无刷直流电动机控制系统设计.docx
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无刷直流电动机控制系统设计
无刷直流电动机控制系统设计方案
第1章概述
1.1无刷直流电动机的发展概况
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，这一渊源关系从其名称中就可以看出来。
有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，以其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。
但是，有机械接触电刷-换向器一直是电流电机的一个致命弱点，它降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合中的使用。
为了取代有刷直流电动机的机械换向装置，人们进行了长期的探索。
早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。
1955年美国的D.Harrison等首次申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电动机的诞生。
无刷直流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步，在无刷直流电动机发展的早期，由于当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段，可靠性差，价格昂贵，加上永磁材料和驱动控制技术水平的制约，使得无刷直流电动机自发明以后的一个相当长的时间内，性能都不理想，只能停留在实验室阶段，无法推广使用，1970年以后，随着电力半导体工业的飞速发展，许多新型的全控型半导体功率器件（如GTR、MOSFET、IGBT等）相继问世，加之高磁能积永磁材料（如SmCo、NsFeB）陆续出现，这些均为无刷直流电动机广泛使用奠定了坚实的基础，
无刷直流电动机系统因而得到了迅速的发展。
在1978年汉诺威贸易博览会上，前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了MAC无刷直流电动机及其驱动器，引起了世界各国的关注，随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流系统的热潮，这业标志着无刷直流电动机走向实用阶段。
随着人们对无刷直流电动机特性了解的日益深入，无刷直流电动机的理论也逐渐得到了完善。
1986年，H.R.Bolton对无刷直流电动机作了全面系统的总结，指出了无刷直流电动机的研究领域，成为无刷直流电动机的经典文献，标志着无刷直流电动机在理论上走向成熟。
我国对无刷直流电动机的研究起步较晚。
1987年，在北京举办的联邦德国金属加工设备展览会上，SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了国内有关学者的广泛注意，自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。
经过多年的努力，目前，国内已有无刷直流电动机的系列
产品，形成了一定的生产规模。
1.2无刷直流永磁电动机和有刷直流永磁电动机的比较
表1-1无刷直流永磁电动机和有刷直流永磁电动机的比较
项目
无刷直流电动机
有刷直流电动机
换向
借助转自子位置传感器实现电子换向
由电刷和换向器进行机械换向
维护
由于没有电刷和换向器，很少需要维护
需要周期性维护
寿命
比较长
比较短
机械（速度/力矩）
特性
平（硬）在负载条件下能在所有速度上运行
中等平（中等硬）。
在较高速度上运行时，电刷摩擦增加，有用力矩减小
效率
由于没有电刷压降，所以效率高
中等
输出功率/外形尺寸之比高
由于电枢绕组设置在和机壳相连的定子上，容易散热。
这种优异的热传导特性允许减小电动机的尺寸，所以输出功率/外形尺寸之比高
中等/低。
电枢产生的热量消散在气隙内，这样增加了气隙温度，从而限制了输出功率/外形尺寸之比
转自惯量
低。
因为永磁体设置在转子上，改善了动态响应
转自惯量高，限制了动态特性
速度范围
比较高。
没有电刷/换向器给予的机械限制
比较低，存在电刷给予的机械限制
电气噪声
低
电刷的电弧将对附近的设备产生电磁干扰
制造价格
比较高
低
控制
复杂和价格贵
简单和价格不贵
控制要求
为了使电动机运转必须要有控制器，但同样的控制器可用于变速控制
对于一个固定的速度而言，不需要控制器；有变速要求的时候才需要控制器
1.3无刷直流电动机的结构及基本工作原理
1．无刷直流电动机转矩分析
