上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 本文縱觀了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的興起、發(fā)展與現(xiàn)狀，概括了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú) 位置傳感器控制技術(shù)的現(xiàn)有水平及存在的問(wèn)題，以研制、開(kāi)發(fā)直流變轉(zhuǎn)速空調(diào)調(diào) 速裝置為依托，從理論和實(shí)踐兩個(gè)方面對(duì)這些問(wèn)題展開(kāi)了較為全面的研究和討 論。 1 介紹了基于端電壓進(jìn)行反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)的方法，討論了目前常用的模擬 檢測(cè)法與數(shù)字檢測(cè)法的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了p w m 載波頻率以及占空比對(duì)數(shù)字 檢測(cè)法的影響，提出了在滿足開(kāi)關(guān)損耗的前提下，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及 p w m 占空比來(lái)調(diào)整p w m 頻率的方法，借此提高過(guò)零檢測(cè)的準(zhǔn)確性。 2 重點(diǎn)研究了無(wú)刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的原因，并在文獻(xiàn)3 4 】的基礎(chǔ)上 對(duì)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制作了進(jìn)一步的討論。提出了換相時(shí)統(tǒng)統(tǒng)采用恒壓控 制方法，然后通過(guò)軟件調(diào)整恒壓控制的作用時(shí)間。詳細(xì)分析了恒壓控制的 適用條件，提出了低速重載情況下減少恒壓作用時(shí)間，而高速重載情況下 增加恒壓作用時(shí)間的辦法。 3 介紹了直流變頻空調(diào)系統(tǒng)的工作原理以及東芝變頻芯片t m p 8 8 c h 4 0 的功 能與特點(diǎn)，尤其探討了該芯片在無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面的優(yōu) 勢(shì)。研制完成以t m p 8 8 c h 4 0 為主控芯片，以智能型功率模塊i p m 為功率 變頻器件的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流壓縮機(jī)的控制系統(tǒng)。在過(guò)零檢測(cè)以及換 相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方面，采用了上述1 、2 中提到的改進(jìn)方法，取得了良好 的效果。 關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、無(wú)位置傳感器、反電動(dòng)勢(shì)、換相控制、換相轉(zhuǎn)矩 脈動(dòng)、p w m 。 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sac o m p r e h e n s i v ev i e w o ft h er i s i n g ， d e v e l o p m e n ta n dp r e s e n ts i t u a t i o no fc o n t r o lt e c h n i q u ef o rb r u s h l e s s d c m o t o r ， a n ds u m m a r i z e st h ep r e s e n tl e v e la n d s h o r t a g e s o f s e n s o r l e s sc o n t r o lt e c h n i q u e d e p e n d i n g o nt h er e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n to fv a r i a b l es p e e d c o n t r o l l e rf o rd ci n v e r t e r a i r c o n d i t i o n e r 。t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e sa n dd i s c u s s e st h ef o l l o w i n g p r o b l e m si nt h e o r ya n dp r a c t i c e ： 1 d i s c u s s e dt h es t r e n g t ha n dd r a w b a c k o ft h ea n a l o gd e t e c t i o n m e t h o da n dd i g i t a ld e t e c t i o nm e t h o dt h r o u g hw h i c hw ec a ng e tt h e b - e m fz e r o - c r o s s i n gp o i n tj u s tb a s e do nt h e3 - p h a s e st e r m i n a l v o l t a g e a n dt h ei n f l u e n c e so fp 州f r e q u e n c ya n dd u t yc y c l eo n t h e z e r o c r o s s i n gd e t e c t i o n i s a n a l y z e d i nt h ec a s eo fd i g i t a l d e t e c t i o nm e t h o d ，t h e nt h ei m p r o v e m e n ts t r a t e g ei sp r o p o s e d t h em e t h o di st oa d j u s tt h ep 1 j l mc a r r i e rf r e q u e n c y a c c o r d i n gt o m o t o r ss p e e da n dp w md u t ya f t e rm e e t i n gw i t hp o w e rs w i t c h e s s l o s ss p e c i f i c a t i o n 2 t h er e a s o n o fc o m m u t a t i o n t o r q u er i p p l e i s r e s e a r c h e d e s p e c i a l l y a n dd i s c u s s e d m o r ea b o u tt h er e d u c t i o nm e t h o do f c o m m u t a ti o n t o r q u er i p p l e b a s e do nt h e k n o w l e d g e o f d i s s e r t a t i o n 3 4 t h e nf o u n dt h a tw e c a ns e t t h e p w md u t yt ol d u r i n gc o m m u t a t i o n ( n a m e d c o n s t a n tv o l t a g ec o n t r o lm e t h o db e l o w ) b u tn on e e dt oc a l c u l a t et h ei d e a lp 1 j | md u t yi nt i m ef o rt o r q u e r i p p l er e d u c ti o n ，a n dj u s ta d j u s t t h ep e r i o do f p w md u t yw i t h 1 a n dt h ea d v e r c ec o n d i t i o no fc o n s t a n tv o l