无位置传感器无刷电机调速系统设计毕业作品.docx
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无位置传感器无刷电机调速系统设计毕业作品
毕-设
业-计
(20届)
无位置传感器无刷电机调速系统设计
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
摘 要
【摘要】无位置传感器无刷直流电机不但具有传统无刷直流电机良好的调速性能,并且效率高、体积小具有更好可靠性和环境适应性,因此在工业领域中广泛应用。
本系统设计的基于C8051F330单片机控制的无位置传感器无刷电机调速系统能对无位置传感器无刷电机启动、调速、保护等控制。
本论文首先介绍了无刷电机控制原理。
然后对无位置传感器无刷直流电机控制中的关键技术问题——转子位置检测方法、起动控制策略、反电势过零点滤波等进行探讨,并详细介绍了以C8051F330单片机为控制器的软、硬件实现方法和设计过程中出现的问题的分析。
【关键词】无位置传感器;直流无刷电机;单片机。
Abstract
【ABSTRACT】BrushlessDCmotoriswidelyappliedtoallkindsoffieldsowetoitsstrongabilityofspeedregulation,highefficiencyandsmallsize.Ontheotherhand,SensorlessbrushlessDCmotorBLDCMismorepopularinindustrialfieldsasitismorereliableandadaptable.ThisdesignaccomplishesaSensorlessbrushlessDCmotorcontrolsystembasedonC8051f330,whichconductsthecontrolofthebrushlessmotor’sstartup,speedregulation,stopandprotecting.
ThisdesignaccomplishesaspeedregulationsystemofSensorlessbrushlessDCmotorcontrolledbythesinglechipmicrocomputerC8051F330.Meanwhile,thepaperstartswiththecontrollingprinciplesofbrushlessmotorandthendiscussessomepivotaltechniquesproblemsofSensorlessbrushlessDCmotorcontrol,suchasdetectionmethodsofrotorposition,startingcontrolstrategiesandback-EMFcrossingzeropointfiltering.Besides,bothsoftwareandhardwarecontrolledbythesinglechipmicrocomputerC8051F330areintroducedindetailaswellastheirworkingprocedures.
【KEYWORDS】Sensorless;BrushlessDCmotor;Single-chipMicrocomputer。
目 录
1绪论
1.1无刷直流电机的研究背景和发展现状
1.1.1无刷直流电机的发展背景
自十九世纪四十年代直流电机出现以来,由于它良好的动静态性能和调速性能指标,在运动控制领域很长一段时间内一直都占据主导地位。
但是它优良的性能需要依靠有机械接触的电刷和换向器来实现,这大大加大了直流电机结构的复杂性和发生故障的概率,使用场合也的受到了很大的限制。