电机本体的电枢绕组为三相星型连接，位置传感器和电机转子同轴，控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生控制信号，控制动信号经驱动电路隔
离放大后控制逆变器的功率开关管，使电机的各相绕组按一定的顺序工作。
图1-1无刷直流电动机工作原理示意图
如图1-1所示，当转子旋转（顺时针）到图a所示的位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T6导通，即A、B两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从B相绕组流出，经T6回到电源的负极，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子顺时针转动。
当转子在空间转过60电角度，到达图b所示位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T2导通，A、C两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从C相绕组流出，经T2回到电源负极。
此时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。
转子在空间每转过60电角度，逆变器开关就发生一次切换，功率开关管的导通逻辑为T1、T6—T1、T2—T3、T2—T3、T4—T5、T4—T5、T6—T1、T6。
在次期间，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。
转子在空间每转过60电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的磁状态就发生一次跃变。
可见，电机有6种磁状态，每一状态有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120电角度。
无刷直流电动机的这种工作方式叫两相导通星型三相六状态，这是无刷直流电动机最常用的一种工作方式。
2．无刷直流电动机和输出开关管换流信号
无刷直流电动机的位置一般采用三个在空间上相隔120电角度的霍尔位置传感器进行检测，当位于霍尔传感器位置处的磁场极性发生变化时，传感器的输出电平将发生改变，由于三个霍尔传感器位检测元件的位置在空间上各差120电角度，因此从这三个检测元件输出端可以获得三个在时间上互差120度、宽度为180度的电平信号，分别用A、B、C来表示，如图1-2所示，以信号A为例，A相位置宽度为180电导角：
在0-60度，T1必须导通，故T1状态为1，而C相还剩下60度通电宽度，所以此段时间为T1和T6等于1，（此时下部可供导通的管子为T4、T6和T2，而为避免桥臂直通，T4不能导通；T2的导通时间未到，故只能是T6导通）；而在60度—120度，此时只有A相通电，B和C相处于非导电期，故导通的开关管为T1和T2（T1和T2等于1），其中T2是为B相导电作准备；而在120度—180度时，由于每一相只有120电导角导电时间，故此时T1关断（T1=0），T2仍然导通（B相开始进入导电期），此时可知，T1关断，T5不能开通（防止桥臂直通），则此时只能开通T3，所以T3信号此时间段为1。
其他时间段的开关管导通情况和此类似。
理论上，只要保证三个位置传感器在空间上互差120度，开关管的换流时刻总是可以推算出来的。
然而，为了简化控制电路，每个霍尔传感器的起始安装位置在各自相绕组的基准点（r0=00）上.那么在r0=00的控制条件下，A相绕组开始通电的时刻（即该相反电势相位30度位置）恰好和A相位置传感器输出信号A的电平跳变时刻重合，此时应将T1开关管驱动导通。
同理，其他开关管的导通时刻也可以按同样方法确定。
本设计选用的是三相无刷永磁直流电动机，其额定电压UH=36V,电枢额定电流IaH=8.5A,电枢峰值电流IaP
15A,额定转速nH=350r/min,额定功率PH=250W。
图1-2无刷电动机位置检测及开关管驱动信号
表1-2无刷电动机直流通电控制方式开关切换表
旋转方向
位置传感器
逆变桥开关管驱动信号
A
B
C
T1
T2
T3
T4
T5
T6
正转
0
0
1
0
0
0
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
0
0
1
1
0
0
0
1
1
0
1
0
0
1
1
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
0
0
1
1
0
0
0
反转
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
