基于PWM技术的无刷直流电机的调速系统设计.docx

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基于PWM技术的无刷直流电机的调速系统设计

基于PWM技术的无刷直流电机的调速系统

设计

BrushlessDCMotorSpeedControlSystemBasedOnPWM

摘要

无刷直流电机（BLDCM）具有调速性能优异、运行性能可靠和维护方便等优点，相较于有刷直流电机，其采用电子换向取代机械换向，有效地提高了电动机的运行效率，也使得其成品体积更加的轻巧。

但是无刷直流电机也存在转矩脉动、控制器复杂、成本较高等缺陷，这些缺陷的存在也一定程度上影响了无刷直流电机作为高效、先进电机在应用上的普及，因此研究如何改善以及解决无刷直流电机存在的问题便具有更加明显的现实意义。

MATLAB是一款用于数据分析与计算、算法开发以及动态系统建立与仿真的数学软件。

最初是由美国MathWorks公司出品的商用数学软件，其由Matlab和Simulink两个重要组成部分构成，现在更是应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

本文通过对无刷直流电机结构以及工作原理的研究与分析，找出导致其具有较大转矩脉动的原因，并先从理论上得到如何抑制转矩脉动的方法，再通过Matlab建立起无刷直流电机的仿真模型，对其仿真结果进行分析与改善，从而有效地抑制无刷直流电机的转矩脉动。

关键词：

无刷直流电机，转矩脉动，仿真模型

Abstract

BrushlessDCmotor（BLDCM）hasexcellentspeedperformance,reliableperformanceandeasymaintenance,etc.,comparedtoabrushDCmotor,whichuseselectronicallycommutatedreplacemechanicalcommutation,effectivelyimprovetheoperatingefficiencyofthemotor,butalsosothatthevolumeofthefinishedproductmorecompact.ButtherebrushlessDCmotortorqueripplecontrollercomplexity,highcostandotherdefects,thepresenceofthesedefectsalsoaffectedtosomeextent,abrushlessDCmotorasefficientandadvancedmotoruniversalinapplication,howtoimproveandthereforeresearchsolvetheproblemsofthebrushlessDCmotorwillhavemoreobviouspracticalsignificance.

MATLABisatoolfordataanalysisandcomputation,algorithmdevelopment,andsimulationofdynamicsystemstoestablishandmathematicalsoftware.MathWorkswasoriginallydevelopedbytheUScompanyproducedcommercialmathematicalsoftware,whichconsistsofMatlabandSimulinkaretwoimportantparts,andnowitisusedinengineeringcalculations,controldesign,signalprocessingandcommunications,imageprocessing,signaldetection,financialmodelingdesignandanalysisandotherfields.

BasedonthebrushlessDCmotorstructureandworkingprincipleofresearchandanalysistoidentifythecauseofwhichhasalargetorqueripple,andtheoreticallyfirstgethowtosuppresstorqueripples,establishedthroughMatlabbrushlessSimulationModelDCmotor,itssimulationresultsareanalyzedandimprovedinordertoeffectivelysuppressthetorquerippleofthebrushlessDCmotor

Keywords:

BrushlessDCmotor;Thetorquepulsation;Thesimulationmodel

第一章绪论

1.1研究背景及研究意义

对于工厂生产和社会发展而言，电力拖动都有着举足轻重的地位，为了满足生产工艺的需求，通过控制电机的转矩以及转速来控制电动机的转速以及位置，这样就可以形成一个自动化系统，称之为电力拖动。

因此对于优异电动机的研究与发明必定是促进生产力发展，社会发展的首要目标。

相较于交流电机，直流电机具有效率高、动态性能优异等不可取代的优势，对于较为精密的电力拖动而言，直流电动机必定是发展的主流。

直流电动机也分为有刷与无刷两种，相较于有刷直流电机，无刷直流电机采用电子换向来取代机械换向，就可以做到无机械摩擦、无电火花、无磨损，免维护且能够做到更加密封等特点，而这些特点对于船业严苛的工作环境来说，无刷直流电机必定是首要选择。

近些年来，人们开始使用脉宽调制（以下简称PWM）来对电机进行控制，而且迅速发展的电力电子器件和微电子器件都为这种控制方式打下了良好的基础，现在的主流即采用全控型的开关元件。