t a g ec o n t r o lm e t h o di s d i c u s s e d ，t h e nt h er e s p e c t i v ei m p r o v e m e n tm e t h o di sp r o p o s e dt h a t t od e c r e a s et h ea c t i o np e r i o do fc o n s t a n tv o l t a g ec o n t r o li n t h e c a s eo fl o ws p e e da n dh i g hl o a da n di n c r e a s et h ea c ti o np e r i o di n t h ec a s eo fh i g hs p e e da n dh i g hl o a d 3 t h ep r i n c i p l eo fd c i n v e r t e r f e a t u r e sa n db a s i cf u n c ti o n s a i rc o n d i t i o n e ri si n t r o d u c e d t h e o ft m p 8 8 c h 4 0a r es t u d i e d ，a n dt h e 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 s t r e n g t ho ft h i sc h i pu s e df o rs e n s o r l e s sb l d cc o n t r o li s i n t r o d u c e d e s p e c i a l l y t h e n ad r i v e ru n i ti s d e v e l o p e df o rd c i n v e r t e ra i rc o n d i t i o n e r ，w h i c ha d o p t e dt h et m p 8 8 c h 4 0a st h ec o r e a n di p ma sp o w e rs w it c h e s t h r o u g ha d o p ti n gt h ea b o v ela n d2 i m p r o v e m e n tm e t h o d ，t h e z e r o c r o s s i n g d e t e c t i o ni sm o r e p r e c i s e ，a n dt h er i p p l ec o m m u t a t i o nt o r q u ei ss u p p r e s s e d k e y w o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o r , s e n s e r l e s sc o n t r o l ，b e m f ( b a c k e l e c t r o m a g n e t i cf o r c e ) ，c o m m u t a t i o nc o n t r o l ，c o m m u t a t i o n t o r q u er i p p l e s ，p w m u i 原創(chuàng)性聲明 本人聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作。 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他入已發(fā)表 或撰寫過(guò)的研究成果。參與同一工作的其他同志對(duì)本研究所做的任何 貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 簽 名：匕掣聳日期：竺量：! ：! z 本論文使用授權(quán)說(shuō)明 本人完全了解上海大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué) 校有權(quán)保留論文及送交論文復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？?以公布論文的全部或部分內(nèi)容。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 簽名產(chǎn)啦導(dǎo)師簽名：壟絲墊日期：蘭二! ； 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 1 - 1 引言 8 0 年代以來(lái)，微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中得 到了廣泛的應(yīng)用，在家用電器領(lǐng)域特別是制冷行業(yè)中也不例外。新一代舒適、 節(jié)能、低噪音、高性能的交流變頻空調(diào)正逐步取代傳統(tǒng)的定頻空調(diào)，而全直流 變速空調(diào)在效率與性能指標(biāo)上比交流變頻空調(diào)更勝一籌。 全直流變速空調(diào)與交流變頻空調(diào)一樣涉及了多個(gè)學(xué)科的領(lǐng)域。它包括了無(wú) 位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用技術(shù)、新型電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)、熱泵 型變頻空調(diào)技術(shù)等，是控制領(lǐng)域研究的熱門課題之一。 無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)是在直流伺服電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。直流 伺服電機(jī)由于存在機(jī)械式換向器和電刷，因此其體積大、結(jié)構(gòu)和制造工藝復(fù) 雜、需經(jīng)常檢修、電機(jī)工作不穩(wěn)定、無(wú)法直接應(yīng)用在易燃易爆的工作環(huán)境中、 無(wú)法使用在快速響應(yīng)要求較高的安裝空| 日j 較小的場(chǎng)合內(nèi)，給應(yīng)用帶來(lái)了一系列 的限制。3 1 。因此，人們就一直在尋求取代帶有機(jī)械式換向器和電刷的直流伺服 電機(jī)，而無(wú)刷直流電機(jī)正是這一發(fā)展的必然產(chǎn)物。隨著高性能第三代永磁材 料，如釤鈷、釹鐵硼等的問(wèn)世，無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子可以采用永磁材料勵(lì)磁，使 得電機(jī)具有體積小、重量輕、效率高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、不存在勵(lì)磁損耗問(wèn)題、結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，如今已廣泛應(yīng)用于辦公自動(dòng)化設(shè)備、醫(yī) 療器械、家用電器等領(lǐng)域。 其次，由于新型電力電子器件的迅猛發(fā)展，如g t r 、g t o 、m o s f e t 、i g b t 、 i g c t 等器件的不斷問(wèn)世，也為無(wú)刷直流電機(jī)的廣泛應(yīng)用奠定了峰實(shí)的基礎(chǔ)。在 電力電子技術(shù)走向高頻化、大功率化、綠色化的進(jìn)程中，作為基礎(chǔ)的電力電子 器件已發(fā)展到功率集成的新階段，出現(xiàn)了智能化功率模塊i p m 和大功率集成電 路，使變頻電路成本降低，性能提高。反之，新型高性能的半導(dǎo)體功率器件也 促使各種新型的脈寬調(diào)制( p w m ) 技術(shù)與高頻諧振逆變技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā) 展，從而推動(dòng)了家用電器產(chǎn)品的更新發(fā)展。 熱泵型變頻空調(diào)是新一代的高性能空調(diào)，是熱泵控制技術(shù)、電力電子技術(shù) 和微電子技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物?