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无刷直流电动机发展与现状

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无刷直流电动机发展与现状

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 20 7 年第 3期 第 42卷(总第 136期) (EXPLOSION一PR00FELE CTRICMACHINE) 防 义民电 湘七 无刷直流电动机发展与现状  刘增 磊  程 小 华                      华南 理 工 大 学 电 力 学院 , 广 东广 州 ( 510 64 0)  摘 要  介绍无刷直流电动机的结构、原理、发展过程以及国内外研究现状,着重介绍无位置 传感器无刷直流电动机的关键技术,并且比较几款常用的电机控制专用DSP 芯片。最后,总结无 位置传感器无刷直流电动机中值得深人研究的几个问题。  关键 词  无刷直流电动机 转子位置检测 DSP  中图 分 类 号TM3 文献标识码A 文章编号 108一7281(2加7)03 -(xx〕1一。  The S 纽 tus a nd P ro gr ess o fBrus hiessDCMotor  Liu Ze ng lei a nd Ch eng  Xiao h ua          Ab str ac t ThisPaperin加ducestheconstruction,princiPle,Pro脚 ssandstatusof BrushlessDCMotor(BLD CM),mosUyintroducesthekeytechniquesofsensorlessBLD- CM,andcompare ssomeDSPchipsformotorcontrol1ing.Atlast,someProblemsabout sensorlessBLDCM,whichdeservesfurtherdiscussion,are sum arized.  Ke yw or ds BrushlessD厂Motor,inspectionofrotorposition,DSP. 0 引言 的位置。  直流 电 动 机具有良好的机械特性和调节特 性,但是采用电刷换向的直流电动机结构复杂,且 由于存在机械摩擦,带来了噪声、火花、无线电干 扰以及寿命短等致命弱点,从而大大地限制了它 的应用范围。无刷直流电动机(BrushlessDcMo- to卜 BLDCM)采用电子换向电路换向,既具有传 统直流电动机的优点,同时具有异步电动机的结 构简单、维护方便、运行可靠、寿命长等优点,在国 民经济各个领域的应用日益广泛。 1 无刷直流电动机的结构与原理 1·1 无刷直流电动机的结构仁’一2」  如图 1 所 示,无刷直流电动机可分为电动机 本体、位置传感器和电子换向线路三部分。电动 机本体主要包括带有电枢绕组的定子和永磁转 子,它实际上是一个永磁同步电动机。在电动机 内部,安装有位置传感器,用来检测主转子在运行 过程中的位置。它与电子换向线路一起,代替了 有刷直流电动机的机械换向装置。对于无位置传 感器无刷直流电动机,可通过其他方法检测转子  图 1 无 刷 直 流 电 动 机 结构方框图 1.2 无刷直流电动机的原理〔’一2」  无刷 直 流 电动机是在有刷直流电动机的基础 上发展起来的,就他们内部发生的电磁过程来说, 本质上无多大差别。不同的是,在无刷直流电动 机中,根据位置传感器或其他位置检测方法得到 的位置信号,通过电子换向线路驱动与电枢绕组 相连的功率开关器件,使电枢绕组依次馈电。随 着转子的转动,导通相应的功率开关器件,使得某 一磁极下导体中的电流方向始终保持不变,从而 在主定子中产生跳跃式的旋转磁场,拖动永磁转 子连续旋转,这就是无刷直流电动机的无接触式 换流过程的实质。图2为无刷直流电动机工作原 理方框图。 收稿日期:207刃1一3. 