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1、论文题目 : 无刷直流电动机转矩脉动抑制的研究 姓 名 : 专业名称 : 控制理论与控制工程 研究方向 : 交流传动与伺服控制 指导教师 : ） 日期:2011年12月30日青岛大学硕士研究生学位论文开题报告 专 业控制理论与控制工程论文起止日期20010-12至20012-5课题来源导师自拟选题报告会日期2012-1-8论文题目无刷直流电动机转矩脉动抑制的研究研究方向电力电子与运动控制一 选题的目的和意义现代社会中，电能是最常用且最为普遍的二次能源。而电机作为机电能量转换装置，经过一个多世纪的发展，其应用范围已遍及现代社会和国民经济的各个领域及环节。为了适应不同的实际应用，各种类型的电机应运
2、而生，其中包括直流电机、异步电机、同步电机、开关磁阻电机和各种其他类型的电机，其容量小到几毫瓦，大到百万千瓦。相比之下，直流电机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，但是传统直流电机均采用电刷以机械方式换向，因而存在机械摩擦，使电机寿命缩短，并带来了噪音、火花以及无线电干扰等问题，且制造成本高及维修困难。异步电机结构简单、制造方便、运行可靠、价格便宜，但其机械特性软、启动困难、功率因数低，不能经济地实现范围较广的平滑调速，且必须从电网吸收滞后的励磁电流，从而降低电网功率因数。他控式变频同步电机具有转矩大、效率和精度高、机械特性硬等优点，但调速困难、容易“失步”等弱点大大限制了它的应用范围。开关
3、磁阻电机转子既无绕组也无永磁体，其结构简单、成本低廉，在低速时具有较大的转矩，控制换相时无上下桥直通等问题，但其噪声和转矩波动相对较大，这在某种程度上限制了该类型电机的推广应用。无刷直流电机在保持传统直流电机优越的调速性能基础上，克服了原来机械换向和电刷引起的一系列问题，且具有效率高、功率密度大、功率因数高、体积小、控制精度高等明显优点。但是位置传感器的安装与使用，一般会增加电机的成本，并影响无刷直流电机控制系统的可靠性和工作寿命；另外，位置传感器装入电机内部，还可能会增大电机的体积，在汽车，航空航天，家用电器，办公自动化领域等对电机体积有严格要求与限制的行业中更适于使用无传感器无刷直流电机。
4、于是对于无刷无位置传感器直流电动机的转矩脉动抑制的研究就有了很大的意义。二 国内外研究动态目前，国内外无刷直流电机的一般控制技术已经比较成熟，我国已经制定了GJB1863无刷直流电机通用规范。国外发达国家队无刷直流电机的研究内容与中国大体相当，但美国和日本具有较先进的无刷直流电机制造与控制技术。日本在民用方面比较突出，而美国在军工方面更加先进。本文所要研究的是方波驱动的无刷直流电机，以下如无明确说明，无刷直流电机指方波驱动的无刷直流电机。当前的研究热点主要集中在以下三个方面：(1).研究无位置传感器控制技术以提高系统可靠性，并进一步缩小电机尺寸与重量。(2).从电机设计和控制方法等方面出发，研
5、究无刷直流电机转矩波动抑制方法，从而提高其伺服精度，扩大其应用范围。(3).设计可靠、小巧、通用性强的集成化无刷直流电机控制器。2.1 无位置传感器控制技术传统的方波驱动的无刷直流电机位置检测方法通过位置传感器来直接检测电机转子的位置，即直接位置检测法。无位置传感器控制技术主要通过电机内容易获取的电压或电流等信号，经过一定算法处理，得到转子位置信号，也称为转子位置间接检测法。此概念始于1966年德国Mieslinger提出的电容移相换流位置估计法。常用的转子位置检测法如下图所示。 无刷直流电动机无传感器控制技术采用无位置传感器控制的无刷直流电机一般较难直接启动，因此其启动方式始终是研究的热点和