，F(xiàn)在中國(guó)的變頻空調(diào)市場(chǎng)還處于萌芽狀態(tài)。日本市 場(chǎng)的比例已超過(guò)了9 0 ，而中國(guó)還不足1 0 ，普通通斷型空調(diào)仍占中國(guó)空調(diào)市場(chǎng) 的主導(dǎo)地位。由于變頻空調(diào)具有省電、噪聲低等諸多優(yōu)點(diǎn)，是家電產(chǎn)品更新?lián)Q 代的發(fā)展方向之一。目前，國(guó)外已推出無(wú)刷直流壓縮機(jī)的變速空調(diào)，它克服交 流壓縮機(jī)的缺點(diǎn)，具有效率及可靠性更高、損耗及噪聲更低、控制更簡(jiǎn)單、性 價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。所以無(wú)刷直流壓縮機(jī)在家用變頻空調(diào)中有著不可估量的發(fā)展前 景。 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2 課題的背景與意義 節(jié)能已經(jīng)成為時(shí)代的主題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球消耗的電能中有5 0 用于電機(jī)驅(qū) 動(dòng)，可見(jiàn)在電機(jī)控制方面采取節(jié)能措施是必要的也是有效的。在家電中，空調(diào) 作為耗電大王，當(dāng)然成為節(jié)能降耗的首要對(duì)象。傳統(tǒng)定頻空調(diào)的壓縮機(jī)采用交 流電機(jī)，運(yùn)行在通斷工作方式，在起動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的電流。壓縮機(jī)起動(dòng) 后，由工頻電網(wǎng)直接供電，輸出功率恒定，空調(diào)的溫度調(diào)節(jié)過(guò)渡過(guò)程緩慢，溫 度波動(dòng)范圍大，舒適性差，能效比低。變頻空調(diào)是定頻空調(diào)的更新?lián)Q代產(chǎn)品， 由于變頻空調(diào)可以在超過(guò)額定頻率的情況下運(yùn)行，在短時(shí)間內(nèi)充分發(fā)揮壓縮機(jī) 的最大效能，輸出額定的制冷或制熱量，以達(dá)到高效、快速調(diào)節(jié)溫度的效果。 同時(shí)在熱負(fù)荷降低時(shí)可以保持在能效比更高的低頻運(yùn)行狀態(tài)，節(jié)能效果明顯。 因此它有效地克服了定頻空調(diào)的諸多缺點(diǎn)，具有啟動(dòng)快、舒適性好、節(jié)能省 電、降低環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。 壓縮機(jī)是空調(diào)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的核心，也是空調(diào)整機(jī)的主要耗能部件，其能 耗占空調(diào)整機(jī)的9 0 以上，因此它的運(yùn)行狀態(tài)、效率、噪聲等性能對(duì)空調(diào)整機(jī) 的性能具有決定性的影響。變頻空調(diào)根據(jù)壓縮機(jī)的不同分成兩種：采用交流變 頻壓縮機(jī)的稱為交流變頻空調(diào)，其壓縮機(jī)采用三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)；采用直流變 頻壓縮機(jī)則稱為直流變頻空調(diào)，壓縮機(jī)由無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。無(wú)刷直流電機(jī)與 異步電機(jī)相比，它有很多的優(yōu)點(diǎn)，其中最突出的是其效率高，節(jié)能效果明顯， 而且噪聲低，所以目前市場(chǎng)上變頻空調(diào)大部分為直流變頻空調(diào)。 與交流變頻空調(diào)相比，直流變頻空調(diào)壓縮機(jī)調(diào)速裝置更加復(fù)雜，目前主要 有兩種控制方式：一種是當(dāng)前最為流行的1 2 0 。導(dǎo)通控制方式，也稱為二二導(dǎo)通 方式，即任何時(shí)刻都只給兩相供電：另一種稱之為1 8 0 。導(dǎo)通控制方式，也稱為 矢量控制方式。前者由于每次只有兩相導(dǎo)通，就可以通過(guò)檢測(cè)不導(dǎo)通相反電勢(shì) 的過(guò)零點(diǎn)來(lái)推算換相點(diǎn)，大大降低了無(wú)位置傳感器直流無(wú)刷電機(jī)控制中位置檢 測(cè)難度，使得無(wú)刷直流電機(jī)的控制變得更加簡(jiǎn)單。但是1 2 0 。導(dǎo)通控制方式有它 的弱點(diǎn)，最明顯的是繞組電感造成的換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使得系統(tǒng)振動(dòng)加劇，噪聲 增加；同時(shí)當(dāng)電機(jī)電流過(guò)大時(shí)，將無(wú)法檢測(cè)到反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，因此無(wú)法進(jìn)行換 相，限制了變頻空調(diào)的能力范圍。矢量控制方法通過(guò)檢測(cè)三相電流，經(jīng)過(guò)坐標(biāo) 變換與反變換，能夠?qū)崟r(shí)地估算出轉(zhuǎn)子的位置與速度，相對(duì)于1 2 0 。控制方法， 在轉(zhuǎn)子的一個(gè)機(jī)械周期內(nèi)，能夠獲得更多的轉(zhuǎn)子位置信息，因此控制更加精 確，電機(jī)運(yùn)行效率更高；同時(shí)由于三相同時(shí)導(dǎo)通，消除了1 2 0 ?？刂品椒ㄖ袚Q相 時(shí)的電流脈動(dòng)，所以電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)，噪聲降低。但是矢量控制算法與1 2 0 。 控制方法相比，理論要復(fù)雜的多，其算法如圖1 - 1 所示，必須選用數(shù)據(jù)處理能 - 2 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 力強(qiáng)的專用芯片才能完成，如d s p ，成本有所上升；而且基于電流來(lái)估算轉(zhuǎn)子 位置非常復(fù)雜，跟電機(jī)的參數(shù)有很大關(guān)系，如果電機(jī)參數(shù)辯識(shí)有較大偏差將大 大影響控制效果，甚至控制失敗。總之矢量算法能帶來(lái)好的控制效果，但是控 制系統(tǒng)的硬件成本上升，同時(shí)開(kāi)發(fā)成本也很高。 如上所述，1 2 0 。控制方案實(shí)現(xiàn)容易，成本低，但是性能有待提高：矢量控 制則實(shí)現(xiàn)困難，而且成本上升，雖然性能更佳。如果能在這兩者間達(dá)到平衡， 找到一個(gè)性能較好、成本又不高的方案，將能很好地迎合家電市場(chǎng)的需要，既 能發(fā)揮無(wú)刷直流電機(jī)的優(yōu)勢(shì)，節(jié)能降耗，又能在盡可能低的成本下實(shí)現(xiàn)更高的 性能，滿足了人們?nèi)找嫣岣叩纳钇焚|(zhì)要求。本課題將重點(diǎn)探討如何提高1 2 0 。 控制方法的性能，實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速裝置。 圖1 - 1 無(wú)刷直流電機(jī)矢量控制算法框圖 1 - 3 課題的主要研究?jī)?nèi)容 無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的難點(diǎn)之一在于轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)，尤其是低速 運(yùn)行情況下。位置檢測(cè)不準(zhǔn)確，將導(dǎo)致?lián)Q相出現(xiàn)偏差，影響電機(jī)運(yùn)行性能 甚至換相失敗。