刘增磊 男 1982 年生;华南理工大学电力学院在读研究生,研究方向为新型智能化电器设备. 称梦火阵电 书毛 (EXPLOSION一PROOFELE CTRICMACHINE)  20 7 年 第 3期 第 42卷(总第 136期) 现了当今工程科学领域的许多最新成果。  在转 子 材 料方面:近年来,稀土永磁材料迅速 发展,其矫顽力高、抗去磁能力强,且常规去磁曲 线在大范围线性可逆等特点为永磁无刷直流电动 图2 无刷直流电动机原理方框图 2 无刷直流电动机的发展过程 机的设计开辟了广阔的前景。  在功 率 逆 变电路方面:电力电子技术和功率 半导体器件的发展对无刷直流电动机控制技术的  早在 19 34 年,就出现过采用电子管线路代替 发展影响极大。电力电子功率器件经历了从半控 机械滑动接触的无换向器直流电动机〔’]。但由于 (只能控带研 不能控制关)到全控阶段,从电流控 翻 袋 当时电子器件的技术水平和制造成本的限制,这 制到电压控制(场控),从几千Hz到sokHz以上 种电动机并没有得到发展。 的开关频率的变化,而电机的控制也相应从相控  }l  J 〔    }         电  流 转 变 到  脉 宽 调制技术。50 年代末期出现的 晶闸管器件,取代了原先的电动机一发电机组、交 磁电机扩大机、磁放大器、电子管放大器。在这以 后,这种半控型功率器件一直主宰着电机控制市 W l}WZ BG:车 BGZ 场。从20 世纪70 年代开始先后出现了几种有自 关断能力的全控型功率器件,如可关断晶体管 (GTO)、功率晶体管(CTR)。这些全控功率器件  图 3 最 初 的 无 刷 直 流 电动 机   195 5年 , 美国D·哈利森等人首次申请了应 用晶体管换向代替电动机机械换向器换向的专 利,这就是现代无刷直流电动机的雏形川,其原理 取代了普通晶闸管系统,提高了工作频率,简化了 电路结构,提高了系统的效率和可靠性。原来谐 波成分大、功率因数差的相控变流器己逐步由斩 波器或 PWM变流器所取代,使电机的调速范围 图如图1所示。它有功率放大部分 1,信号检测 部分 n,磁极体和开关电路组成。其工作原理是: 当转子旋转时,在信号绕组W,,或W’2中感应出 周期性的信号电势,此信号电势分别使晶体管 明显增加。其后又出现了功率场效应管(MoS- FET) 、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、MOS控制晶 闸管(IGCT) 等,形成第三代功率器件。这些新型 功率器件采用场控,工作频率可以更高,驱动电路 BG,和 BG:轮流导通。这样,就使功率绕组轮流 馈电,即实现了换流川。但是,当转子不转时,信 号绕组内不能产生感应电势,晶体管无偏置,功率 绕组也就无法馈电,所以这种无刷直流电动机没 有启动转矩,因此,没有产品化。  197 8年  ,原联邦德国 MANNESMANN公司的 Indramat分部在汉诺威贸易展览会上正式推出其 MAC永磁无刷直流电动机及其驱动系统,标志着 永磁无刷直流电动机真正进人了实用阶段。 2 0 世 纪 80 年代以来,国内外对无刷直流电 动机展开了深人的研究。随着大功率半导体器 更简单。目前,第四代的功率集成电路己崭露头 角。功率集成电路是电力电子技术与微电子技术 相结合的产物,它将半导体功率器件与驱动电路、 逻辑控制电路、检测和诊断电路、保护电路集成在 一块芯片上,使功率器件含有某种智能功能,因此 又称为智能功率集成电路。半导体功率器件发展 的另一个方向是智能功率模块(IPM)。它是将多 个(或单个)功率器件组成半桥或全桥,并集成了 快速恢复二极管、栅极(或基极)驱动电路、保护 电路,而形成一个混合模块。所有这些功率器件 的发展都促进了无刷直流电机控制技术的进步。 件、电力电子技术、微电子技术、数字信号处理技  在转 子 位 置检测方面:无刷直流电机运行过 术、现代控制理论的发展以及高性能永磁材料的 程中需要不断地根据转子的位置信号来进行正确 不断出现,如今的永磁无刷直流电动机系统已经 的换向。