探究无刷直流电动机及其控制技术的发展

探究无刷直流电动机及其控制技术的发展

苗佳露 1武健 2

93381部队

摘要：由于当前社会对于节能以及环保的呼声越来越大，针对节能和高效的驱动技术已经成为了当前技术发展的主要趋势。永磁无刷直流电动机作为驱动电机具有结构简单以及效率高等有限，广泛应用于载人航天、工业生产以及电动汽车当中。无刷直流电动机驱动一般是通过其内部的位置传感器来检测转子磁极的信号，但是由于点击工作的场合有很多种，所以传感器的存在就造成了电机的可靠性。所以研究无刷直流电动机的无传感器控制技术成为了当前发展的主要方向。本文从实际出发，简要讨论了无刷直流电动机的工作原理，无刷直流电动机驱动控制系统仿真，无刷直流电动机驱动控制系统硬件设计以及无刷直流电动机驱动控制系统软件设计。

关键词：无刷直流电动机；无位置传感器；反电动势法；

引言：随着科学的不断进步，电动机作为一种能量转换装置，现在已经广泛的应用于各种各样的领域当中。现如今，全世界的人们对于环境保护以及资源节约的呼声越来越高，在这样的背景柱子下，提高电动机系统的性能以及运行的可靠性已经成为了当前机电研究领域的热点。永磁电动机分为正弦波动永磁电动机和方波驱动永磁电动机两种。随着永磁材料以及电力电子期间的更新，无刷直流电机也在逐渐的发展着。由于其有着坚固以及维修方便等特点，广泛的应用于载人航天和工业生产等领域当中。

1. 无刷直流电动机的工作原理

1. 无刷直流电动机的结构

无刷直流电动机主要由定子、转子和外壳三大部分构成。无刷直流电动机按其转子磁钢安装形式分类主要有三种:面装式、插入式、内装式。目前，普遍应用的用于调速运行以及伺服驱动的永磁电动机有两大类。一类为反电动势波形(实际是梯形波)和供电电流波形都是方波的无刷直流电动机(称无刷直流电动机)，另一类为反电动势波形和供电电流波形都是正弦波的无刷直流电动机(称永磁同步电动机)。无刷直流电动机常采用集中整距绕组，而正弦波电动机常采用分布短距绕组^[1]。

2. 无刷直流电动机的工作原理

无刷直流电动机的控制系统是三相绕组是互差120°对称分布，其中留个功率管的导通和断开主要是有控制电路根据转子刺激位置来决定的，调整电机线圈的通电顺序，能够实现电机的换相操作。每隔六十度来进行一次换相导通工作，每一次就切换一个开关，每一个开关管连续导通一百八十度。从电磁的原理来看，由于转子磁极位置不断地进行换相，就能够产生一个旋转的磁场，转子因此而旋转起来。随着电机的转动，假如电机上加了负载，那么为了让转子和磁场都能够同步的转动起来，那么电源就一定要提供更大的电流，从产生更大的磁场让电机做功带动负载。

2. 无刷直流电动机驱动控制系统仿真

1. 无刷直流电动机控制系统仿真

完成一个电机驱动控制系统的设计，对调节器的控制参数，PWM的载波频率，采样时间等都是一个反复长期调试的过程。随着计算机技术的进步，很多参数的调试都可以先在计算机构建的系统模型上进行仿真调试，以得到合理的参数组合，同时也可以对系统的。些理论模型通过仿真来验证其合理性，为系统实现提供理论依据，缩短系统设计时间。MATLAB以高效的数值计算和符号计算功能，完备的图形处理能力，友好的用户界面，功能丰富的应用工具箱以及模块化的动态系统仿真工具Simulink,成为系统仿真工具的首选。
对无刷直流电动机有位置传感器控制系统和无位置传感器控制系统分别进行了仿真，对比了无刷直流电动机在两种不同控制方式下的性能，对速度调节器的参数进行了优化。在有位置传感器控制系统中外环使用PID控制进行速度调节，电流内环使用滞环控制的方式:在无位置传感器控制系统中对换相逻辑，起动模块等主要部分进行了理论验证^[2]。