本課題在充分理解無(wú)刷直流電機(jī)的基本工作原理的基礎(chǔ) 上，重點(diǎn)學(xué)習(xí)了基于端電壓進(jìn)行反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)的方法，對(duì)當(dāng)前采用的模 擬檢測(cè)法以及數(shù)字檢測(cè)法進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并歸納了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。同 時(shí)分析了p w m 頻率以及占空比在數(shù)字檢測(cè)法中對(duì)過(guò)零信號(hào)檢測(cè)的影響， 并提出了改進(jìn)策略。 3 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 無(wú)刷直流電機(jī)采用1 2 0 ?？刂品椒〞r(shí)，換相期間受繞組電感影響容易產(chǎn)生轉(zhuǎn) 矩脈動(dòng)，導(dǎo)致調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲。本文基于文獻(xiàn)【3 4 】所提出的“匾壓 控制法，即通過(guò)增加換相期間的p w m 占空比來(lái)抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，對(duì) 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制作了進(jìn)一步的討論。應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)該占空比的計(jì)算非常復(fù) 雜，同時(shí)還得控制該占空比的作用時(shí)間，軟件算法很難實(shí)現(xiàn)。提出了在換 相期間固定p w m 占空比為最大值l ，然后通過(guò)軟件調(diào)整恒壓控制作用的 時(shí)間長(zhǎng)度，大大降低了實(shí)現(xiàn)的難度。同時(shí)探討了恒壓控制法的使用條件， 發(fā)現(xiàn)在重載低速以及重載高速兩種情況下恒壓控制效果變差，在詳細(xì)分析 了效果變差的原因后，提出了改進(jìn)的方法。 學(xué)習(xí)了直流變頻空調(diào)系統(tǒng)的工作原理，以及系統(tǒng)對(duì)調(diào)速裝置的基本要求。 掌握東芝的變頻芯片t m p 8 8 c h 4 0 的原理與特點(diǎn)，研制完成以 t m p 8 8 c h 4 0 為主控芯片，以智能型功率模塊i p m 為功率變頻器件的無(wú)位 置傳感器無(wú)刷直流壓縮機(jī)的控制系統(tǒng)，并通過(guò)此平臺(tái)檢驗(yàn)了上述改進(jìn)方法 的有效性。 1 - 4 無(wú)刷直流電機(jī)發(fā)展背景以及國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展得力于電力電子技術(shù)的推動(dòng)。針對(duì)直流伺服電機(jī)的弊 病，早在2 0 世紀(jì)3 0 年代，就有人開(kāi)始研制以電子換相來(lái)代替機(jī)械換相的無(wú)刷 直流電機(jī)，并取得了一定成果。但由于當(dāng)時(shí)大功率電子開(kāi)關(guān)器件僅處于初級(jí)發(fā) 展階段，沒(méi)能找到理想的電子換相元件，使得這種電機(jī)只能停留在實(shí)驗(yàn)室研究 階段。1 9 5 5 年，美國(guó)的d h a r r i s o n 首次實(shí)現(xiàn)了用晶體管電子開(kāi)關(guān)代替電機(jī)電 刷，但這只是無(wú)刷直流電機(jī)簡(jiǎn)單的雛形，無(wú)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，還不能產(chǎn)品化。到六十 年代，高強(qiáng)度稀土永久磁鐵的有效利用及借助霍爾元件來(lái)實(shí)現(xiàn)換相，為永磁直 流伺服電機(jī)的出現(xiàn)創(chuàng)造了條件。七十年代以來(lái)，產(chǎn)生了沒(méi)有轉(zhuǎn)子鼠籠的無(wú)刷直 流電機(jī)，其明顯效果是消除了永磁直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大和電刷磨損的缺 點(diǎn)，可與逆變器一起實(shí)現(xiàn)高性能的運(yùn)動(dòng)控制【3 1 。 在相同功率的情況下，無(wú)刷直流電機(jī)比交流電機(jī)的體積小、效率高，其總 損耗約為交流電機(jī)的5 0 - - 6 0 。額定功率在1 0 1 0 0 k w 的無(wú)刷直流電機(jī)的效率 約為9 5 - - 9 7 ，而交流電機(jī)只有9 0 - - 9 4 ，且無(wú)刷直流電機(jī)的效率隨轉(zhuǎn)速的降 低而減少的趨勢(shì)也比交流電機(jī)小。無(wú)刷直流電機(jī)的功率因數(shù)可以為1 ，而交流 電機(jī)只能是滯后的功率因數(shù)，一般四極交流電機(jī)的功率因數(shù)為0 8 0 9 ，且隨 極對(duì)數(shù)的增加而降低。在相同功率條件下，無(wú)刷直流電機(jī)與交流電機(jī)的定子電 流之比等于交流電機(jī)的功率因數(shù)，無(wú)刷直流電機(jī)與交流電機(jī)的定子繞組損耗之 4 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 比等于交流電機(jī)功率因數(shù)的平方船1 。 現(xiàn)階段，交流電機(jī)和直流伺服電機(jī)在傳動(dòng)應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，但無(wú)刷直流 電機(jī)正受到普遍關(guān)注。九十年代以來(lái)，隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代化生 產(chǎn)、辦公自動(dòng)化的發(fā)展，家用電器、工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備都越來(lái)越趨向于高效率 化、小型化及高智能化，作為執(zhí)行元件的重要組成部分，電機(jī)必須具有精度 高，速度快，效率高等特點(diǎn)，無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用也因此而迅速增長(zhǎng)。尤其節(jié) 能已成為時(shí)代主題的今天，無(wú)刷直流電機(jī)高效率的特點(diǎn)更顯示了其巨大的應(yīng)用 價(jià)值。無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子采用了永久磁鐵，其產(chǎn)生的氣隙磁通保持為常值，因 而特別適用于恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，對(duì)于恒功率運(yùn)行，無(wú)刷直流電機(jī)雖然不能直接改變 磁通實(shí)現(xiàn)弱磁控制，但通過(guò)控制方法的改進(jìn)也可以獲得弱磁控制的效果【3 0 1 。無(wú) 刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，因而在要求有良好的靜態(tài)特性和高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的伺 服驅(qū)動(dòng)，如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等應(yīng)用中，無(wú)刷直流電機(jī)比交流電機(jī)和直流伺服 電機(jī)顯示了更多的優(yōu)越性?，F(xiàn)在無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用范圍遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè) 領(lǐng)域，并日趨廣泛，特別在家電、電動(dòng)汽車、航空航天等領(lǐng)域已得到大量應(yīng) 用。目前日本、德國(guó)、美國(guó)、英國(guó)等幾個(gè)主要的微特電機(jī)生產(chǎn)國(guó)，無(wú)刷直流電 機(jī)產(chǎn)量年平均增長(zhǎng)率保持在1 0 2 0 。