转子信号一般由位置传感器来获得,常 成为集特种电动机、功率驱动器、检测元件、控制 用的位置传感器有光电式、磁敏式、接近开关式、 软件与硬件于一体的典型的机电一体化产品,体 谐振式、高频藕合式等。由于位置传感器的使用  2   20 7 年 第 3期 第 42卷(总第 136期) (EXPLOSJON一PROOFELECTRICMACHINE) 防 ,刀界电 书‘ 有如下缺点:(1)增大电机尺寸;(2)传感器信号 传输线太多,容易弓}起干扰;(3)高温、低温、污浊 空气等恶劣工作条件会降低传感器可靠性;(4) 传感器的安装精度直接影响电机的运行性能等 等,而且在有些特殊场合下电机根本无法安装位 置传感器。因此,无刷直流电机的无位置传感器 技术近年来日益受到人们的关注,国内外研究人 员在这方面进行了积极的研究。无刷直流电机的 无位置传感器控制的关键在于转子位置信号的获 得,现在比较流行的方法有反电动势法、电感法、 磁链法、旋转坐标法、卡尔曼滤波器法、续流二极 管法、状态观测器法等。 在 换 向 控 制电路方面:随着科技的发展,电子 换向控制器经历了模拟控制电路、模拟数字混合 控制电路、专用集成控制电路、微处理器控制电 路、数字信号处理器控制电路等阶段。从发展趋 势上看,以DSP(Digi磁 Sign习Procesor,数字信 号处理器)为核心的控制电路已经成为无刷直流 电机电子换相控制器的发展方向[‘3〕。以往的无 刷直流电机多由单片机附加许多种接口设备组 成,不仅结构复杂,而且处理速度也受到限制,也 不方便扩展。DSP相对于一般的微处理器在实时 性上有独特的优势,可以实现用软件取代模拟器 件进行高性能控制,可以方便地修改控制策略 ,修 正控制参数,兼具故障监测、自诊断和上位机管理 与通讯等功能。DSP 以其强大的运算能力、极高 的处理速度在控制系统中获得广泛应用,为模糊 控制、神经网络控制、自适应控制、专家系统等具 有自学习、自适应、自组织功能的智能控制的实现 提供了有利的条件。DSP 可为高性能电机控制提 供先进、可靠、高效的数字信号处理与控制平台。 3 无位置传感器无刷直流电机 导通 120“电角度,任一时刻只有两相导通,另外 一相关断。关断相的反电动势过零后,延时 30” 电角度即为该相的导通时刻。所以,检测反电动 势过零点,就可以控制换流。 Ea ,Ia  A  凡 ,几  B  Ec ,Ic  C   图 4 反 电 动 势 波 形 图        3.2.2 反电动势的测量一端电压法  反电 动 势 无法直接测得,只能通过一些间接 方法得到,常用的主要是端电压法。  无刷 直 流 电机的电压方程为  Ua= Rlo + “ ,。/d :+E。+‘。  认= Rl& + “ 丫d ,+E。+Un  Uc= Rlc + “ ,c/d :+E。+认 式中,Ua、认、Uc一端电压;Ia、几、Ic一相电流;E。、 E。、及一反电动势;R一每相的等效电阻江一每相 的等效电感;认一中点电压。  当 AB 相 导通时:  由图 4 可 知,E。+E。=0,几+Ib二0,人二0  Ua+ 认 = R(Ia+几)+L(d,a/d,+d、/d‘)+  (E 。+ E。 ) +Z Un          =Z Un           所, 以,、,Un一,=言1(,Ua_,+认) 奋ua+认’ E。二认 一Un =Uc - (1) 同理 ,可得 E。=ua一合(uc+。) 矛了 吸 ︑ 2︑ ︐ J J 3.1 无位置传感器无刷直流电动机的位置检测 方法[4一”1 3.1.1 反电动势法的原理  反 电动 势 法是最常见和应用最为广泛的一种 无位置传感器转子位置检测方法。假设反电动势 波形为理想梯形波,采用两两通电方式,图4所示 为A、B、C三相的反电动势和电流波形。图中的 梯形波为反电动势波形,非连续的矩形波为电流 波形。从图中可以看出,每相在正负半个周期各 E。=。一合(uc+ua) 了r . ︑ ︐J ︑ ︐.J 夕  方程 ( 1) 、(2)、(3)表示了反电势和端电压之 间的关系。