2. 有位置传感器控制系统仿真

有位置传感器的控制系统主要是由电机本体，速度控制模块，电流滞环控制器模块以及电源和逆变换器模块所组成。控制系统主要是采用双闭环结构，电流内环采用的是滞环控制，外环采用的是速度PI控制。滞环控制是直接控制对于电动机的相电流进行控制，相电流能够减少电流的脉动从而减小电机的转矩脉动，改善电动机的运行条件。

3. 无位置传感器控制系统仿真

无位置传感器控制系统仿真主要是包括速度控制器，转子位置检测模块，电机启动模块以及电机运行状态转换模块。反电动势过零检测方法已经发展的比较成熟了，在实际的测量当中很容易实现，也能够达到系统的控制要求。在无位置传感器控制系统仿真的模型当中，只需要针对电动机的转速来进行控制，对于电流则是不需要进行过多的控制。因为在无位置传感器控制系统当中，如何实现三段式启动，以及转子的位置检测更为重要，既要考虑到速度环又要考虑到相位对于控制系统来说过于复杂，随意控制系统就只考虑速度环即可。

3. 无刷直流电动机驱动控制系统硬件设计

无刷直流电动机驱动控制系统是以TI公司DSP为主控芯片。TMS320F2812芯片I/O电压为3.3V,内核电压为1.8V(此时系统最高工作频率为135MFHz)或19V(此时系统最高工作频率为150MHz)。F2812片内资源主要包括:CPU、片内各种存储器、片外存储器接口(XINTE)、3个32位的CPU定时器、外设中断扩展模块(PIE)、3个外部中断、2个事件管理器(EVAB)、1个12位的模数转换器(ADC)、1个串行外设接口(SPI)、2个异步串行通信接口(SCi)、1个增强型区域网络控制器(eCAN)、1个多通道缓冲申行接口(MCBSP)、最多56个通用输入/输出接口(GPIO引脚)、JTAG边界扫描支持等。

本文设计了永磁无刷直流电动机驱动控制系统硬件主要电路。包括微处理器主控封电路系统的电源电路、检测电路包括直流的母线电压检测电路，直流的母线电流，转子磁极位置反电动势过零点检测电路。PWM功率驱动电路，隔离电路以及键盘现实电路等^[3]。

4. 无刷直流电动机驱动控制系统软件设计

无刷直流电动机无位置传感器控制系统软件主要包括主程序，点击停止、电机转向、电机转速设定程序、三段式启动程序、捕获中断程序、转速计算程序以及采用中断程序所组成。

主程序包括对于程序的初始化，DSP片内资源初始化以及硬件电路的初始化的程序。其中程序的初始化需要对于系统时钟、看门狗以及外设时钟进行设置。DSP片内资源主要是用来进行管理器当中的补货单元。在初始化程序当中的一些相关的寄存器来进行设置。

在无位置传感器无刷直流电动机运行的时候，转子磁极的位置主要是根据相应的反电动势过零信号来进行判断。电机从有位置传感器过渡到无位置传感器的形态，就是为了让电机的重量和尺寸下降，这样就不能够在增加专门的设备来进行转速确认。利用反电动势过零信号就可以在不增加新设备的情况下来检测到电机的转速。对于极数为1的三相无刷直流电动机来说，转子每转过一周，就会发生六次换相，累计六次换相的时间就是电动机转一周所需要的时间。电机旋转一周所需要的时间主要是通过事件管理其当中的通用定时器来获得。

5. 总结语

当前针对无刷直流电动机的研究主要是集中在无位置传感器的控制、转矩脉动的抑制、弱磁控制、驱动技术以及电机本体方面。无刷直流电动机主要是通过传感器来实现对于转子信号的检测，随着无刷直流电动机的多样化，对于传感器的要求也逐渐的严格，为了降低系统的复杂程度，去除位置传感器这一想法在电动机当中出现。针对当前传感器在实际的应用当中遇到的限制问题，让无位置传感器控制成为了现在的一个重要的研究方向。

参考文献：

[1]杭惠.永磁无刷直流电机驱动控制系统研究[D].沈阳工业大学,2017.

[2]刘曦.基于SVPWM无刷直流电动机控制系统研究[D].华东交通大学,2017.

[3]汪雄.无刷直流电动机矢量控制系统的研究[D].浙江工业大学,2016.