世界總產(chǎn)量約在3 0 億臺(tái)左右哺引。我國(guó)有 先鋒電機(jī)廠、上海自動(dòng)化二十一研究所等廠家生產(chǎn)無(wú)刷直流電機(jī)，但生產(chǎn)無(wú)刷 直流電機(jī)的材料及工藝相對(duì)落后，所以目前國(guó)內(nèi)壓縮機(jī)的制造還是采用日立技 術(shù)和松下技術(shù)。 1 5 仿真工具m a t l a b s i m u l i n k 概要 淞t l a b 將高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化集成在一起，并提供了大量的內(nèi)置函 數(shù)，從而被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算、控制系統(tǒng)、信息處理等領(lǐng)域的分析、仿真 和設(shè)計(jì)工作。計(jì)算機(jī)仿真目前已經(jīng)成為解決工程實(shí)際問(wèn)題的重要手段， m a t l a b s i m u li n k 軟件成為其中功能最強(qiáng)大的仿真軟件之一。而仿真領(lǐng)域的重 點(diǎn)是建立模型，即在模型建立以后再設(shè)計(jì)合理的算法對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算二玨。 s i m u l i n k 建模與一般程序建模相比更為直觀，操作也更為簡(jiǎn)單，不必記憶各種 參數(shù)、命令的用法，只要用鼠標(biāo)就能夠完成非常復(fù)雜的工作。s i m u li n k 不但支 持線性系統(tǒng)仿真，還支持非線性系統(tǒng)仿真；不但支持連續(xù)系統(tǒng)仿真，還支持離 散系統(tǒng)甚至混合系統(tǒng)仿真；不但本身功能非常強(qiáng)大，而且還是一個(gè)開(kāi)放性體 系，可以自己開(kāi)發(fā)模塊來(lái)增強(qiáng)s i m u l i n k 自身的功能。本課題充分利用了 m a t l a b 的數(shù)值計(jì)算以及可視化功能，對(duì)一些復(fù)雜函數(shù)進(jìn)行了直觀地顯示，這對(duì) 于較快地摸清問(wèn)題的內(nèi)在規(guī)律非常有幫助；同時(shí)利用s i m u l i n k 中的 s i m p o w e r s y s t e m s 工具箱，對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行了仿真研究。 5 一 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的工 作原理 2 - l 無(wú)刷直流電機(jī)的基本組成及分類 2 一卜l 無(wú)刷直流電機(jī)的基本組成 無(wú)刷直流電機(jī)是在有刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起束的就它們內(nèi)部發(fā)生的 電磁過(guò)程柬說(shuō)，本質(zhì)上并無(wú)大的差別，結(jié)構(gòu)上也有相通之處而不同的是有刷 直流電機(jī)的定了磁極是塊永久磁鐵，轉(zhuǎn)子是寥相繞組，并且還需機(jī)械換向器、 屯刷和輔助的勵(lì)磁裝置；而無(wú)刷直流電機(jī)則與有劇直流電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子相反 轉(zhuǎn)了是永磁體，定于是多相繞組，其轉(zhuǎn)子多采用具有高剩余磁通密度和大矯頑 力的釤鈷合金、釹鐵硼等稀土永碰材料作磁鋼定子為壤中整距繞組，有星形 繞組，封閉式繞組正交繞組等不同種類，其基本結(jié)構(gòu)如圖2 1 所示。 剴2it 刪氕溉電# l 摹術(shù)鮚曲刪 無(wú)刷直流電機(jī)由于取消了機(jī)械換相器、電刷等裝置要正常運(yùn)轉(zhuǎn)外部還 需配備逆變器、位置傳感器及換相控制器等。轉(zhuǎn)子位置傳感器和逆變器代替了 有刷直流電機(jī)的電刷和機(jī)械換向器，因此與一般有刷直流電機(jī)具有相同的工作 原理，即在一個(gè)具有恒定磁通密度分布的磁極下，保證電樞繞組中通入的電流 總量恒定，這樣就可以產(chǎn)生與電樞電流大小相關(guān)的恒定轉(zhuǎn)矩1 ?？刂葡到y(tǒng)原理 圈如下： 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 直流電源 開(kāi)關(guān)電路 圖2 - 2 無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)原理圖 2 - l - 2 永磁電機(jī)的分類 隨著永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼幾何形狀的不同，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在氣隙中的分布可分為 正弦波和梯形波兩種。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，在定子繞組中產(chǎn)生的反電勢(shì)波形也相應(yīng) 地為正弦波( 如圖2 4 ) 和梯形波( 如圖2 3 ) 。為了區(qū)分，習(xí)慣上把反電勢(shì)波 形為正弦波的永磁電機(jī)稱為正弦型永磁同步電機(jī)( p m s m ) ，反電勢(shì)波形為梯形 波的則稱為無(wú)刷直流電機(jī)( b l d c ) 或方波電機(jī)。不同的磁場(chǎng)分布，其工作原 理、驅(qū)動(dòng)電流和控制方式也是不同的【5 4 】。 正弦型永磁同步電機(jī)在任意時(shí)刻三相都工作，因此，無(wú)位置傳感器的控制 算法就變得很復(fù)雜，如利用狀態(tài)觀測(cè)器、擴(kuò)展卡爾曼濾波器等方法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子 位置進(jìn)行估計(jì)。此類永磁同步電機(jī)雖然控制復(fù)雜，但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)相對(duì)較小，定位 準(zhǔn)確，多用于伺服系統(tǒng)【5 4 1 。 具有梯形氣隙磁場(chǎng)分布的無(wú)刷直流電機(jī)，采用兩兩導(dǎo)通的控制方式，通過(guò) 檢測(cè)不導(dǎo)通相的反電勢(shì)波形可以方便地檢測(cè)到轉(zhuǎn)子相關(guān)的位置信息，位置反饋 裝置簡(jiǎn)單，不需要采用正弦波型永磁同步電機(jī)中的絕對(duì)位置編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓 器，控制更為簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)，多用于調(diào)速指標(biāo)要求不高的系統(tǒng)。 秘c 舟腳c - a 1 弋i l i i o k 。i ：片林： 圖2 - 3 梯形波反電勢(shì)波形圖2 _ 4 正弦波反電勢(shì)波形 7 上海大學(xué)碩十學(xué)位論文 2 2 無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理 2 - 2 - 1 無(wú)位置傳感器的提出 內(nèi)置式位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)制造工藝要求高、電機(jī)的可靠性降低， 限制了無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用，表現(xiàn)在【3 】： 域。 位置傳感器增加了電機(jī)的體積，約占無(wú)刷直流電機(jī)體積的1 5 ； 傳感器信號(hào)引接線多，容易引入干擾，帶來(lái)阻抗匹配問(wèn)題； 不允許在高溫、低溫、污濁空氣等惡劣環(huán)境中使用位置傳感器； 傳感器的安裝精度直接影響電機(jī)運(yùn)行性能，制造工藝復(fù)雜且維修困難； 顯著增加了設(shè)備的硬件投資，同容量的無(wú)刷直流電機(jī)有位置檢測(cè)器使硬 件投資增加1 3 。 