所以,只需测量端电压的值,根据方程 (1)、(2)、(3)就可得到反电动势的值,这就是端 电压法。图3中的接地电阻 R:、RZ、R3即为测量 端电压之用。 3.2 无位置传感器无刷直流电动机起动方 法汇9一’2] 花犷刀民电 书‘ (EXPLOSION一PR00FELECTRICMACHINE)  200 7年第3期 第 42卷(总第 136期)  反电 动 势 与转速的关系为  E= C en      式中,Ce一电机在额定磁通下的电动势系数;E一 反电动势;n一转速。  对于 采 用 反电动势法的无传感器无刷直流电 动机,电机起动时,转速从零开始增大,有一段时 间转速很小,所以反电动势也很小,反电动势法无 法正常工作。针对这个问题,采用反电动势法检 测转子位置的无刷直流电机需要采取特殊的起动 方法,比如三段式起动法。 三 段 式 起 动,顾名思义,就是把电机的起动过 程分成三个阶段:定位、加速、切换。 ( 1) 定 位 。电机静止时的转子初始位置决定 了逆变器第一次应触发哪两个功率器件,而在没 有位置传感器时判断转子初始位置很复杂。可以 先让逆变器任意两相导通,并控制电机电流,通电 一段时间后,转子就会转到与该导通状态相对应 的一个预知位置,完成转子的定位。 ( 2) 加 速 。转子定位后,根据电机转向,就可 知道接下来应触发的逆变器功率器件。在这个阶 段,把无刷直流电机按他控式同步电机的状态运 行。如图5,信号选择电路屏蔽掉转子位置检测 器检测到的反电动势信号 CPA 、CPB、CPC ,而改 由外同步信号 SYA、SYB、SYC来触发逆变器功率 器件的导通。逐步提高外同步信号频率,电机就 工作在他控式变频调速同步电动机状态。  一     信 号 选 择 电 路        ̄ .川  转 }仁pA 逆  一   }子 厅斗二 变 端 1位 】。p。 器 电 .一州 算尸升 触 压 }鲁 }cp(二 发  !召 玛 {书 令 一‘             十 ., 一 一 器 ! 井恻丛漫 信 号 转 信 ︵︑ A 主 速 判 号 -一 发  ̄︑ B -一 控 别 生 5C 橄绷器 切换命令{ 制 器器 器 中央处理 器  图 5 三 段 式 起 动 技 术 电路 框 图  (3) 切 换 。当转速上升到一定值以后,反电 动势信号cPA、cPB、CPC已经足够强大,此时,关 掉外同步信号 SYA 、SYB、SYC ,逆变器功率器件 触发的工作交由反电动势信号CPA 、CPB、CPC 完 成。至此,起动过程完成,电机恢复到无刷直流电 机的运行状态。  4   值得 注 意 的是,加速过程中,随着转速的增 高,提高外同步信号频率的同时,外施电压也要相 应的增大,因为反电动势随着转速的增大在增大。 另外,由于他控式变频调速同步电动机运行不稳 定,因此必须设计合理的加速曲线(一种较好的 方法是先确定加速曲线上的3一4个关键点,再采 用曲面造型技术中的NURBS曲线进行拟合,求出 整条加速曲线的数学表达式)。在切换过程中, 如果反电动势信号与外同步信号的相位差过大, 可能会导致失步,因此需要采取一些措施避免这 种情况。  其他 的 起 动方法还有预定位起动法、升频升 压同步起动法、短时检测脉冲转子定位起动法等 等。各种起动方法有各自的优缺点和适用场合, 采用何种方法应视具体情况而定。随着研究的进 一步深人,各种性能优越,适用范围更广的起动技 术必将相继出现,使采用反电势法检测转子位置 的无刷直流电机的应用越来越广泛。 4 电机控制专用 DSP芯片介绍  按照 用 途 分类,DSP 可分为通用型芯片和专 用型芯片。专用型芯片是为特定的数字运算而设 计,如数字滤波、卷积。通用型 DSP 芯片的功能 和用法类似于一个高速单片机。  Tl、 AD 、M otrola三家公司都生产电机控制专 用 DSp芯片。  各系 列 产 品中功能最强的 DsP分别是 TMS32OL几407A、ADMC401和 DSP56F807,其余 均是这三种数字信号处理器的功能简化版本。这 些芯片内部集成高性能 16位定点数字信号处理 器和控制系统所需的各种外设。  