键信号，从而控制绕组电流的切换，实现电机的运转。这种方法采用三相低通滤波器和电压比较器所组成的电子电路取代传统的机械位置传感器，实现转子位置信号的获得。现在
26、这种方法应用最为广泛，尤其在家电领域。 但是在电机 低速或静止时系统反电势信号很小或为零，系统的低速性能差，在此种方式下需采用开环方法对电机进行起励。另外，由于系统的 PWM 调制会引起的高频干扰信号，需要对反电动势信号进行深度滤波，这样造成与电机转速有关的信号相移，为了保证正确的换相需要进行相移补偿。 2.反电动势积分法 反电势积分其基本原理是：通过对断开相反电势积分来获取转子位置信号，从电势过零点开始对其进行积分，积分结果与参考电压进行比较，当积分达到参考电压值时即是换相时刻。 此方法较为简单，存在的不足之处在于，反电势积分法存在累计误差的问题，在电机低速 运行时误差较大；该方法用到的电压
27、比较器的输出连接的是环形分配器，若发生一次误触发将会导致所有换相顺序的错误。 3.反电势三次谐波法 由于无刷直流电机的反电势为典型的梯形波，其包含了基波及其高次谐波分量，通过对电枢三相相电压的简单叠加，就可以获得 3 次谐波及其奇数倍的谐波，可以从中提取反电动势的 3 次谐波分量，并对其进行积分，当积分值为零时，即为功率器件的开关信号。 对比反电势过零检测法，反电势三次谐波法和负载情况无关、电机速度无关，并且受逆变器的干扰也较小，对电路滤波器的要求低，产生的相移误差小，具备了更宽的调 速范围（ 1006000r/min），电机 可在 5%额定转速下稳定运行，而采用直接反电势法，电机必须在20%
28、的额定转速下运行。 这种方法避免了逆变器开关造成的干扰，但是 3 次谐波的幅值小于反电势的幅值，不易被检测，特别是电机处于低速的情况下， 3 次谐波信号会更弱，检测电路难以获得转子的位置信号。 1.2.2.2 续流二极管法 续流二极管法其本质依旧是反电势法，该方法通过检测反向并联于逆变桥功率开关管的续流二极管开关状态来间接的得到电机绕组的反电势过零点，以此控制逆变器功率开关管的导通顺序。 此方法改善了电机的低速性 能，拓宽了电机的调速范围，其缺点在于对每个续流二极管都必须使用单独的检测电路，并在开关管导通期间要采用 PWM-ON 的工作方式，这导致其实现过程比较繁琐。 1.2.2.3 电感法
29、定子绕组电感法根据定子铁心非线性磁化的特性 ,即靠近转子磁极的定子被强烈磁化。由于电机定子存在铁心磁饱和现象 ， 所以靠近磁极的定子绕组按照顺磁方向电流的变化率大于逆磁方向的电流变化率。电机转子位置不同时 ， 在固定的时间内，通过 PWM变换器给定子绕组施加恒定的电压矢量 ， 使得流过定子绕组的电流值不同 ， 通过比较电流值的大小就可以确定转子的位置。 定子绕组电感法检测转子位置分为位置的精确估计和位置的初步估计两部分。 电机定子绕组电感法实现了无刷直流电机从低速到高速的控制，电机的调速范围达到500 7500r/min,该检测方法的误差小、精确度高，需要对电机绕组电感进行实时的检测，因此4
30、实现难度较大。为了能够方便的、实时的检测，我们可以在不影响电机性能的前提下，对无刷直流电机的结构进行设计，使绕组电感值随着电机转子位置的不同而有着明显的变化。 1.2.3有位置传感器控制方式与无位置传感器控制方式比较 无位置传感器控制 有位置传感器控制 起动力矩 较小 较大 控制电路 较复杂 较简单 软件编程 复杂 简单 安全可靠 高 较差 电机结构 简单 复杂 可维护性 强 较弱 电缆根数 4 8 通过比较可以看出虽然有位置传感器控制方式具有较大的起动转矩，且控制电路简单，但是由于电机结构复杂、体积大，不利于无刷电机的小型化，而在很多场合都需要无刷电机通常作为小型电机使用。另外，相对于无位置
31、传感器，有位置传感器接线多，在输出信号时容易受到外界影响，在高温、低温、高湿、有腐蚀物质、空气污浊等工作环境及振动、高速运行等工作条件下，都会降低电机 传感器的可靠性。无位置传感器控制方式虽然控制电路复杂、对软件编程要求更高，但其不易受外界影响，具有更加安全可靠的性能，制造工艺也相对简单。近年来无位置传感器控制成为了无刷直流电机控制研究的热点，该项技术正向着实业化的方向发展。 表 1.1 两种不同传感器控制方式比较 5 第章 “反电势法”直流无刷电机控制原理 无刷直流电机是随着电子技术发展而出现的新一代机电一体化电动机。它是电子技术和电动机技术结合的产物，由电动机和电子驱动器两部分组成。无刷直
32、流电动机以电子换相代替了普通直流电动机的机械换相，从而无刷直流 电动机具有和普通直流电机相似的线性机械特性和线性转矩、电流特性，因而被称为无刷直流电机。 2.1 无刷直流电机的基本组成环节 由图 2.1 所示，直流无刷电机的结构原理图主要由电动机本体、位置传感器、电子开关 线路三部分组成。由于本文研究的是无位置传感器控制系统，所以控制系统实际上是没有位置传感器的。但是无论有无位置传感器，系统都必须获得转子位置信号，以控制驱动电路，有无位置传感器只是在实现方式上有所不同，其目的是一样的。图中所示位置传感器只是代表 系统需获取转子位置信号。 电动机本体的结构与同步电机相似，但没有笼形绕组和起动装置
33、。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相等），电机转子由永久磁钢按一定的极对数（ p=1， 2，）组成。图 2.1 中的电机本体为三相两极式结构。无刷直流电机 A、 B、 C 三相绕组分别与电路线路中的 V1、 V2、 V3 功率开关器件相连接，位置传感器监控转子位置。 直流无刷电动机转子的永久磁钢与永磁有刷直流电动机中所使用的永久磁钢的作用相类似，都是在电动机的气隙中建立足量的磁场，但他们依然存在差异。直流无刷电机磁钢装在转子上，绕组装在 定子上；直流有刷电机的磁钢装在定子上，绕组装在转子上。如图 2.2 所示为直流无数电机实物图。 电机转子 电子开关线路 位置传感器 A C B X Y Z V1 V2 V3 图 2.1 直流无刷电动机的结构原理图