無(wú)位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)能克服上述弊病，進(jìn)一步拓展了其應(yīng)用領(lǐng) 2 - 2 2 無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及位置檢測(cè)原理 圖2 5 所示為無(wú)刷直流電機(jī)等效主電路原理圖。具有梯形反電勢(shì)波形的無(wú)刷 直流電機(jī)采用1 2 0 0 型二二導(dǎo)通，三相六狀態(tài)的p w m 調(diào)制方式。繞組的反電勢(shì) 信號(hào)可通過(guò)開(kāi)路相的端電壓來(lái)檢測(cè)，從而確定轉(zhuǎn)子的位置。控制器根據(jù)位置檢 測(cè)信號(hào)，對(duì)v 1 v 6 進(jìn)行控制。圖中表示相電感；r 表示相電阻；易、e b 、丘 分別表示每相的反電勢(shì)；以表示電機(jī)定子繞組中心點(diǎn)對(duì)地電壓；以表示直流母 線電壓。 圖2 - 5 無(wú)刷直流電機(jī)等效主電路原理圖 為簡(jiǎn)化分析，以一臺(tái)三相兩極直流無(wú)刷電機(jī)為例，并假設(shè)： u n 8 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 ) 定子繞組為6 0 0 相帶整距集中繞組，星形連接： 2 ) 忽略齒槽效應(yīng)，繞組均勻分布于光滑定子的內(nèi)表面： 3 ) 忽略磁路飽和，不計(jì)渦流和磁滯損耗； 4 ) 不考慮電樞反應(yīng)，氣隙磁場(chǎng)分布近似為梯形波，平頂寬度為1 2 0 。電角 度； 5 ) 轉(zhuǎn)子上沒(méi)有阻尼繞組，永磁體不起阻尼作用。 可寫出直流無(wú)刷電機(jī)三相端電壓平衡方程為【5 4 】： i ； = p 芝l 差a 三b 篆 j l | _ 乏i 。 j + 主三芝篆 p 差 + 莖 + 蠶曇量 萎 + 差 c 2 - ) 其中，忽略凸極效應(yīng)，定子三相繞組的自感為常數(shù)，三相繞組間的互感也 為常數(shù)，兩者都與轉(zhuǎn)子位置無(wú)關(guān)。l a 、l b 和l c 分別為三相繞組的自感，且 。= l 6 = l 。= ，厶b 為a 相和b 相繞組的互感，其它亦然，且 l 4 6 = l 缸= 三。= l = l k = 曲= m ，若定子三相繞組為y 連接，且無(wú)中線，則 有f 。+ i 6 + f 。= 0 ，可得m ( f 。+ i b ) = 一m i 。，則式( 2 1 ) 可簡(jiǎn)化為 荔 = 三m 蘭m 蘭m p 芝 + 莖 + 蠶墨量 差 + 囊 c 2 - 2 ， 定義三= 一m ，則電壓方程( 2 2 ) 對(duì)應(yīng)的等效電路如圖2 - 6 所示： v a v b n 圖2 - 6 無(wú)刷直流電機(jī)的等效電路 設(shè)b 相和c 相導(dǎo)通，b 、c 兩相電流大小相等，方向相反，a 相電流為零， 即i 6 = - i 。，i 。= 0 ，則( 2 - 2 ) 式可變?yōu)?圪= e a + 圪 ( 2 - 3 ) 所以 乞= 圪一圪 ( 2 4 ) 9 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 又有 圪= 丟( 圪+ 匕) 所以式( 2 - 4 ) 變成 色= 圪一互1 ( + 圪) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 依此類推，可得到如下相應(yīng)地b 相和c 相反電勢(shì)方程為 1 e 6 = 圪一( 圪+ 圪) ( 2 - 7 ) 二 1 e = 圪一( 圪+ 圪) ( 2 8 ) 上 從式( 2 6 ) 、 ( 2 7 ) 、 ( 2 8 ) 可以看出，當(dāng)采用二二導(dǎo)通方式時(shí)，不導(dǎo) 通相的反電勢(shì)只與三相端電壓相關(guān)，使得沒(méi)有中心抽頭的直流無(wú)刷電機(jī)反電勢(shì) 檢測(cè)變得更加容易。對(duì)于直流無(wú)刷電機(jī)而言，反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)與最佳換相點(diǎn)的相 角差為3 0 0 【3 1 ，所以基于式( 2 6 ) 、 ( 2 7 ) 、 ( 2 - 8 ) 計(jì)算出反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)后只 需延遲3 0 0 就得到了電機(jī)的換相點(diǎn)，有關(guān)無(wú)位置傳感器直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置 檢測(cè)請(qǐng)?jiān)斠?jiàn)第三章。 2 - 2 - 3 無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)行特性 基于電機(jī)學(xué)原理，可寫出直流無(wú)刷電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為： l ：墨：墨! 墾壘晝疊墨塵 ( 2 9 ) “ q0 3 式中，為電磁功率； q 為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度； 為電機(jī)的極對(duì)數(shù)； 彩為轉(zhuǎn)子的電角速度( r a d s ) 5 ( 2 1 0 ) 其中，乃為負(fù)載轉(zhuǎn)矩( n m ) ； 弓為摩擦轉(zhuǎn)矩( n m ) ； 1 0 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 ，為負(fù)載和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量( n m s 2 ) ： 尸為微分算子。 定子繞組星形連接時(shí)，設(shè)t 為無(wú)刷直流電機(jī)導(dǎo)通的兩相繞組感應(yīng)電勢(shì)幅 值，在任何時(shí)刻，定子只有兩相導(dǎo)通，所以電磁功率可表示為： = 色+ e b i b + t i c = 2 e , i d ( 2 1 1 ) 其中，e e 為導(dǎo)通兩相感應(yīng)電勢(shì)幅值； l 為變頻器直流母線平均電流。 無(wú)刷直流電機(jī)的通電繞組處于相同的磁場(chǎng)下，各相繞組的感應(yīng)電勢(shì)為【3 】： e = ( p n 6 0 ) d o 。n ( 2 1 2 ) 其中，為通電繞組匝數(shù)； n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速； 。為主磁通。 因此，電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可表示為： 乃= ( 2 e e i a ) c o = ( p n r c ) 。，d ( 2 - 1 3 ) 由圖2 6 ，如忽略p w m 載波造成的相電流脈動(dòng)，且以平均電流，d 表示，則 電壓平衡方程式可表示為： u d = 2 e e + 2 i d r ( 2 1 4 ) 其中u d 為電樞電壓。 結(jié)合式( 2 1 2 ) 與( 2 1 4 ) 并消去e e 得： ，z ：蘭l 一墮( 2 - 1 5 ) 2 k 。k 。 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 其中，k 。：等 ( 2 1 6 ) 0 u 由此可見(jiàn)，無(wú)刷直流電機(jī)的機(jī)械特性和勵(lì)磁電流恒定的直流電機(jī)相類似。 電磁轉(zhuǎn)矩正比于定子電流，通過(guò)控制定子電流的大小就可以控制轉(zhuǎn)矩。通過(guò)調(diào) 節(jié)電樞電壓u 。