例如,由于机械摩擦带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等问题,严重的限制了直流电机的应用。
为此人们一直在寻求以交流电动机取代具有电刷和机械式换向器的直流电动机,来满足各种领域的需要。
但是因为三相交流电动机是一个多变量、非线性时变的复杂系统,可控性较差。
因此在很长一段时间里与直流传动系统相比,交流传动系统在控制性能与成本、复杂性、可靠性等方面都有一定差距。
但是随着微处理器技术、电力电子技术和电机控制理论的发展,交流调速已经取得了巨大的进步,各方面性能指标都有很大的提高,并且交流电机本来的结构简单、易维护等优点又得到了充分发挥,目前交流传动系统正迅速取代传统的直流传动系统[1-2]。
针对传统直流电机的缺点,早在20世纪30年代,有人就开始以电子换相来代替机械换向的无刷直流电机研究,并取得了一定的成果。
但是当时大功率电子开关器件的发展正处于起步阶段,没有理想的电子换相元件,因此这种电机的研究只能停留在实验室阶段。
1955年,美国的D.Harrison首次实现了利用晶体管电子开关代替电刷,但是这只是无刷直流电机的简单雏形,没有起动转矩,没有实现应用。
到了六十年代,利用霍尔元件来实现换相以及高强度稀土永久磁铁的有效利用,为无刷直流电机的出现创造了有利条件。
七十年代以来,伴随着电力电子技术的飞速发展,很多新型高性能的半导体功率器件,例如GTR,MOSFET,IGBT等的相继出现,以及高性能永磁材料,如衫钻、钦铁硼等的问世,为无刷直流电机的广泛应用奠定了坚实的基础,因而无刷直流电动机系统得到了迅速的发展。
1978年,MANNESMANN公司的Indramat分部在汉诺威贸易博览会上正式推出了MAC无刷直流电动机系统,这标志着无刷直流电动机技术已经进入实用化阶段。
随着人们日益深入的了解无刷直流电动机特性,使得无刷直流电动机的理论也逐渐得到完善。
1986年,在一篇论文中对方波无刷直流电动机的特性进行了全面系统的总结,指出了这种电机的主要研究领域和研究方法,这篇论文标志着方波无刷直流电动机在理论上已基本成熟。
我国对无刷直流电动机的研究起步较晚,在八十年代以前,国内对方波无刷直流电动机的研究几乎是空白。
在1987年,北京举办的联办德国金属加工设备展览会上,SIEMENS和BOSCH两公司展出的永磁式同步伺服系统和驱动器,引起了国内有关学者广泛的关注。
从此,国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。
经过多年的努力,现在国内已有方波无刷直流电动机的系列产品,并且形成了一定生产规模。
目前,国内主要的研究工作主要集中在对无刷直流电机的无位置传感器控制上,己取得了很大的成果,并且得到了实际应用[3-4]。
1.2无位置传感器无刷直流电机的研究意义
无刷直流电机的研究意义
在交流传动系统中目前应用的电动机主要有感应电动机和永磁同步电动机两种,而永磁同步电动机根据不同的工作原理,可分为正弦波反电势的永磁同步电动机(PMSM)和方波反电动势的无刷直流电动机(BLDCM)。
通过采用矢量控制的异步电动机,目前己经能够得到接近直流调速系统的机械特性和较宽的调速范围,但是存在着控制较为复杂的主要缺点,并且对电机参数的依赖性较强;而采用PWM控制的永磁同步电机可以得到与直流电机完全等效的外特性,与感应电机相比,体积小、重量轻、效率高、控制相对简单、不存在励磁损耗问题等。
因此在高性能应用领域,永磁同步电动机具有更多的优势。
与正弦波永磁同步电机相比,方波无刷直流电动机虽然有转矩脉动的问题,但它不需要正弦波永磁同步电机中的绝对位置编码器,其功率密度更高,输出转矩更大,而且控制结构更为简单,能使电机与逆变器的潜力得到更充分的发挥。
因此,永磁无刷直流电动机的应用和研究受到了广泛重视。
无刷直流电机的最大特点是以半导体开关元件代替了由电刷和换向器组成的机械换向结构。