20世纪50年代，大部分工厂一般采用直流发电机和直流电动机作为一组并通过水银整流装置来进行调速。

而到了60年代，随着晶闸管技术的发展，工厂开始大幅应用以晶闸管为基础的电机调速系统。

变流技术的进步已经极大地促进直流电机的发展。

再到脉宽调制（PWM）变换器的发明，使得无刷直流电机在性能上得到了极大地提高，当然，在其经济性以及可靠性上，都收获了长足的进展，使电气拖动完成了极大的飞跃。

为了提高系统的性能以及扩大系统的应用场合，我们需要使单片机的控制电路更加的集成化和小型化，而藉由计算机和通信技术的发展，我们不仅实现了这一目标，而且使其成本更加低廉，可靠性也大幅提高。

当然我们还是要采用直流电气传动来应对那些对调速性能要求较高的场合。

当下的无刷直流电机调速系统发展的主流方向之一即为以PWM技术为基础，通过完善调速系统并使其系统化和标准化，如此必将使其成为电气传动领域的重要组成部分[1]。

1.2无刷直流电机调速系统的国内外研究现状

正是由于微电子器件和电力电子器件的飞速进展激发了人们研究无刷直流电机的热情，并于1955年取得了突破性成果，美国的D.Harrison等人利用晶体管来代替传统的机械电刷，从而标志着无刷电机的产生。

1978年MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出更是标志着采用电子换向的无刷直流电机真正进入市场实用阶段[2]。

1983年高性能永磁材料----铷铁硼为无刷直流电机的应用奠定了坚实的基础[3]。

随着对无刷直流电动机越来越深入的研究，人们先后发明了正弦波直流无刷电机和方波无刷电机两大类。

而使得无刷直流电动机进入爆发式应用则是因为电力电子器件的高速发展。

自上世纪70年代以来，各种电力电子器件层出不穷，发展异常迅速[4][5]。

20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。

区别于有刷直流电机，无刷直流电机采用电子换向电路来代替机械换向器，因此无刷直流电机具有调速范围宽、调速方便以及起动力矩大等优点。

相较于有刷直流电机的脆弱与昂贵，无刷直流电机更是在适应环境以及经济性上完全超越前者。

主要具有以下特点[6]：

（1）与数字化技术、现代控制理论相结合，具有较好的可控性，可实现优化控制，使电机向智能化方向发展。

（2）电子线路部分和电动机本体分开，可实现对电机的良好控制。

比如可以不改变电源电压，通过逻辑信号顺序，实现电机的正反转；通过改变逻辑控制部分PWM占空比，实现电机的调速控制；通过位置传感器可以实现速度闭环控制，使电机在一定的速度下稳定运行。

（3）可工作在恶劣的环境中，如高真空、有腐蚀性气体介质、液体介质、灰尘、潮湿、易燃易爆，以及不便于检修等场合。

（4）与电子技术结合，采用电子控制器实现电子换向代替机械换向，不存在电刷和换向器直接接触而产生磨损和电气火花，电磁干扰小，可以高速工作，运行稳定可靠，寿命长。

（5）无刷直流电动机可构成无位置传感器控制系统，在基本保持性能不变的基础上，做到简化结构，进一步提高可靠性，降低成本，扩展了应用范围。

（6）电动机在结构上是将定子作为电枢，定子绕组与机壳接触，散热面积大，效果好。

永磁体在转子上，转子上无通电绕组，几乎无损耗与发热，效率高。

当然，无刷直流电机并非是完美的，它仍然具有转矩脉动大、低速段特性差以及成本等问题。

因此，目前国内外对于无刷直流电机的研究，主要集中于抑制转矩脉动、更加精确地检测无位置传感器的转子位置、如何解决弱磁调速问题以及相应的控制算法的研究等问题。

1.3本文的主要研究内容及章节安排

主要研究内容分为以下几个方面：

（1）研究无刷直流电机的基本结构和工作原理，分析其换相过程；

（2）研究无刷直流电机产生转矩脉动的原因并找出抑制其脉动的方法；

（3）设计由PWM控制的无刷直流电机系统，分析存在的问题并运用Matalab中的Simulink软件对系统进行仿真。

具体安排如下：

第一章首先了解无刷直流电机调速系统的研究背景以及意义，简要地概述了目前无刷直流电机调速系统存在的问题。

第二章介绍无刷直流电机的结构和模型。

详细地分析与理解无刷直流电机的工作原理以及换相过程，简要介绍无刷直流电机与其他电机的区别并了解无刷直流电机在当下的应用情况。

第三章简要介绍PWM控制技术及Buck变换器，详细分析无刷直流电机转矩脉动的产生原因，并对其转矩脉动进行理论上的数学计算，从而有效地理解转矩脉动并提出抑制转矩脉动的具体方法，也对其进行理论上的研究与计算。