和定子電流l 可實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 2 - 2 - 4 無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的起動(dòng)過(guò)程 由于無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)通常是利用反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)來(lái)決定換流時(shí)刻 的，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止或低速時(shí)，反電勢(shì)為零或太小，無(wú)法可靠地進(jìn)行檢測(cè)，因此直 流無(wú)刷電機(jī)必須以他控式外同步電機(jī)方式起動(dòng)、加速、再切換至內(nèi)同步閉環(huán)自 控方式。通常把起動(dòng)過(guò)程分為轉(zhuǎn)子定位、加速、切換三個(gè)階段，稱為“三段 式”起動(dòng)方式。 轉(zhuǎn)子定位 電機(jī)靜止時(shí)的轉(zhuǎn)子初始位置決定了逆變器第一次應(yīng)觸發(fā)哪兩個(gè)功率器件， 而要做到準(zhǔn)確判斷轉(zhuǎn)子初始位置比較復(fù)雜，為此，可先通過(guò)逆變器將任意兩相 導(dǎo)通，并控制此時(shí)的定位電流，經(jīng)通電一段時(shí)間后轉(zhuǎn)子就會(huì)轉(zhuǎn)到一個(gè)設(shè)定的初 始位置。這個(gè)過(guò)程稱為轉(zhuǎn)子定位，而且這種定位方式也稱為磁制動(dòng)式電機(jī)轉(zhuǎn)子 定位方式【5 1 1 。 加速 已知轉(zhuǎn)子初始位置后，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)向，通過(guò)查表就可以確定下一拍該導(dǎo)通 哪兩相。這樣控制器發(fā)出一系列的同步信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生逆變器觸發(fā)信號(hào)， 并逐步提高同步信號(hào)頻率，電機(jī)就工作在他控式外同步狀態(tài)。電機(jī)低速時(shí)，反 電勢(shì)小，因此p w m 斬波占空比也應(yīng)該?。晦D(zhuǎn)速增大，占空比也應(yīng)隨之增高， 這樣才能保證電機(jī)既不過(guò)流，也不失步。通常的他控加速過(guò)程是事先人為設(shè)定 一個(gè)電機(jī)的起動(dòng)頻率和起動(dòng)電壓，然后根據(jù)人為設(shè)定的頻率與電壓的關(guān)系曲線 進(jìn)行加速，在到達(dá)人為設(shè)定的切換頻率前不能產(chǎn)生“失步 現(xiàn)象，整個(gè)加速過(guò) 程是不根據(jù)過(guò)零位置信號(hào)進(jìn)行換相的。 平滑切換 當(dāng)加速到預(yù)定的切換頻率后，平滑地進(jìn)入到同步閉環(huán)自控方式，根據(jù)位置 檢測(cè)信號(hào)查表得到的結(jié)果來(lái)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行換相，使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。 下圖為無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的起動(dòng)過(guò)程示意圖： 1 2 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 7 無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的起動(dòng)過(guò)程示意圖 2 - 2 - 5 無(wú)刷直流電機(jī)的換相控制 無(wú)刷直流電機(jī)通常采用二二通電模式，也就是說(shuō)，每次只有兩相繞組通電 導(dǎo)通，第三相不導(dǎo)通。一般會(huì)在m c u 內(nèi)部建立一個(gè)換相表格，表格的內(nèi)容對(duì) 應(yīng)了各種模式下( 6 模式) 6 個(gè)功率開(kāi)關(guān)所應(yīng)有的輸出狀態(tài)，；n t 表所示【1 5 】： 表2 一i 直流無(wú)刷電機(jī)兩兩導(dǎo)通方式下電機(jī)換相模式表 c u r r e n t a p p l i c a t i o n up p e rt r a n s i s t o rl o w e rt r a n s i s t o rc ur r e n t o n p a t t e r n w i n d i n g u vwx y z m o d e0o n o f f o f fo f fo n0 f fu v m o d e1o no f fo f fo f f 0 f fo nu 訓(xùn) m o d e 2 o f f0 n 0 f f o f f 0 f fo n v _ w m o d e3 o f fo n0 f fo n o f fo f fv u m o d e 4o f fo f fo no no f fo f fw u m o d e5o f fo f fo no f fo n 0 f f w w 其中模式o 5 對(duì)應(yīng)著反電勢(shì)一個(gè)周期內(nèi)的六個(gè)過(guò)零時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通狀 態(tài)、電流流向以及轉(zhuǎn)子位置( 紅色標(biāo)識(shí)) 如下圖所示： u v u v m o d e0 - u 。 m o d e1 ：u + w 1 3 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 8 無(wú)刷直流電機(jī)換相示意圖 u v u v u v u v m o d e2 ：v + w m o d e3 ：v + u m o d e5 ：w + u m o d e5 ：w + v 一1 4 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)反電勢(shì) 過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)方法 3 - 1 引言 位置傳感器在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制中起著測(cè)定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為外 部電子換相電路提供正確的換相信息，即將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電 信號(hào)，然后去控制定子繞組換相。取消位置傳感器后，就必須在電機(jī)中找到一 個(gè)能夠反映電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的信號(hào)。目前檢測(cè)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)以確定電機(jī)轉(zhuǎn) 子磁極的位置是比較常用的方法，也稱為“反電動(dòng)勢(shì)法”。本章將簡(jiǎn)單介紹反 電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)的基本原理，并分析了目前比較流行的模擬檢測(cè)法以及數(shù)字檢測(cè) 法的優(yōu)缺點(diǎn)，然后介紹東芝變頻芯片t m p 8 8 p h 4 0 內(nèi)部集成的過(guò)零檢測(cè)模塊在 數(shù)字式過(guò)零檢測(cè)方面的優(yōu)越性，提出了軟件設(shè)計(jì)思路；最后討論了數(shù)字式檢測(cè) 方法中p w m 開(kāi)關(guān)頻率以及占空比對(duì)過(guò)零檢測(cè)的影響，并提出了改進(jìn)策略，實(shí) 驗(yàn)證明了該方法的有效性。 