没有滑动电接触,消除了传统直流电机换向产生的噪声、火花等,而且它的抗干扰性能好,运行可靠,维护方便,也延长了电机的使用寿命。
无刷直流电机的转子采用永磁体激磁,没有激磁损耗,提高了电机整体效率。
电枢绕组位在定子上,热阻小,散热方便,使电机的温升容易得到控制。
在相同功率情况下,和交流电机相比无刷直流电机比体积小、效率高。
同时,无刷直流电机还保持了有刷直流电机优良的调速特性,转速控制方便。
从20世纪八十年代以来,随着新型稀土永磁材料的发展应用,无刷直流电动机的造价更低,性能更为优越,再加上消除了直流电动机机械换向带来的一系列限制,而且体积小、重量轻、效率高、转动惯量小,因此目前在仪器仪表、医疗器械、化工、办公自动化设备以及家电产品等领域具有广泛应用。
尤其在节能己成为时代主题的今天,无刷直流电机的高效率更显示了它巨大的应用价值。
因此,对无刷直流电动机的研究非常必要,具有重大实际应用价值。
无刷直流电机无位置传感器控制的研究意义
无刷直流电动机的电子换向主要通过检测转子的相对位置来进行正确的换向。
传统的无刷直流电机一般采用霍尔元件作为位置信号传感器。
但是,随着电机尺寸的进一步缩小,使用霍尔元件的弊端就日益突出。
第一,电机内部用于安装霍尔元件的位置受到了限制;第二,霍尔元件对温度的变化以及电机应用中经常遇到的各种噪声敏感,而且传感器信号传输线过多会引入干扰,容易造成误操作。
第三,霍尔元件的安装会使电机结构变得复杂、可靠性降低。
从控制系统的成本、维护、可靠性等方面考虑,无位置传感器的传动系统对提高系统可靠性和对环境的适应性有重要的意义。
转子位置的准确检测是逆变器开关状态切换的基础,其精度高低将直接影响转矩输出。
所以对于无刷直流电动机的控制无位置传感器的研究已被国内外学术界所重视,成为近年来的研究热点。
虽然国内有许多的专家学者在无刷直流电动机无位置传感器控制方面已经做了很多的研究,也取得了不小的成绩,但是,与发达国家研究水平相比,还有很大的差距。
因此,研究无刷直流电动机无位置传感器控制对于缩短与发达国家的差距,满足人民生产生活需要,提高人民生活水平有重要的意义。
1.3本论文的主要工作
论文首先介绍无刷直流电机的基本结构和工作原理。
然后对无位置传感器无刷直流电机控制中的关键技术问题——转子位置检测方法、起动控制策略、反电势过零点滤波等进行探讨,并详细介绍了功率驱动电路和以C8051F330单片机为控制器的无位置传感器无刷电机调速系统实现方法,并对系统调试过程中出现的各种问题进行了分析和总结。
2
无位置传感器无刷直流电机的原理与系统总体设计
2.1无位置传感器无刷直流电机的基本结构和工作原理
传统的无刷直流电机结构原理如图2-1所示,它主要由三部分组成:
永磁电机本体、电子换向器、转子位置传感器。
图2-1无刷直流电机结构原理图
对无位置传感器无刷直流电机来说,可以检测电机相关信息量,经处理后得到位置信号从而实现位置传感器功能,也就是说用无位置传感器控制方式来取代传统的位置传感器。
本系统设计的是全桥星接无刷直流电机其驱动原理如下:
图2-2三相星形联接全桥驱动原理图
如图2-2所示,位置信号通过位置检测电路检测无刷直流电机的端电压并经过处理器处理后得到,再通过驱动电路按照转子的位置信号来轮流导通逆变桥的6个功率管,实现对电机三相绕组通电。
三相桥式星形联接的无刷直流电机在每一个时刻都有两相绕组导通,另一相处于关断状态。
功率管有六种触发状态,每种状态下只有两个功率管导通且每隔60°电角度换相一次,每次切换一个功率管,也就是说每个功率管导通120°电角度。
因为采用两两导通方式,每次只有两相导通,另一相关断,所以导通相相电流大小相等方向相反而非导通相相电流为零,非导通相会有一次反电势过零。
对于采用单极性PWM控制方式(上桥臂功率管采用PWM控制,下桥臂功率管直接开关)时功率管的工作状态与换相对应关系为表2-1所示。