第四章在Matlab中建立无刷直流电机的系统仿真模型，对模型中各个模块进行分析与介绍，并详细的呈现系统仿真的结果，从而以实践结果来印证所提出解决方法的可行性。

最后得出关于仿真的结论并致谢。

第二章无刷直流电机的基本原理

2.1无刷直流电机的基本结构

无刷直流电机由其相数可分为单相、双相以及三相直流电机，本文主要讨论三相无刷直流电机，其由电机本体、位置传感器以及电子开关电路三部分组成，简化框图如图2.1。

直流电源

电子开关

电动机

位置传感器

图2.1无刷直流电机简化的组成原理框图

2.1.1电机本体

电机本体主要包括带有电枢绕组的定子和带有永磁级的转子两个重要组成部分，下面将分别阐述电动机定子与转子的构成以及相应的作用。

1.电动机定子

电动机定子是电机本体的静止部分，其主要包括导磁的定子铁芯、导电的电枢绕组以及固定铁芯和绕组所用的一些零部件。

通过叠压硅钢片来减少定子损耗且将硅钢片冲压成环形并带有齿槽，根据绕组的相数和极对数在槽内嵌放电枢绕组。

在叠装后的铁心槽内放置槽绝缘和电枢线圈，然后整形、浸漆，最后把主定子铁心压入机壳内。

定子绕组是电机本体的一个最重要部件。

当电机通电后，电流经电枢绕组产生磁动势，该磁动势与转子产生的励磁磁场相互作用从而产生电磁转矩。

当电机带着负载开始运转后，便在绕组中产生反电动势，吸收电功率，并通过转子输出机械功率，从而实现了将电能转换成机械能的过程。

为了让电机顺利的实现这一过程，对电枢绕组便有了相对严格的要求，首先它必须能够负荷一定的电流，才能产生足够的磁动势以得到足够的转矩，其次它必须满足电机整体结构简单，运行可靠的要求。

电枢绕组由许多线圈连接而成。

每个线圈也叫绕组元件，由漆包线在绕线模上绕制而成。

线圈的直线部分放在铁心槽内，其端接部分有两个出线头，把各个线圈的出线头按一定规律连接起来，便得到所需要的绕组。

无刷直流电机的定子绕组可以分为梯形绕组和正弦绕组，它们分别对应的是绕组的Y型和星型绕组，所体现的反电动势波形如图2.2所示。

图2.2反电动势波形

2.电动机转子

电动机转子是电机本体的转动部分，可以产生励磁磁场，由永磁体、导磁体和一些支撑所用的零部件。

由永磁材料和导磁材料制成的永磁体和导磁体是产生磁场的核心。

现代工厂一般采用铁氧体、汝铁硼以及铝镍站等材料作为无刷直流电机的永磁材料。

转子类型可分为内转子型和外转子型，其区别在于2到8对永磁体是处于转子的外部还是内嵌于转子的内部，如图2.3所示。

图2.3内转子与外转子结构

2.1.2位置传感器

无刷直流电机通过把有刷直流电机的转子电枢放在定子上，把定子永磁极放在转子上，从而实现了电子换向取代机械电刷换向。

而要求电枢磁场和转子旋转磁场能够相互作用产生电磁转矩并实现正反转运行，就必须确定转子的实时位置，因此无刷直流电动机还需要位置传感器才能实现电机的正常运行。

位置传感器也由定子和转子组成，位置传感器的定子和电机的定子固定在一起，而位置传感器的转子则和电机的转子同轴运动，从而我们可以通过位置传感器的定子与转子来直接获得电机的定子和转子的位置。

本文主要通过霍尔传感器来介绍位置传感器的作用过程。

霍尔效应：

当通电导体处于磁场中，由于磁场的作用力使得导体内的电荷会向导体的一侧聚集，由于电荷在导体一侧的聚集，从而使得导体两侧产生电压，这种现象就称为霍尔效应。

图2.4即为霍尔效应的示意图。

一方面，由于定子是电机的静止部分，我们通过将霍尔传感器嵌入到定子中即可实时的获得电机定子的位置；另一方面，我们通过安插数个（一般为3个）霍尔传感器在电机转子的旋转路径上，这样当转子的磁极通过霍尔传感器时，霍尔传感器就会输出相应的高低电平，从而可以实时地检测转子位置，实现电子换向。