例如 , TM S320L几407A「‘,」主要特性包括:① 指令执行速度最高可达40MIPS (每秒执行百万条 指令),指令周期为25ns,具有P玩(Phase一Locked- 1加P)锁相环时钟模块;②32Kxl6 位的内存 (RashMemory)。2.SKxl6位片内RA M,256字 BotROM,可外部扩展数据存储器 64Kxl6 位 而9沮m、64Kxl6位 Data;③两个事件管理器模 块(EVA 、EVB),两个模块内含:2x2个 16位定 时器、2x8路 16 位 PWM通道(死区时间可编 程)、2x2个正交编码脉冲电路接口、2x3个捕获 通道;④2x8路 10位灯D转换通道,最快速度可  200 7 年 第 3期 第 42 卷(总第 136期) (EXPLOSION一PROOFELECTRICMACHINE) 称犷爆 电 湘七 达375ns;⑤1个专用数字 FO口和40 个多路复 用数字 FO口;⑥1个串行通讯接 口模块(Serial Communicationlnterface,SCI)、1个16位串行外设 接口模块(Serialperipheral lnterface,Spl);⑦CAN 总线接口模块 CANZ.OB;⑧5级外部中断(功率 驱动保护、复位、不可屏蔽中断 NMI和两个可屏 蔽中断),允许用户自定义中断类型;⑨仿真专用 接口ITAG;⑩14 LQFP 封装形式。  这些 系 列 产品各有特点,用户可根据不同的 设计要求选择适当的型号。 5 无刷直流电动机中有待深入研究 的几个问题[’8] 5.1 转矩脉动 在 前 文 中 介绍无刷直流电动机的原理时提到 主定子中产生的是一种跳跃式的旋转磁场,因此 转矩不可避免的存在脉动。实际上这是由于电枢 绕组和相应的开关元件数目总是有限的,电流换 向使得电枢磁场呈现步进性。 另 外 , 齿 槽效应引起气隙合成磁场发生畸变; 绕组电感的影响使得输人定子绕组的相电流不可 能是理想的矩形波,使反电动势与理想波形的偏 差加大;电枢反应影响气隙合成磁场等因素也会 使转矩脉动。  转矩 脉 动 的根本原因在于气隙合成磁场和定子 绕组相电流的波动。因此要减小转矩脉动,就应该 采取措施保证气隙合成磁场和相电流的稳定。 5.2 无位置传感器转子位置检测  前文 已 经 介绍了 “反电动势法”,但这种方法 的基本原理是建立在忽略电枢反应影响的前提下 的,这在原理上就存在一定误差。而且在起动和 低速时,反电动势法不再适用。因此,转子位置检 测是无刷直流电动机研究的一个重要问题。 5.3 最佳换向 转 矩 脉 动 主要是由电拐故 向弓!起的。因此如何 实现最佳换向是尸个值得研究的重要问题。最任换 向包括最佳换向逻辑和最佳换向位置两方面的含 义,前者解决如何涣向,后者解决什么时候换向。精 确的换向位置取决于滩 确的转子位置检测。 6 结语  可以 看 出 ,基于 DSP 的无传感器无刷直流电 动机数字控制系统是目前研究的重点。随着 DSP 芯片的功能越来越强大,各种复杂的控制方法得 以很好的实现。而且,DSP 的价格已经下降到与 单片机不相上下。可以预见,DSP 在无刷直流电 动机中的应用,将使无刷直流电动机的应用越来 越广泛。  参考 文 献                  【1] 叶金虎,徐思海,张领明,崔海大,施民生.无刷直流 电动机.北京:科学出版社,1982. 【2〕 张探.直流无刷电动机的原理及应用.北京:机械 工业出版社,2(兀阵. 〔3〕 杨渝钦.控制电机.北京:机械工业出版社,201. 〔4〕 梅妮,尹华杰.反电势法在无刷直流电机位置检测 中的应用.电机技术.2以拓(1). 【5] 王辉,杨海,张建生.无刷直流电机无传感器反电势 过零检测及校正.长春工业大学学报.第27 卷,第 1期. 【6」 吴筱辉,程小华,刘杰.反电势法检测转子位置的无 刷直流电机起动方法.微电机.2(X)5,38(4):79一81. 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