换相控制字为0~5。
表2-1功率管的工作状态与换相的对应关系
换相
控制字
各功率管工作状态
T1
T2
T3
T4
T5
T6
0
PWM
OFF
OFF
ON
OFF
OFF
1
PWM
OFF
OFF
OFF
OFF
ON
2
OFF
OFF
PWM
OFF
OFF
ON
3
OFF
ON
PWM
OFF
OFF
OFF
4
OFF
ON
OFF
OFF
PWM
OFF
5
OFF
OFF
OFF
ON
PWM
OFF
2.2转子位置检测方法
无位置传感器无刷直流电机控制是指不使用位置传感器,而是使用其他方法间接得到转子位置信号、角速度等状态量,从而确定逆变器功率管的切换,对定子绕组进行换相,保持定子电流和反电势在相位上的严格同步。
转子位置检测方法的选择[9]
在无位置传感器无刷直流电机控制中,研究的一个核心问题是怎样通过软件和硬件的方法设计一种转子状态量的检测电路。
因为可以直接测量到的状态量一般只有相电压和相电流,因此目前的研究成果所提出的无位置传感器无刷直流电机控制方法中大部分是基于这两个观测量。
目前常用的无传感器位置检测方法有:
反电势法、状态观测法、续流二极管法、电感法,下面做简要介绍。
(1)反电势法
“反电势法”是通过检测电机的反电势获得转子位置信号的方法。
根据对反电势不同处理,反电势法又可分为反电势过零点检测法、锁相环技术法、反电势逻辑电平积分法等。
①反电势过零点检测法
在无刷直流电机中,由于绕组反电势是正负交变的,当某相绕组反电势过零时,转子直轴恰好与该项绕组轴线相重合。
因此只要检测到各相反电动势过零点,就可以获得转子的若干关键位置,从而省去了位置传感器实现无刷直流电机的无位置传感器控制,这是目前应用最广泛的方法。
这种方法的缺点在于静止或低速时反电势信号为零或很小,很难准确检测到绕组的反电势过零点,因而无法得到有效的转子位置信号,系统低速性能较差,需要采用开环方法进行启动,此外,为了消除PWM调制引起的干扰信号,需要对反电势进行深度滤波,这会造成与电机转速有关的信号相移,因此需要进行相移补偿。
②锁相环技术法
锁相环技术法是利用非导通相的反电势经过逻辑处理后得到周期为60度电角度脉冲列,然后采用PLL锁相技术将脉冲列倍频,再通过同步计数器计数值和锁存预置值的比较,得到理想的换相点。
由于该方法硬件上需要三分频、锁相环电路等,电路结构较为复杂,应用并不广泛。
3反电势逻辑电平积分比较法
反电势逻辑电平积分比较法是将两相反电势进行过零比较处理,在得到逻辑电平后再对两路逻辑电平进行积分处理,由于这两路逻辑电平积分值关系反映相位的关系,因此可以用于确定电机转子的磁场位置。
此方法的优点在于只需要检测非导通相的反电势极性,这有利于提高低速性能。
但是由于这种方法需要进行积分比较,增加了检测电路的复杂性,也增加了软件的运算量,同时还增加了成本,不便于实际应用。
4反电势3次谐波积分法
此方法适用于120°导通、绕组星型接法的无刷直流电机控制中。
由于梯形波的反电势包含三次谐波分量,因此获取此分量并对其进行积分,当积分值为零时即得到了相应的转子位置信息。
这种位置检测方法与利用反电动势过零点检测方法相比可以获得较宽的调速范围,但也需要采用开环起动方式。
(2)状态观测法
状态观测法就是以电机转速、转子位置角、电流等参数为状态变量,在定义状态量的基础上对电机建立相应的数学模型,通过数字滤波得出其状态变量的离散值,从而实现对电机的控制。
这种方法能较好解决电机在高速、重载情况下难于控制的问题,而且它良好的抗干扰能力使其更适合在恶劣的环境中工作。
但是状态观测法庞大的运算量在一定程度上限制了它的应用。
这种方法一般采用DSP来承担庞大的运算量,因而增加了系统成本,因此在实际中使用较少。
比较常用的是扩展卡尔曼滤波法,对具有随机干扰的非线性系统来说卡尔曼滤波器是最优的递推估算器。
