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1、西安科技大学 硕士学位论文 无位置传感器无刷直流电动机控制系统的设计 姓名：付永余 申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：童军 论文题目：无位置传感器无刷直流电动机控制系统的设计 专 业：电力电子与电力传动 硕 士 生：付永余 （签名） 指导老师：童 军 （签名） 摘 要 电力电子技术、电机技术、控制器技术的发展为机电一体化产业的进步提供强大的 动力。 与经常应用在电机控制中的有刷电机相比， MCU 控制的无刷直流电机 （BLDCM） 消除了电刷磨损和换相器弧形机构，提高了控制系统的稳定性和寿命，电力电子器件的 应用大大减小了控制系统的体积， 使得这种控制结构在工业和民用中得
2、到广泛应用并在 伺服领域呈现良好的应用前景。 本文先简述了无刷直流电机的转子位置器检查方法； 然后论述了反电动势过零点检 测原理和算法以及该算法的软件实现、软件滤波和相移修正、换相点的软件实现；最后 对软件开环换相起动策略作了详细论述。接下来对数字控制系统的硬、软件设计作了详 细论述。硬件部分先作了整体设计的论述；然后论述了几个主要的电路设计，重点论述 了一些重要电子元器件及其参数的选择。软件部分首先论述了整体设计；接着详细论述 了软件实现方面的几个问题并且论述了几个主要子程序的设计； 最后给出了数字控制系 统的整体控制策略。 实验结果表明，本设计提出的基于 DSP 的无刷直流电机控制系统具有
3、良好的调速 性能，该控制系统起动快速、稳定，具有较宽的调速范围。尤其采用 DSP 控制芯片后， 不仅简化了系统外围设备，降低了系统的功耗，而且提高了系统的准确性和实时性，获 得了更好的控制效果，具有广泛的应用范围。 关 键 词：无刷直流电动机；无位置传感器；反电动势换相检测；开环换相起动；硬 软件设计；闭环控制 研究类型：应用研究 Subject : Design on Sensorless Control System for Brushless DC Motor Specialty : Power Electronics and Electric Drive Name : Fu Yongy
4、u (signature) Instructor : Tong Jun (signature) ABSTRACT The advancement of electronics technology, motor technology and microcontroller technology accelerate the development of the eletro-mechanical industry. Since the brush abrasion and arc-shaped mechanism for phase exchange are avoid, the system
5、 with brush DC motor that commonly used. The application of power electronics devices greatly reduces the volume of control system. So this kind of control structure is used extensively in industry and civilian projects and with a wonderful view in the field of servo system. In this chapter, the met
6、hod of BLDCM rotor position detection is first discussed. Then the principle and algorithm of Bemf zero crossing point detection is explained. In succession, the chapter dissertates the software realization of the Bemf zero crossing point detection algorithm, the software disturbance filter and the
7、modification of phase displacement, and the software realization of commutation point. Finally, the chapter, dissertates the strategy of software open-loop commutation start-up. The hardware and software design of the digital control system is dissertated in detail. The chapter of hardware design fi
8、rst expounds the whole design. Then the design of several primary circuits is discussed and the choice of some important electronic components and their parameters in these circuits is analysed emphatically. The chapter of software design also first expounds the whole design. Then some problems on s