1
0
1
0
0
0
0
1
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
0
0
0
1
1
1.4无刷直流电动机的运行特性
1.4.1机械特性
无刷直流电动机的机械特性为：
（1-1）
UT-开关器件的管压降
Ia-电枢电流
Ce-电机的电动势常数
-每级磁通量
可见无刷直流电动机的机械特性和一般直流电动机的机械特性表达式相同，机械特性较硬。
在不同的供电电压驱动下，可以得到如1-3图所示机械特性曲线簇。
图1-3机械特性曲线簇
当转矩较大、转速较低时，流过开关管和电枢绕组的电流很大，这时，管压降随着电流增大而增加较快，使在电枢绕组上的电压有所减小，因而图所示的机械特性曲线会偏离直线，向下弯曲。
1.4.2调节特性
无刷直流电动机的调节特性如图1-4所示。
图1-4调节特性
调节特性的始动电压和斜率分别为：
（1-2）
（1-3）
从机械特性和调节特性可以看出，无刷直流电动机和一般直流电动机一样，具有良好的调速控制性能，可以通过调节电源电压实现无级调速。
但不能通过调节励磁调速，因为永磁体的励磁磁场不可调。
1.4.3工作特性
电枢电流和输出转矩的关系、效率输出转矩的关系如图1-5所示。
图1-5工作特性
在输出额定转矩时,电机效率高、损耗低是无刷直流电动机的重要特点之一。
1.5无刷直流电动机的使用和研究动向
现阶段，虽然各种交流电动机和直流电动机在传动使用中占主导地位，但无刷直流电动机正受到普遍的关注。
自20世纪90年代以来，随着人们生活水平的提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都越来越趋向于高效率化、小型化及高智能化，作为执行元件的重要组成部分，电机必须具有精度高、速度快、效率高等特点，无刷直流电机的使用也因此而迅速增长。
尤其在节能已成为时代主题的今天，无刷直流电机高效率的特点更显示了其巨大的使用价值。
无刷直流电机转子采用永久磁铁，其产生的气隙磁通保持为常值，因而特别适用于恒转矩运行；对于恒功率运行，无刷直流电机虽然不能直接改变磁通实现弱磁控制，但通过控制方法的改进也可以获得弱磁控制的效果。
由于稀土永磁材料的矫顽力高、剩磁大，可产生很大的气隙磁通，这样可以大大缩小转子半径，减小转子的转动惯量，因而在要求有良好的静态特性和高动态响应的伺服驱动系统中，如数控机床、机器人等使用中，无刷直流电机比交流伺服电机和直流伺服电机显示了更多的优越性。
目前无刷直流电机的使用范围已遍及国民经济的各个领域，并日趋广泛，特别是在家用电器、电动汽车、航空航天等领域已得到大量使用。
目前，无刷直流电机的研究主要集中在以下方面：
（1）无机械式转子位置传感器控制。
转子位置传感器是整个驱动系统中最为脆弱的部件，不仅增加了系统的成本和复杂性，而且降低系统的可靠性和抗干扰能力，同时还需要占据一定的空间位置。
在很多使用场合，例如空调器和计算机外设都要求无刷直流电动机以无转子位置传感器方式运行。
无转子位置传感器运行实际上就是要求在不采用机械传感器的条件下，利用电机的电压和电流信息获得转子磁极的位置.
目前比较成熟的无转子位置传感器运行方式有：
1反电动势法——包括直接反电动势法、间接反电动势法以及派生出来的反电动势积分法等。
2定子三次谐波检测法。
3续流二极管电流通路检测法。
但现有方法都存在各自的局限性，仍在不断完善之中。
（1）转矩脉动控制。
存在转矩脉动是无刷直流电动机的固有缺点，特别是随着转速升高，换相导致转矩脉动加剧，并使平均转矩显著下降。
减小转矩脉动是提高无刷直流电动机性能的重要方面。
（2）智能控制。
随着信息技术和控制理论的发展，在运动控制领域中，一个新的发展方向就是先进控制理论，尤其是智能控制理论的使用。
目前，专家系统、模糊逻辑控制和神经网络控制是三个最主要的理论和方法。
其中，模糊控制是把一些具有模糊性的成熟经验和规则有机地融入到传动控制策略当中，现已成功地使用到许多方面。
随着无刷直流电动机使用范围的扩大，智能控制技术将受到更广泛的重视。
第2章无刷直流电动机控制系统设计方案
2.1无刷直流电动机系统的组成
无刷直流电动机（BrushlessDCMotor,简称BLDCM）是一种典型的机电一体化产品,它是由电动机本体、位置检测器、逆变器和控制器组成的自同步电动机系统或自控式变频同步电动机.位置检测器检测转子磁极的位置信号,控制器对转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的开关信号,开关信号以一定的顺序触发逆变器中的功率开关器件,将电源功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子各相绕组,使电动机产生持续不断的转矩.