扩展卡尔曼滤波法是通过建立电机的数学模型,周期性检测外加电压、不导通相反电势和负载电流等变量,然后利用特定算法得到电机转子的位置和速度的估计值。
在通过比较估计值与设定值的差值后经过PID调节,达到控制电机的目的。
在电机控制中,由于需要实现的控制目的各不相同,选取的状态变量以及建立的系统模型和观察模型也不相同。
但是由于扩展卡尔曼滤波法计算量大,对系统参数敏感和需要初始位置信息缺点它的实际应用。
(3)续流二极管法
当无刷直流电机采用120°导通方式时,由于非导通相的绕组电流有一个续流的过程,因此只要监测并联在6个功率管上的续流二极管的导通情况,就可以得到6个功率管的开关顺序。
这种方法可以提高电机调速范围,特别是可以拓宽电机转速下限。
但是由于要求逆变器必须工作在上下功率管轮流处于PWM斩波方式,这增大了控制难度。
其次,续流二极管导通的无效信号和毛刺干扰造成的误导通信号也不易去除。
而且由于此方法的转子位置误差比较大,绕组电感量、反电势系数不是常数,反电势波形不是标准的梯形波等因素都会造成转子位置误差,需要一定的补偿措施。
这种方法目前国内应用不是很广泛,技术也不是很成熟。
(4)电感法
电感法有两种形式:
一种是应用于凸极式永磁无刷直流电机,另一种是应用于内嵌式磁钢结构的永磁无刷直流电机。
第一种电感法是通过在启动过程中对电机绕组施加探测电压来判断电感的变化。
在凸极电机中,由于绕组自感可以表示成绕组轴线与转子直轴间夹角的偶次余弦函数,因此通过检测绕组自感变化,就可判断转子轴线的位置信号。
但是这种方法难度较大,并且只能应用于凸极电机,现在应用较少。
第二种方法的原理是在内嵌式无刷直流电机中,绕组电感会因转子位置改变而发生相应的变化,通过检测这些变化再通过一定计算就可的到转子位置信号。
但是这种方法需要对绕组电感进行不间断的实时检测,这增加了实现的难度,所以应用不是很广泛。
反电势法介绍
反电势法是目前应用最广泛的转子位置信号检测方法。
它经常用于电枢绕组采用星型接法的三相六拍—120°方波型驱动的永磁无刷直流电机。
图2-3给出逆变器主电路。
图2-3逆变器主电路
反电势法基本原理:
在逆变器供电的任一瞬间,总有一相上下桥臂处于断开状态,因此该相绕组的相电压等于其感生电势。
在理想情况下三相的感应电动势E和相电流i如图2-4所示。
在忽略电枢反应对气隙磁场造成影响前提下,可认为这一感生电动势就等于该相绕组产生的反电势。
反电势过零点可以通过检测相电压或端电压得到,检测到过零点时刻并作30°电角度延时,就可以得到功率器件的正确触发时刻,据此依次就得到了转子的六个关键位置信号,并以此为依据,轮流触发这六个功率管,驱动电机运转。
图2-4理想情况下三相感应电动势E与相电流i的波形
由于电机绕组中性点一般不引出,因此直接测定绕组反电势相电压值比较困难。
但是测量两相端子对地电压比较方便。
图2-5显示了无刷直流电机定子的相等效电路,L是相电感,R是相电阻,
是反电势,
是电机定子绕组中性点对地电压,
、
、
是每相输出端对地电压。
图2-5定子相等效电路
由图2-5建立二相端电压平衡方程为:
(2-1)
(2-2)
(2-3)
由于采用两两通电方式,所以在每个瞬间只有两相导通,设U相和V相导通,且从U相流入V相流出,这时U、V两相的电流大小相等,方向相反,W相电流为0,则式(2-3)简化为:
(2-4)
(2-5)
将式(3-1)和(3-2)相加得到中性点电压为:
(2-6)
再将式(3-6)代入式(3-5)得到W相反电势过零检测方程为:
(2-7)
当
过零时,
,
,
,式(3-7)变为:
(2-8)
同理可得U相和V相反电势过零检测方程为:
(2-9)
(2-10)
式(3-8)、(3-9)、(3-10)显示,当二相定子绕组的反电势过零点与端电压过中点在时间上重合,因为反电势波形与端电压波形频率相等,所以寻找到反电势过零点后30°电角度就相当于寻找端电压过中点后30°电角度。