6、难点。利用反电势法检测转子位置的无刷直流电机三段式启动方法已较为成熟，该方法从电机启动到稳定运行可分为三个阶段，分别为：转子定位、加速和切换。其他无位置传感器控制下的电机启动方法，如预定位启动法、升频升压同步启动法和短时检测脉冲转子定位启动法等也都有了一定的应用。2.2 转矩波动抑制研究电磁转矩是衡量电机性能的重要指标。相比于正弦波驱动的无刷直流电机，方波驱动的无刷直流电机由于电动机定子绕组的电流必须根据转子位置传感器检测的信号按一定逻辑关系换流，它所产生的气隙磁势必须是跳跃式的，而永磁转子却是连续旋转的，这就必然导致定、转子磁场相互作用产生的电磁转矩是脉动的。按转矩脉动产生的原因，可分为：电
7、磁因素引起的转矩波动、电流换向引起的转矩波动、齿槽引起的转矩波动、电枢反应和机械工艺引起的转矩脉动等。前三种所占比重较大，对电机性能影响较大。2.2.1 电流换向引起的转矩脉动无刷直流电动机工作时，定子绕组的电流必须根据转子位置传感器检测的信号按一定逻辑关系换流，由于各相绕组存在电感，阻碍电流的瞬时变化，每经过一个磁状态，电枢绕组中的电流从某一相切换到另一相时将引起电机转矩的脉动。抑制由电流换向引起的转矩脉动的方法有： (1).电流反馈法一般来说，电流反馈控制可以分为两种形式：一种是直流侧电流反馈控制, 其电流反馈信号由直流侧取出，主要控制电流幅值。然而当高速时，即U4E时，电流控制手段不再有
8、效。对此，可在控制环节中加入电流PWM控制器，使其直流侧电流反馈法同样适用于高速阶段。因此，该方法适用于较宽的转速范围。另一种是交流侧电流反馈控制。电流反馈信号由交流侧取出，此时，根据转子的位置来确定要控制的相电流，使其跟随给定。该方法是通过控制PWM信号所对应的逆变器的开关状态实现的。文献【15】采用的即为交流侧电流反馈控制方法，为避免换向时反电动势的影响，作者提出对电动机中性点电压和逆变器中性点电压的差值做出补偿。而在实际运行时，为了使相电流更好地跟踪参考电流，在电流控制环中加入了预测环节，通过电动机位置信号给出换向时所需的参考电流波形，由此可得到较为光滑的转矩波形，从而抑制了换向转矩脉动
9、。(2).滞环电流法此方法应用简单，快速性好，且具有限流能力。在电流环中采用滞环电流调节器，通过比较参考电流和实际电流，在换相时给出适合的触发信号，控制开关器件。实际电流的幅值和滞环宽度的大小决定了滞环电流调节器控制信号的输出。滞环电流控制方法可分为三种情况：由上升相电流控制的HCR(Hysteresis Current Regulator，滞环电流调节器)，由非换向电流控制的HCR和由三相相电流独立控制的HCR。比较这三种方法抑制换向转矩脉动效果的实验证明：后两种情况的换向转矩特性相同，对换向转矩脉动具有较前者更好的抑制效果，适用于低速。(3).重叠换向法电流反馈法、滞环电流法虽然解决了低速
10、换向的转矩脉动问题，但通常在高速时效果不理想。现今，在高速段，抑制换向转矩脉动较成熟的方法是重叠换向法。传统的重叠换向法中，重叠时间需预先确定，但选取合适的重叠时间较为困难，且不能从最大程度上减小转矩脉动。因此，在常规重叠换向法的基础上，引入定频采样电流调节技术，形成了采用PWM控制的重叠换向法。但是该方法必须保证足够高的电流采样频率和开关频率才有效。另外，该方法虽然对抑制高速下换相转矩脉动有效，但需要离线求解开关状态并且算法复杂，在实际应用中有一定的局限性。(4).PWM斩波法为解决滞环电流法高速时效果不理想的问题，可使开关器件在断开前、导通后进行一定频率的斩波，控制换相过程中绕组端电压，使