9、oftware realization are dissertated. Next a few primary sub routines are expatiated. At last, the whole control strategy of the digital system is presented. The experimental results indicate that the control system of DSP can make the motor start fast and stable with wider area of speeding. This BLD
10、CM control system has the characteristics of simple structure, high dependability, and can be used in many fields. Key words: Brushless DC motor Sensorless Back electromotive force Open-loop commutation start-up Hardware and software design Closed-loop control Thesis : Application Research 1 绪论 1 绪论
11、 1.1 无刷直流电动机的研究背景及意义 一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，一直在现代化的生产和生活中起 着重要的作用。无论是工农业生产、交通运输、航空航天、国防建设、医药卫生、办公 设备，还是个人生活中的家用电器都离不开各种各样的电动机。据资料统计，90%的动 力能源来源于电动机， 而电能的 70%运用于电动机上， 可见电动机是于我们密切相关的， 人们的生活是离不开电动机的。 电动机的主要类型有同步电动机，异步电动机与直流电动机三种。直流电动机以其 优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用， 但是传统直流电动机采用机械电刷 进行换相，因而存在机械摩擦，由此带来了电磁噪声、换相火
12、花、无线电干扰以及寿命 短等致命的弱点，再加上制造成本高、维护困难，从而极大的限制了它的发展和应用。 随着科学技术的进步，新技术新材料的不断涌现，电动机产品也不断推陈出新。针 对传统直流电动机的弊病，在 20 世纪 30 年代，人们开始研制以电子换相来替代电刷换 相的直流无刷电动机，并取得了一定的成果，但是由于大功率电子器件当时还处在初级 发展阶段，没有找到理想的电子换相装置。1955 年，美国 D哈里森等人首次申请了应 用晶体管换相代替电动机机械换相的专利，这就是现代直流无刷电动机的雏形。而后经 过无数科研人员多年的努力，借助霍尔元件来实现换相的直流无刷电动机终于在 1962 年问世了！从上
13、世纪 70 年代以后，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能 半导体器件，如 GTR、MOSFET、IGBT 等相继出现，以及高性能永磁材料，如钐钴、 铷铁硼等的问世，均为无刷电动机的广泛使用奠定了坚实的基础。20 世纪 80 年代，人 们发现了稀土永磁材料。使用它可以明显的减轻电动机的重量和减小电动机的外形尺 寸。还可以获得更高的节能效果和提高电动机的性能。 近年来，有位置传感器的无刷直流电动机在国民经济的各个领域得到广泛的应用， 但是，位置传感器的存在增加了电动机的体积，旋转是传感器难免有磨损且需要多根信 号线，更降低了系统的可靠性，这也给无刷直流电动机的微型化带来了困难，也增加了
14、电动机制造的工艺要求和成本。同时，这种位置传感器也会因为恶劣的应用环境，如高 温、低温、高湿或污浊的空气等而产生转子位置误差，以及系统成本等因素1。因此， 在工业应用中，位置传感器的使用受到了限制，促使人们对无刷直流电动机的无位置传 感器控制展开研究。为适应无刷电动机的进一步发展，无位置传感器应运而生，与直接 检测法相比，省去了位置传感器，简化了电动机本体结构，取得了良好的效果，并得到 了广泛的应用。 1 西安科技大学硕士学位论文 1.2 国内外研究的发展历程、现状和趋势 早在 1917 年，Boliger 就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械换向器，从而 诞生了无刷直流电动机的基本思想。
15、20 世纪 30 年代，就有人开始研制以电子换向来代 替电刷换向的直流无刷电动机，并取得了一定的成果。但由于当时大功率电子器件仅处 于初级发展阶段，没能找到理想的电子换向元器件。使得这种电动机只能停留在实验室 研究阶段，而无法推广应用。1955 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的专利，标志着现代无刷电动机的诞生。 无刷直流电动机的发展在很大程度上取决于大功率开关器件技术水平的发展 9。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，加之永磁材料和驱动控制技术发展水平的制约，使得无刷直流电动机自发明 以后的一个相
16、当长的时间内，性能都不理想，只能停留在实验室研究阶段，无法推广使 用。七十年代以来，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、 IGBT 、 MOSFET 等相继问世， 加之高磁能永磁材料， 如SmCo， NdFeB 等 陆续出现，这些均为无刷直流电动机广泛应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。1978 年，原西德MANNESMANN 公司的Indramat 分部，在 汉诺威贸易博览会上正式推出MAC 无刷直流电动机系统，标志着无刷直流电动机技术 已经进入实用化阶段 9。 直流无刷电动机系统按照其反电势波形可分为两大类:方波直流无刷电动机和正弦 波直流无刷电动机。严格地说，无刷直流电动机最初是一个