2.3三段式启动方法
由前面所述,在系统中采用最易实现的反电势过零检测法对转子位置进行检测,实现换相控制。
但是由于无刷直流电机在静止或低速时反电势为零或很小,无法进行转子位置的判断,因此需要采用特殊的起动方法,通常按它控式同步电动机的运行状态从静止开始加速,直至转速达到一定,能够检测到位置信号,然后切换到无刷直流电机运行状态。
这个过程为三段式起动技术,它包括转子定位,同步加速和运行状态切换三个阶段。
转子定位
由于电机静止时转子的初始位置决定了逆变器第一次应触发那两个功率管,最简单的方法是先把逆变器的某两相导通并控制电机电流,经过一定时间使转子转到一个预知位置。
此方法容易实现但是存在一定的问题,当转子的起始位置与导通的两个功率管决定的磁场方向恰好相反时,转子可能不动导致定位失败。
因此现在本系统采用的方法是先给预定的两相通电并持续一定的时间,使转子转到预定的磁场方向上,然后按电机旋转方向的换相顺序定位到下一拍,并维持一定的时间,确保转子转到下一拍磁场方向上,这样可以确保电机定位准确。
外同步加速
在本系统中为使电机稳定加速起动,采用升频升压的外同步起动方法,也就是通过逐渐减小六拍的换相时间和逐渐增大PWM的占空比提高输出电压来逐步提高电机的转速,在实际调速过程中空载起动时当PWM占空比达到25%时电机转速已经完全可以检测到相电压。
此外非常重要的是换相频率和输出电压的调整,必须相互匹配,否则,当换相频率过慢时会导致定子磁场滞后转子产生很大的电流,当换相频率太快时会导致转子超前使电机失步卡死。
具体换相频率和输出电压的匹配方法将在第4章详细介绍。
当电机达到一定转速且能检测到反电动势过零点时,进入恒频恒压阶段并且开始检测六拍的每一拍是否能够检测到反电势过零点,当连续六拍都检测到反电势过零点时就切换到闭环自动换相状态。
这样可以防止干扰等引起的误检测影响起动过程的顺利完成。
自同步自动换相
从电机运行状态切换的条件可以知道:
当连续六拍都检测到反电势过零点时电机可以从外同步状态切换到自同步状态。
而且由于进行状态切换时电机当前所处的拍是知道的,所以在闭环自动换相过程中可以根据当前电机所处的拍知道下一个拍的导通相和关断相。
这样形成一个循环实现电机根据拍值自动换相。
2.4无位置传感器无刷电机调速系统总体设计
如图2-6可知,本系统由单片机控制模块、功率驱动模块、功率主电路、转子位置检测模块组成。
系统采用反电势过零点检测法,转子位置信号由端电压进行无源深度滤波产生,通过单片机的ADC进行位置信号的采样,然后控制功率驱动模块来轮流导通逆变桥的6个功率管使电机正常运转,并且通过PWM控制实现电机的调速,在此期间定时检测相电流和电源电压。
图2-6无位置传感器无刷直流电机调速系统结构框图
2.5控制器选择
从无刷直流电机的工作原理可知,在运行过程中需要不断检测反电势过零点信号也就是检测端电压的值,而且其值的精度直接影响电机换相的时刻,这对电机运行的效率有直接的影响,此外由于电机转速较高,位置信号的频率较高,需要采用转换速率较高的ADC。
C8051F330单片机内置有一个200ksps的10位逐次逼近寄存器型ADC并且拥有两个16通道模拟多路选择器,足以进行反电势过零点检测和电源电压、工作电流检测且精度比较高,而且C8051F330单片机的16为可编程计数器/定时器阵列可以通过8位脉宽调制方式方便的产生三个PWM波,从而实现无刷直流电机的运行。
并且C8051F330单片机的最大时钟频率达到25MHz具有较快的处理能力,所以本系统选用C8051F330单片机,设计制作了一个无位置传感器无刷电机调速系统。
[10]
C8051F330是完
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