11、得各换相电流上升和下降的速率相等，补偿总电流幅值的变化，抑制换向转矩脉动。文献【35】【36】分析了换相转矩脉动与PWM调制方式的关系，得出结论：在相同的平均电磁转矩下，单斩方式比双斩方式的稳态转矩脉动小，在相同的PWM占空比以及相同的母线电压下，单斩方式的绕组电流稳态值要大于双斩方式的绕组电流稳态值。在四种单斩调制方式中，PWM-ON调制方式的换相转矩脉动最小，因而常采用PWM-ON单斩方式来减小无刷直流电机的换相转矩脉动。2.2.2电磁因素引起的转矩脉动电磁转矩脉动是由于定子电流和转子磁场相互作用而产生的转矩脉动，它与电流波形、反电动势波形、气隙磁通密度的分布有直接关系。理想情况下，定子电
12、流为方波，反电动势波形为梯形波，平顶宽度为120度电角度，则电磁转矩为恒值。而实际电机中，由于设计和制造方面的原因，可能使反电动势波形不是梯形波，或者波顶宽度不为120度电角度；或者由于转子位置检测和控制系统精度不够而造成电动势与电流不能保持严格同步；或者电流波形偏离方波，只能近似地按梯形波变化等，这些因素的存在都会导致电磁转矩脉动产生。抑制电磁因素引起的转矩脉动的方法有： (1).电机优化设计法可以通过选择合理的无电磁转矩脉动的电机磁极和极弧的设计方案，改变磁极形状，或增加极弧宽度来有效消除电磁转矩脉动。(2).最佳开通角法首先推导出转矩脉动与开通角之间的函数关系式，再求取电流最优开通角，使
13、电流波形和反电势波形的配合适当，通过控制最优开通角而达到削弱转矩脉动的目的。(3).谐波消去法由于无刷直流电机定子电流和转子磁场的非正弦，使得其相互作用产生的电磁转矩含有谐波转矩，造成了转矩的脉动。根据电磁转矩脉动是由相电流和反电动势相互作用的原理，可以考虑通过控制电流的谐波成分来消除由此产生的转矩波动。不同次电流谐波和反电势谐波的结合，会产生具有相同角频率的谐波转矩分量，其中以角频率为6的谐波转矩分量所占比重最大，也是希望抑制的转矩分量。采用恒流源通以特定形式补偿电流的方法供电给电动机，产生和角频率6的谐波转矩分量大小相等，相位差180度的转矩，以抵消或抑制该谐波转矩分量，可使转矩的脉动量大
14、大减少。随着伺服系统对响应性能的要求越来越高，要产生上述最佳谐波电流的难度越来越大，使谐波消去法的应用受到了限制。(4).转矩反馈法从谐波消去法的工作原理可知，谐波消去法的作用是有限的，因是开环控制方法，存在绕组阻抗不对称和所测电流有误差等干扰时，控制精度会受到影响。为了克服开环控制方法的缺点们提出从反馈角度考虑抑制转矩脉动的方法，即以转矩为控制对象，实现闭环控制。若通过力矩传感器给出反馈信号，则系统响应慢，且大多只能工作在静态或低速状态下。或者根据事先精确测量得到的永磁无刷直流电动机的气隙磁通和当前的电枢电流以及转子位置，通过逻辑判断和计算得到转矩反馈信号，但是这种方法需要预测定电机参数且算
15、法复杂，实现比较困难。2.2.3 齿槽引起的转矩脉动由于定子铁心齿槽的存在，使得永磁体与对应的电枢表面的气隙磁导不均匀，当转子旋转时，使得在一个磁状态内，磁路磁阻发生变化，从而引起转矩脉动。电磁因素和电流换向引起的转矩脉动式定子电流与转子磁场相互作用产生的，而齿槽引起的转矩脉动是定子铁心与转子磁场相互作用产生的，与定子电流无关。抑制由齿槽引起的转矩脉动的方法主要集中于优化电机设计上，主要包括：斜槽法、辅助凹槽法和齿、槽宽度配合法等。2.2.4 电枢反应引起的转矩脉动电枢反应对转矩脉动的影响主要有：(1).电枢反应使气隙磁场发生畸变，改变了转子永磁体在空载时的方波气隙磁感应强度分布波形，使气隙磁