图2.4霍尔效应原理图

对于霍尔元件的位置以及配置数目，其应满足以下两个方面。

第一，霍尔元件一个周期内的开关状态数量应该对应于电机的磁状态数量；第二，在电机的一个周期内，开关状态不重复且平分电角度。

基于这些条件，一般我们采用三个霍尔元件，使其在空间上相互间隔120度电角，即两相导通星型三相六状态电机控制。

2.1.3电子开关电路

目前无刷直流电机的电子开关电路通常采用基于三相全控整流电路原理的全控开关器件，如图2.5所示。

以铁心中的多相绕组为核心（三相、四相、五相）。

绕组可以连接到星形或三角形

图2.5三相全控整流电路

如图中所示三相全控电路的IGBT开关管数量是相数的两倍，每一组上下桥臂连接一相绕组。

使用这种三相全控电路作为电子开关电路是应注意，必须防止任意一组上下桥臂同时导通，因为这会导致电路短路烧毁电源。

通过控制这种全控电路，即可实现任意时刻都有两相导通，导通角为120度且均拥有六个状态的电机控制方式。

2.2无刷直流电机的工作原理及换相过程

本文中采用三相桥式星型全控电机，因此将以此为基础详细地分析与理解无刷直流电机的工作原理及换相过程，图2.6即为电机的结构图。

图2.6无刷直流电机结构图

2.2.1无刷直流电机的工作原理

无刷直流电机各相电枢绕组的导通与关断是由IGBT功率管来控制，本文采用三相桥式星型全控电机，即定子电枢绕组相数为三相且固定，因此我们可以罗列出电枢绕组的通断状态，也就是其具有有限的组合数量。

不同于交流电机可以产生幅值恒定的定子磁场，为了使电机正常运行，无刷直流电机的定子磁场就必须是跳跃式的，且这种跳跃式的定子磁场必须保持与转子磁场同步，这样才能够产生恒定的电磁转矩，拖动负载运行。

由前文叙述可知，电机通过电磁转矩来拖动负载工作，查阅文献可知，我们通过令定子磁场和转子磁场保持90度左右的恒定电角度就可以获得最大的电磁转矩[7]。

基于这个原理，我们通过位置传感器获得转子的实时位置，通过多开关电路的控制即可实现正确的换相过程。

下面我们从电机结构图出发，研究开关电路的工作方式。

首先我们从VT1和VT6开始，电流i经由VT1、Ra、La、Ea、Eb、Lb、Rb、VT6回到电源，保持60度以后关断VT6打开VT2，电流i经由回到电源VT1、Ra、La、Ea、Ec、Lc、Rc、VT2回到电源，保持60度以后关断VT1打开VT3，电流i经由回到电源VT3、Rb、Lb、Eb、Ec、Lc、Rc、VT2回到电源，保持60度以后关断VT2打开VT4，电流i经由回到电源VT3、Rb、Lb、Eb、Ea、La、Ra、VT4回到电源，保持60度以后关断VT3打开VT5，电流i经由回到电源VT5、Rc、Lc、Ec、Ea、La、Ra、VT4回到电源，保持60度以后关断VT4打开VT6，电流i经由回到电源VT5、Rc、Lc、Ec、Eb、Lb、Rb、VT6回到电源，保持60度以后关断VT5打开VT1，电流i经由回到电源VT1、Ra、La、Ea、Eb、Lb、Rb、VT6回到电源，从而实现一个循环，即依次打开VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6实现电机的开关控制。

分析可知，功率管有6种触发状态，每次只有两只管子导通，每隔1/6周期即60°电角度换相一次，每次换相一个功率管，每一个功率管导通120°电角度。

由于采用两两导通方式，所以每次只有两相导通，一相截止。

导通相电流大小相等，方向相反，非导通相电流为零。

非导通相在此期间其反电势有一次过零。

图2.7反电动势波形图

无刷直流电机的反电势过零法换相控制正是基于这种方法，即检测断开相的反电势信号，当其过零时，转子直轴与该相绕组重合，延时30°电角度依照开通顺序进行换相。

图2.7为电机运行时三相绕组的反电动势波形图。

理想的反电动势波形为梯形波，由图中可以发现每一相在每个换相点的前30°（即π/6）电角度反电动势过零点。

因此，只要检测到各相反电势的过零点，即可根据当前的电机转速获得转子的6个换相点。

2.2.2无刷直流电机的换相过程

为了说明的方便，假设无刷直流电机的转子极对数为1，下面给出转子位置与定子电枢绕组换相过程。

图2.8中所示的为定子电枢绕组在一个周期内的换相步骤，其他的周期类比可得：

图2.8三相无刷直流电机的换相过程

与前面所述相对应，开始的时候A、B相导通，电流由A相流入，B相流出，如图中a所示，此状态维持60°电角，当转子转过60°电角时，如图中b的位置，此时开始进行换相。

c图所示是第一次换相后的状态，A、C两相导通，电流由A相流入，由C相流出。

由b、c两图可以看出，第一次换相的过程是关断B相，开通C相，A相保持原来的状态不变。

第一次换相后，定子电枢绕组导通状态维持60°电角不变，当转子再转过60°电角开始换相，第二次换相时刻的转子位置如图d所示，e图为第二次换相后的定子电枢绕组中的电流状态。