3 2 反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)基本原理 無(wú)位置傳感器直流無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法大致有以下幾種：反電勢(shì) 法、電流法、狀態(tài)觀測(cè)器法、人工智能法以及磁鏈函數(shù)法【10 1 。其中基于端電壓 檢測(cè)反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)最為常見(jiàn)，通過(guò)比較端電壓與電源中心點(diǎn)電位，間接獲取反 電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，然后延時(shí)3 0 0 得到換相點(diǎn)。 一壓碎婦滓迮迭 v l 。 、3 - j v 5ji a r i b r j s i c r v - l_ v 6_ v 2 ，延肆近馬歪譯 圖3 一lb l d c 等效電路模型以及電子換相回路 從圖3 1 直流無(wú)刷電機(jī)等效電路模型出發(fā)，電機(jī)三相端電壓平衡方程為： 1 5 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 卟凇+ 哮+ e + u n ( 3 - 1 ) = 屯尺+ 哮+ 邑也( 3 - 2 ) 即檔+ 哮堰+ 以( 3 - 3 ) 采用常規(guī)的二二導(dǎo)通三相六拍工作方式，且假定c 相處于關(guān)斷狀態(tài)，a 相 上橋臂采用p w m 斬波方式，b 相下橋臂恒導(dǎo)通。將以上三式相加，考慮到 f 。= - i b ，t = 0 ，e a = - e b ，有： e e = u c 一半( 3 - 4 ) 同理，可以寫出a 、b 相作為不導(dǎo)通相時(shí)其反電勢(shì)方程為： 乞= 虬一半( 3 - 5 ) 乞噸一半( 3 - 6 ) 由式( 3 4 ) 、 ( 3 5 ) 、 ( 3 6 ) 可以看出，在不導(dǎo)通相繞組電流等于零的 情況下，該相繞組反電勢(shì)只與三相繞組端點(diǎn)電壓相關(guān)，所以完全可以通過(guò)檢測(cè) 端點(diǎn)電壓的方式來(lái)獲取反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，如當(dāng)c 相端電壓與a 、b 相端電壓之 和的一半相等時(shí)，即可判定c 相繞組反電勢(shì)過(guò)零。 3 3 基于端電壓的反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)方法比較 在對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行調(diào)速時(shí)，為了使電機(jī)電流足夠平滑，以及電流控制 的精度足夠高，一般控制功率管的開(kāi)關(guān)頻率比較高，如典型的5 k h z 。這就意 味著電機(jī)端電壓也是一系列的高頻載波脈沖，對(duì)高壓電機(jī)而言，該高頻脈沖還 有較高的電壓幅值，如3 i o v ，而一般控制芯片以及邏輯電路都是低耐壓型，所 以對(duì)基于端電壓進(jìn)行反電勢(shì)檢測(cè)來(lái)說(shuō)，首先必須對(duì)端電壓進(jìn)行處理，目前有兩 種處理辦法，其一是降壓并深度濾波，其二只是簡(jiǎn)單的降壓處理。方法一中深 度濾波的作用是去除高頻載波對(duì)反電勢(shì)檢測(cè)的影響，輸入到控制芯片或邏輯電 路的信號(hào)為頻率與幅值都較低的反電勢(shì)相關(guān)波形，為模擬量，所以該法稱作模 擬檢測(cè)法：方法二中只是對(duì)端電壓進(jìn)行降壓處理，輸入到后級(jí)電路的信號(hào)為低 壓高頻信號(hào)，即仍包含有高頻載波信號(hào)，為數(shù)字量，稱作為數(shù)字檢測(cè)法。檢測(cè) 電路如下所示： - 1 6 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 0 u o 圖3 2 直流無(wú)刷電機(jī)反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)原理示意圖 3 - 3 1 模擬檢測(cè)法的優(yōu)缺點(diǎn) 以a 相為例，參見(jiàn)圖3 - 2 ，其中u 。為a 相端電壓，u 為濾波后輸出電 壓，設(shè)廠為反電動(dòng)勢(shì)頻率，則按基波計(jì)算有【馴 旦業(yè)： 墨2 ( 3 7 ) u 口 r l + r 2 + j 2 n r i r 2 c i 相角延遲為 口：撇! 墊墨2 至! ( 3 8 ) 。 r 1 + r ， 幅值衰減系數(shù)為 u4 0 u 。 ：1 ：壘：一 ( 3 9 ) ( 局+ r 2 ) 2 + ( 2 x f l 足i r 2c 1 ) 2 由式( 3 8 ) 、 ( 3 9 ) 可以看出，只要c l 0 ，則r c 濾波環(huán)節(jié)造成的相角 延遲以及幅值衰減系數(shù)就與反電勢(shì)頻率相關(guān)，如取尺。= 2 7 0 k q ，r ：= 1 2 艘， c 1 = 4 7 z ，可得到相角延遲以及幅值衰減系數(shù)隨反電勢(shì)頻率的變化情況如圖 3 3 、3 - 4 所示?？梢?jiàn)，對(duì)于相同的硬件參數(shù)( r l ，r 2 以及c 1 ) ，反電勢(shì)頻率越 高，則相角延遲以及幅值衰減程度越大。 1 7 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 _ 一一7 | f f ， 圖3 3 相角延遲與反電勢(shì)頻率關(guān)系圖 一 | | | | i 、 、 、， 當(dāng)0 口3 0 。時(shí)，檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零后，換相延遲角應(yīng)調(diào)整為3 0 3 一口， 即再延遲3 0 。一口角進(jìn)行換相。 當(dāng)口 3 0 。時(shí)，此時(shí)檢測(cè)到的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)已超過(guò)換相點(diǎn)，這樣就不能根 據(jù)過(guò)零點(diǎn)來(lái)計(jì)算換相點(diǎn)。 1 8 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 所以當(dāng)延遲角口 3 0 。時(shí)將導(dǎo)致?lián)Q相不能進(jìn)行，文獻(xiàn)8 1 中針對(duì)此問(wèn)題提出了 延遲9 0 。一t 2 換相方法，采用這種相角延遲補(bǔ)償后，口角的允許取值范圍為9 0 0 電角度，比延遲3 0 。換相時(shí)的允許取值范圍寬得多，這就可能實(shí)現(xiàn)整個(gè)調(diào)速范 圍內(nèi)的準(zhǔn)確換相，避免了由于不同口值時(shí)計(jì)算相位修正的復(fù)雜性。 但不管采用什么補(bǔ)償方法，都必須基于式( 3 8 ) 計(jì)算出當(dāng)前的延遲角，從 式( 3 8 ) 可以看出，5 2 不但與反電勢(shì)頻率相關(guān)，還與硬件電路參數(shù)相關(guān)，如果 其中的阻容器件( 尤其是電容器件) 參數(shù)的一致性以及時(shí)變性有大的偏差，則 口本身計(jì)算就有誤差，為補(bǔ)償帶來(lái)了難度。所以模擬法的缺點(diǎn)之一是阻容器件 產(chǎn)生了相角延遲，而相角延遲補(bǔ)償跟很多因素相關(guān)，復(fù)雜度比較高。 深度濾波帶來(lái)的相角延遲己被大家所熟知，而其所帶來(lái)的幅值衰減同樣應(yīng) 受到重視。從圖3 4 可以看出，當(dāng)反電勢(shì)頻率由0 遞增到5 0 h z 時(shí)，衰減系數(shù)由 0 0 4 銳減到0 0 0 2 5 ，相差1 6 倍。這里只畫出了5 0 h z 范圍內(nèi)的衰減系數(shù)，原因 是反電勢(shì)幅值與其頻率成正比，反電勢(shì)頻率越高時(shí)反電勢(shì)幅值也越大，衰減程 度的加大對(duì)過(guò)零檢測(cè)影響不大，但是在低頻區(qū)，本身反電勢(shì)幅值較小，過(guò)零點(diǎn) 附近反電勢(shì)波形比較平坦，衰減程度越