16、场的前极尖部分被加强，后极尖部分被削弱。该畸变的磁场与定子通电相绕组相互作用，是电磁转矩随定、转子相对位置的变化而脉动。(2). 在任一磁状态内，相对静止的电枢反应磁场与连续旋转地转子主极磁场相互作用而产生的电磁转矩因转子位置的不同而发生变化，从而产生转矩脉动。适当增大电机气隙，设计磁路时使电机在空载时达到足够饱和，或者电机选择瓦形或环形永磁体径向励磁结构等方法都可削弱由电枢反应引起的转矩脉动。在有刷电机中，削弱电枢反应的主要方法是装设换向极和移动电刷。永磁无刷直流电机无法装设换向极，也无法装设电刷，但可通过电路让电机电枢绕组超前或滞后导通，就相当于移动电刷，实现削弱电枢反应影响的目的。2.2
17、.5 机械加工因素引起的转矩脉动机械加工因素引起的转矩脉动有：制造电机所用材料的不一致性、转子的偏心、各相绕组的不对称等。可通过选择高质量材料，提高工艺加工水平，和一些成熟的方法来减小由机械加工引起的转矩脉动。2.2.6 现代控制理论及智能控制在转矩脉动抑制中的研究无刷直流电机是一多变量、非线性、强耦合的复杂系统，很难用精确的数学模型来描述，这就突出了经典控制理论的局限性，同时也促进了现代控制理论的发展。文献【39】按自适应控制原理设计了电磁转矩估计器，根据电流和转角通过自适应控制律计算转矩脉动的主要谐波系数，从而计算出电磁转矩估计值。由指定值与估计值的误差确定电流调节器输出的电流波形，控制P
18、WM电压型逆变器驱动电机，实现转矩脉动最小化控制。其控制精度依赖于对反电动势谐波分布情况的清楚了解，并且对电机参数的变化较为敏感，一般在较小的转速范围内效果比较明显。文献【40】用卡尔曼滤波实现转矩脉动最小化控制，认为转子磁链为正弦波，对转子磁链进行辨识，然后接入磁链估计器对转子磁链进行补偿，从而消除转矩脉动。这种方法不需要预先精确制导反电动势谐波分布，并且可对测量误差和模型误差进行补偿，使控制达到较高的精度。实验证明，该方法在很大的转速范围内能实现转矩脉动最小化控制，但控制较复杂，成本较高，推广应用较困难。神经网络控制是智能控制的一个重要分支领域。它是一种基本上不依赖于模型的控制方法，比较适
19、用于具有不确定性或高度非线性的控制对象，具有较强的适应和学习功能。文献【41】提出了通过神经网络控制抑制无位置传感器无刷直流电机转矩脉动的新策略。该方案利用两个径向基函数(RBF)神经网络分别对转子位置与在给定转矩下的绕组参考电流进行在线估计，并根据参考电流调节注入绕组中的实际电流，使之更接近方波，最大限度抑制了由于电流波形不理想而引起的转矩脉动。由以上分析可知，由齿槽、电枢反应和机械加工因素引起的转矩脉动主要是通过优化电机硬件设计来加以抑制，而由电磁因素和电流换向引起的转矩脉动多是通过从控制理论和策略上加以抑制来实现的。在实际应用中应根据具体场合和不同要求选用某种适当的控制方法，或者是几种方
20、法的综合应用。随着最新研究成果的应用，永磁无刷直流电机也会随之具有越来越广阔的应用前景。2.3 无刷直流电机控制器研究无刷直流带年纪控制器的发展同电器元件类似，经历了从分立元件控制方式到数字可编程集成电路控制方式的发展历程。以下是各类控制方式的特点：(1).分立电子元器件设计的无刷直流电机控制器结构复杂、体积较大，相应的可靠性和通用性也较差，不利于批量生产。(2).专用集成电路(ASIC)控制器结构简单、性价比高、外围器件比分立式控制器少，但在使用时也会受到一定的限制，功能扩展性不好，不易于进行产品的功能变化和升级等操作。(3).单片机、DSP或FPGA等控制器具有功能完善和控制灵活等特点，但