以后每次换相都依照此方法，定子电枢绕组根据转子的位置依次导通与关断，这样转子就在定子产生的磁场带动下不停地转动。

由图2.8中所示的各个状态不难看出，定子电枢绕组每隔60°电角换相一次，每次换相只有一相关断并有一相导通，而且每个电枢绕组在一个周期内导通120°电角。

2.3无刷直流电机的应用

无刷直流电机的应用十分广泛，由于其外形简洁、效率高以及良好的动态响应，使得其无论是在要求低的电动拖动场合还是在精度要求很高的航海航天方面都拥有举足轻重的地位，根据其适用场合的区别，我们大致上可以将其分为三个方面。

首先，对于一些持续负载的机械，其大多都不需要太高的精度，当然对转速要求也相对较低，例如家中常见的电风扇、吹风机、吸尘器等家用电器以及用作农业用途的抽水泵等器械，它们均可以采用无刷直流电机作为它们的动力输出。

说完持续负载的应用，在可变负载的应用方面，无刷直流电机更是以其高精度以及良好的动态响应占得很大比例，例如民用的洗衣机、烘干机等设备以及军用的航天航海陀螺仪等，当然，其工业用途不仅仅于此，在汽车制造和运行方面，它们的发动机控制，车内电器控制均需要无刷直流电机来高效地实现。

这些应用对转速和精度均有较高的要求，需要无刷直流电机采用更加复杂的控制算法才能实现对机器的控制，包括一些闭环控制。

当然，无刷直流电机作为新型的直流电机，它不仅仅保留了有刷直流电机高精度，响应稳定等优点，也使得其相对于交流电机，在定位领域有着明显的优势，例如自动控制领域，这类机器通常都拥有复杂的工作环境，不光是外部，其自身也面临包括启动、转向、加速、减速、制动等多种问题，这就需要无刷直流电机采用双闭环或者更加高级的控制算法来实现自动控制。

2.4本章小结

本章前两节分别详细地介绍了无刷直流电机的结构、工作原理以及换相过程，第三节主要是简单介绍了无刷直流电机的应用领域及前景。

第三章基于PWM技术的无刷直流电机转矩脉动抑制

3.1PWM控制技术简介

PWM控制（PulseWidthModulation）就是对脉冲宽度进行调制。

通过对同一信号的一系列脉冲宽度进行调制，就可以得到等效的波形（包括形状以及幅值）。

PWM控制技术在逆变电路的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。

当然，近些年来，PWM技术在整流电路中也开始应用，并显示了突出的优越性[14]。

3.1.1PWM控制技术的基本原理

理论基础：

在采样控制理论中，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，环节的输出响应波形基本相同。

若将各环节输出波形进行傅里叶变换，则它们仅在高频段有所差异，在低频段基本相同[15]，如图3.1所示。

图3.1各形状单位脉冲

其中a为矩形脉冲、b为三角形脉冲、c为正弦脉冲，它们的形状虽然不同，但是面积均为1，则当它们作用于一个具有惯性的相同环节时，环节输出响应基本相同。

将这三种脉冲输入到典型的R-L电路上，可得到的响应如图3.2所示。

图3.2各单位脉冲响应

通过对理论基础的分析，我们就可以用一系列等幅但不等宽的脉冲来代替典型的一个正弦半波，进而实现大部分波形的PWM变化。

图3.3PWM波代替正弦波

如图3.3所示，我们将正弦半波等分成N份，则可以将正弦半波等效成N段连续的脉冲。

这些脉冲的宽度都等于π/N,但幅值不相等，各脉冲的幅值按正弦规律变化。

通过将这些脉冲序列用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，并让它们面积相等[16]，从而得到如图3.3的波形即为PWM波形。

3.1.2PWM控制技术的控制方法

PWM控制技术一般采用计算和调制两种方式，当我们已知正弦波的输出频率、幅值以及半个周期内的脉冲数，我们就可以计算出PWM波形中矩形波的幅值和宽度，但是这种方式计算十分繁琐，且需要的已知信息很多，因此在实际应用中并不常见。

我们通常采用调制法来实现对波形的PWM调制。

所谓调制法，即将希望得到的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制的到我们想要的PWM波形。

我们一般