现对无刷直流电动机各部分的基本结构说明如下。
1．电机本体
无刷直流电动机最初的设计思想来自普通的有刷直流电动机，不同的是将直流电动机的定子、转子位置进行了互换，其转子为永磁结构，产生气隙磁通；定子为电枢，有多相对称绕组。
原直流电动机的电刷和机械换向器被逆变器和转子位置检测器所代替。
所以无刷直流电动机的电机本体实际上是一种永磁同步电机。
由于无刷直流电动机的电机本体为永磁电机，所以无刷直流电动机也称为永磁无刷直流电动机。
定子的结构和普通同步电动机或感应电动机相同，铁心中嵌有多相对称绕组。
绕组可以接成星形或三角形，并分别和逆变器中的各开关管相连，三相无刷直流电动机最为常见。
2．逆变器
目前，无刷直流电动机的逆变器主开关一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件，有些主电路已有集成的功率模块（PIC）和智能功率模块（IPM），选用这些模块可以提高系统的可靠性。
无刷直流电动机定子绕组的相数可以有不同的选择，绕组的连接方式也有星形和角型之分，而逆变器又有半桥型和全桥型两种。
不同的组合使电动机产生不同的性能和成本。
综合以下三个指标有助于我们做出正确的选择：
（1）绕组利用率。
和普通直流电动机不同，无刷直流电动机的绕组是断续通电的。
适当地提高绕组利用率将可以使同时通电的导体数增加，使电阻下降，效率提高。
从这个角度来看，三相绕组优于四相和五相绕组。
（2）转矩脉动。
无刷直流电动机的输出转矩脉动比普通直流电动机的转矩脉动大。
一般相数越多，转矩的脉动越小；采用桥式主电路比采用非桥式主电路的转矩脉动小。
（3）电路成本。
相数越多，逆变器电路使用的开关管越多，成本越高。
桥式主电路所用的开关管比半桥式多一倍，成本要高；多相电动机的逆变器结构复杂，成本也高。
因此，目前以星形连接三相桥式主电路使用最多。
3．位置检测器
位置检测器的作用是检测转子磁极相对和定子绕组的位置信号，为逆变器提供正确的换相信息。
位置检测包括有位置传感器和无位置传感器检测两种方式。
转子位置传感器也由定子和转子两部分组成，其转子和电机本体同轴，以跟踪电机本体转子磁极的位置；其定子固定在电机本体定子或端盖上，以检测和输出转子位置信号。
转子位置传感器的种类包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、正余弦旋转变压器式以及编码器等。
在无刷直流电动机系统中安装机械式位置传感器解决了电机转子位置的检测问题。
但是位置传感器的存在增加了系统的成本和体积，降低了系统可靠性，限制了无刷直流电动机的使用范围，对电机的制造工艺也带来了不利的影响。
因此，国内外对无刷直流电动机的无位置运行方式给予高度重视。
无机械式位置传感器转子位置检测是通过检测和计算和转子位置有关的物理量间接地获得转子位置信息，主要有反电动势检测法、续流二极管工作状态检测法、定子三次谐波检测法和瞬时电压方程法等。
4．控制器
控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能：
（1）对转子位置检测器输出的信号、PWM调制信号、正反转和停车信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各开关管的斩波信号和选通信号，实现电机的正反转及停车控制。
（2）产生PWM调制信号，使电机的电压随给定速度信号而自动变化，实现电机开环调速。
（3）对电动机进行速度闭环调节和电流闭环调节，使系统具有较好的动态和静态性能。
（4）实现短路、过流、过电压和欠电压等故障保护电路。
2.2无刷直流电动机控制系统设计方案
2.2.1设计方案比较
无刷直流电动机兼有直流电动机调整和起动性能好以及异步电动机结构简单无需维护的优点，因而在高可靠性的电机调速领域中获得了广泛使用。
在电机转速控制方面，绝大多数场合数字调速系统已取代模拟调速系统。
目前，数字调速系统主要采用两种控制方案:
一种采用专用集成电路。
这种方案可以降低设备投资，提高装置的可靠性，但不够灵活。
另一种是以微处理器为控制核心构成硬件系统。
这种方案可以编程控制，使用范围广，且灵活方便。
电机控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能:
对各种输入信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各种控制信号;产生PWM脉宽调制信号，实现电机的调速;实现短路、过流、欠压等故障保护功能。
控制器是电动自行车的驱动系统，它是电动自行车的大脑。
其主要作用是在保证电动自行车正常工作的前提下，提高电机和蓄电池的效率、节省能源、保护电机及蓄电池，以及降低电动自行车在受到破坏时的损伤程度。
目前，市场上常用的电动自行车无刷直流电机控制器主要采用专用集成电路为主控芯片，像MOTOLORA公司研制的专用集成电路MC33035，其针对无刷电机的控制要求，将控制逻辑集成在芯片内，一般该类控制器称为模拟式控制器，其工作原理是用电子装置代替电刷控制电机线圈电流换向，根据电机内的位置传感器（霍尔传感器）信号，决定换相的顺序和时间，从而决定电机的转向和转速。
该控制系统的缺点是智能性差，保护措施有限，系统升级空间小。
本设计采用单片机作为主控芯片，用编程的方法来模拟无刷电机的控制逻辑，其特点是使用灵活，通过修改程序可适应不同规格的无刷电机，增加系统功能方便，通常将此类控制器称为数字式控制器。
近几年，国外一些大公司纷纷推出较MCU性能更加优越的DSP（数字信号处理器）芯片电机控制器，如ADI公司的ADMC3xx系列，TI公司的TMS320C24