21、是成本可能会比专用集成电路控制器高。单片机和DSP具有丰富的外围接口，单片机一般用于简单的电机控制系统，而DSP由于具有强大的计算和数据处理能力，通常应用于需要处理的数据量大、系统实时性和精度要求高的系统或者电机的智能控制系统中。三 主要研究内容和解决的主要问题理论上，梯形波型和正弦波型的电动机分别用同相位的梯形波和正弦波和正弦波电流驱动，就会产生没有转矩脉动的电磁转矩。然而事实上由于转子永磁体性能.转子结构以及逆变器电源限制 定子绕组换向等的影响 根本不可能实现完全的梯形波或正弦波转子反电势波形，而转子磁链谐波与定子电流产生的波纹构成了无刷直流电机转矩脉动中德主要部分，使其在高精度传动方面的
22、受用受到很大限制。 本文研究基于卡尔曼滤波设计一种转矩波纹控制算法，运用卡尔曼滤波原理在定子同步坐标系下对电机磁链进行估计，以此估计值构造定子电流波形消除转矩波纹。（1）分析无刷直流电动机的结构，并研究其模型(2).设计一种转矩波纹控制算法对磁链进行准确的估计。(3).搭建仿真模型，使仿真结果能成功抑制转矩脉动。(4).用DSPICF4011搭建直流电机控制系统平台，设计硬件和软件对直流电动机进行控制。本课题采用交直交变频方式，单相电经过整流桥整流后在经过电容滤波得到直流电压送到逆变器得到方波电流，逆变器采用IR公司生产的IRAMS10UP60U智能模块电路。控制电路采用MICROCHIP微芯
23、公司的dsPIC30F4011控制芯片，由它来完成电流电压的采集和处理，以及故障的检测和显示，实时计算输出PWM波等操作，控制方法采用技术比较成熟的PWM控制开关管的通断，此方法运算简单，应用广泛。dsPIC30F4011是微芯公司生产的16位机型，它把单片机的控制能力和DSP的数字运算能力有效的结合起来，具有一个16位的CPU和一个DSP内核，是性价比较高的一种选择。它具有40引脚，48K程序存储器，1024字节SRAM，1024EEPROM，5个16位定时器，4个输入通道捕获口，4个输出比较/标准PWM通道，6个电机控制PWM通道，9个10位500kspsSA/D转换器通道。一个同步串行S
24、PI功能模块，一个I2C串行通讯模块和一个CAN串行通讯模块，每路PWM输出引脚驱动电流为25mA，为防止同一桥臂2个功率管发生直通造成短路，该发生器还通过编程设置死区互锁时间，是个电机控制的专用芯片。而IRAMS10UP60U内部含有一个由6个IGBT组成的三相逆变电路，并还集成了相应的驱动电路和过流、短路、欠压、过热等保护。体积小、更可靠、更具有智能化。硬件电路如下图所示：无刷直流电机控制系统框图四 预期安排和预期进展 自从接手本课题后，已做了初步工作，查阅了相关资料，现在正在进行软件的学习和编写。在现有工作基础上，准备再用一年半的时间完成整个设计工作。即从20012年1月初至2013年6
25、月低，共分为四个阶段： 第一阶段：2012年1月至3月之间完成硬件电路的设计，并学会用汇编和C语言实现软件的编写。 第二阶段：2012年4月至11月是研究的主要阶段：用SPWM、 SVPWM两种方法实现电机的变频调速，比较其性能优劣，然后在此基础上尝试把开环改为闭环，提高电机的运行性能。 第三阶段：2011年12月至2013年2月此期间是实验及性能完善阶段。参考目前的研究热点和新型技术，改善单相电机的各项性能指标。 第四阶段：2013年3月至5月是结题阶段。整理好有关的材料，撰写硕士论文。外投的论文应在2012年6月底前正式发表或确定发表。五 参考文献1 夏长亮.无刷直流电机控制系统.科学出版
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