系列及Motorola公司的DSP56F8xx系列，都是由一个以DSP为基础的内核，配以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内，使体积缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。
但是这些专用芯片价格昂贵，外围电路设计复杂，在广大的民用市场无法大规模推广使用。
无刷电机控制方法主要分为有位置传感器控制和无位置传感器控制两种。
在有位置传感器的控制方法中，现今，由于霍尔传感器性价比高，安装
方便，被广泛使用作为无刷直流电机的位置传感器。
当前，国内外对无刷直流电机无位置传感器的控制方法主要有反电势法、定子三次谐波法、续流二极管检测法、脉冲检测法神经网络控制法等。
但是由于无位置传感器控制方法在低速时无法实现精确的速度调制，所以现阶段在电动车领域只是处于研究阶段，无法推广到工业生产当中。
2.2.2无刷直流电动机控制系统组成框图
基于2.2.1节的考虑,可绘出无刷直流电动机控制系统框图,如图2-1所示:
图2-1电动机驱动控制框图
（1）微控制器
主要功能是根据电动机旋转方向的要求和来自霍尔转子位置传感器的三个输出信号，将它们处理成功率驱动单元的六个功率开关器件所要求的驱动顺序。
微控制器的另一个重要作用是根据电压、电流和转速等反馈模拟信号，以及随机发出的制动信号，经过AD变换和必要的运算后，借助内置的时钟信号产生一个带有上述各种信息的脉宽调制信号。
（2）功率驱动单元
主要包括功率开关器件组成的三相全桥逆变电路和自举电路。
自举电路由分立器件构成的，也可以采用专门的集成模块等高性能驱动集成电路。
（3）位置传感器
位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息。
（4）周边辅助、保护电路
主要有电流采样电路、电压比较电路、过电流保护电路、调速信号和制动信号等输入电路。
第3章无刷直流电动机硬件设计
3.1逆变主电路设计
3.1.1功率开关主电路
图3-1功率开关主电路原理图
逆变器将直流电转换成交流电向电机供电。
和一般逆变器不同，它的输出频率不是独立调节的，而是受控于转子位置信号，是一个“自控式逆变器”。
由于采用自控式逆变器，无刷直流电动机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器不会产生振荡和失步，这也是无刷直流电动机的重要优点之一。
3.1.2逆变开关元件选择和计算
MOSFET在1960年由贝尔实验室（BellLab.）的D.Kahng和MartinAtalla首次实验成功，这种元件的操作原理和1947年萧克莱（WilliamShockley）等人发明的双载子晶体管（BipolarJunctionTransistor,BJT）截然不同，且因为制造成本低廉和使用面积较小、高整合度的优势，在大型积体电路（Large-ScaleIntegratedCircuits,LSI）或是超大型积体电路（VeryLarge-ScaleIntegratedCircuits,VLSI）的领域里，重要性远超过BJT。
近年来由于MOSFET元件的性能逐渐提升，除了传统上使用于诸如微处理器、微控制器等数位讯号处理的场合上，也有越来越多类比讯号处理的积体电路可以用MOSFET来实现。
表3-1对IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的优缺点的比较
器件
优点
缺点
IGBT
开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小
开关速度低于电力MOSFET,电压，电流容量不及GTO
GTR
耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低
开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题
GTO
电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强
电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低
电力MOSFET
开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题
电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置
通过上述的比较，我选择MOSFET。
电枢额定电流IaH=8.5A，因为每个控制元件导通120o,所以控制元件的峰值电流可以由以下方程算出。
，通过计算可得I=25.5A，
额定电压UH=36V，峰值电压应有一个百分之40的余量所以UM=UH*1.4=36*1.4=50.4V
通过以上计算，可得出选择的MOSFET峰值电流为25A,峰值电压为50V。
3.2逆变开关管驱动电路设计
3.2.1IR2110功能介绍
（1）IR2110的特点有：
输出驱动隔离电压可达500V；芯片自身的门输入驱动范围为10~20V；输入端带施密特触发电器；可实现两路分立的驱动输出，可驱动高压高频器件，如IGBT、功率MOSFET等，且工作频率高可达500KHz，开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns；逻辑电源的输入范围（脚9）5~15V，可方便的和TTL，CMOS电平相
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