西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论
第一章绪论
1.1研究背景
电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置?电机行业是一 个传统的行业，经过200多年的发展，它己经成为现代生产、生活中不可或缺的 核心、基础，是国民经济中重要的一环。而随着生产现代化程度的不断提高和人 们对家用电器、汽车等消费的不断增加，市场对电机的需求也越来越大#
电动机主要分为同步电动机、异步电动机与直流电动机三种，其容量小至几 瓦，大至上万瓦#不同的电机有不同的应用场合，随着电机制造技术的不断发展 和对电机工作原理研究的不断深入，目前还出现了许多新型的电机。例如，美国 EAD公司研制的无槽无刷直流电动机，日本SERVO公司研制的小功率混合式步 进电机，我国自行研制适用于工业机床和电动自行车的大力矩低转速电机等[11。
近年来，转子采用永磁结构、主电路采用功率器件的无刷直流电机得到了很 大的发展。大功率无刷直流电机（一般釆用晶闸管作为功率器件，习惯上称为无 换向器电机）在低速、环境恶劣和有一定调速性能要求的场合有着广泛的应用前 景，如钢厂的轧机。小功率无刷直流电机主要应用于工厂自动化和办公自动化方 面，如计算机外设复印机和家用电器中，它正在迅速取代传统的直流电机和异步 电机；90年代以来，在高精度的数控设备中相当多的采用了永磁同步无刷电机 (交流伺服电机）以取代宽调速的直流伺服电机，特别是在机器人和机械手的驱 动中，无刷直流电机的应用相当多。近年来，采用交流无刷电机代替异步电机作 为机床的主轴直接驱动也已成为新的研究和应用热点。
针对无刷直流电机重要的现实意义和广泛的应用前录，本课题依托于西北工 业大学研究生创业种子基金项目——“基于TMS320F2812的髙性能电机控制开 发平台”对基于
DSP的无刷直流电机控制系统进行了研究。
1.2无刷直流电动机的发展现状及发展趋势
无刷直流电机（BLDCM)是在有刷直流电动机的基础上发展来的，但它的 驱动电流是不折不扣的交流。一般地，无刷电机的驱动电流有两种，一种是梯形 波（一般是“方波”)，另一种是正弦波》有时候把前一种叫直流无刷电机，后一 种叫交流伺服电机[11。
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无刷直流电动机没有换向器和电刷组成的机械接触结构，转子采用永磁体励 磁，没有励磁损耗；发热的电枢绕组通常装在外面的定子上，热阻小，散热容易, 所以在保持了普通直流电机良好的动、静态调速特性的同时，还具有无换向火花 及无线电干扰，结构简单，运行可靠，易于控制等特点。所以这种电动机在控制 系统中有很大的应用潜力。
1.2.1无刷直流电动机控制技术的发展现状
无刷直流电动机的控制有别于有刷直流电动机或交流感应电机，它需要一些 位置传感信息来选择正确的换流顺序。传统的无刷直流电动机通过位置传感器信 息来选择正确的换流顺序8但是位置传感器的存在，增加了无刷直流电动机的重 量和结构尺寸，不利于电机小型化；同时，传感器的安装精度和灵敏度直接影响 电机的运行性能。另一方面，由于传输线太多，容易引入干扰信号：由于是硬件 采集信号，更降低了系统的可靠性。针对位置传感器所带来的种种不利影响，为 适应无刷直流电动机的进一步发展，无位置传感器控制技术应运而生。
近年来，无刷直流电动机的无位置传感器控制一直是国内外较为热门的研究 课题。无位置传感器无刷直流电机的控制是指不依赖位置传感器，通过另外的方 式得到转子的位置信号、确定逆变器功率管的切换，进而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的一种控制方式。在无位置传感器的 控制方式中，研究的核心问题主要是如何通过软件和硬件的方法，构建转子状态 量的检测电路。由于可以直接测量到的一般只有相电压和相电流两个量，因此， 国内外目前所提出的控制方法绝大部分是基于以上两个观测量的。
有多种算法可以实现无位置传感器控制。反电势法和状态观测器法都能比较 方便、直观的得到转速信号和位置信息，这两种方法也是目前使用最为广泛的控 制方法。尤其是反电势过零点检测法，其原理简单，易于实现，在无位置传感器 直流无刷电机控制系统中得到了普遍的应用。此外，国内外还提出了许多新的方 法与技术，如涡流法，电流法以及矢量法等控制方法。但这些方法实现起来难度 较大，应用条件比较苛刻，只适用于特定的应用场合，因此应用不是很广泛*
智能控制包括矢量控制、模糊算法、人工神经元网络和专家系统等，是目前 学术界研究的热点。由于智能控制无需对象的精确数学模型并具有较强的鲁棒 性，因而许多学者将智能控制方法引入了电机控制系统的研究。其中，经典pro 控制与模糊算法结合所组成的
Fuzzy—PID控制、人工神经元网络和模糊控制相 结合的复合控制以及人工神经元网络与
数字滤波相结合的自适应控制等控制方 法代表着当前智能控制的研究方向。
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无刷直流电动机控制器的使用经历了分立元件的模拟电路，专用集成电路和 以微型计算机为核心的数模混合控制与全数字化控制几个阶段。
DSP器件的出现，使得电机控制系统的处理能力有了很大的提高。DSP具 有强大的运
算能力，和普通的MCU相比，运算及处理能力增强了 10?50倍， 因此在其控制策略中可以使用先进的实时算法，如Kalman滤波、自适应控制、 模糊控制和神经元控制等，从而可以进一步提高系统的控制精度和实时性。近年 来，国外一些大公司纷纷推出比MCU性能更加优越的DSP (数字信号处理器), 如ADI公司的ADMC3xx系列，TI公司的C2000系列及Motorola公司的 DSP56F8XX系列。它们都是将DSP内核配以电机控制所需的外围功能电路集成 在单一芯片内，使设计的硬件成本大大降低且体积缩小。从而使DSP器件及技 术更容易使用，价格也能为广大用户接受。
目前，采用DSP实现无位置传感器控制成为电机控制研究的热点，低成本 DSP无位置传感器无刷电动机，成为无刷直流电动机的发展方向[13]。而本课题 正是对这一领域问题进行的探讨。
1.2.2无刷直流电动机的发展趋势
无刷直流电动机是一种机电一体化产品。目前，其技术仍然处在不断发展、 改进的过程中。
(1) 性能改进
对于无刷直流电动机，应该进一步改进的问题中首先是转矩脉动。目前，各 髙校以及研究机构对转矩脉动问题展开了深入的研究提出了各种抑制或消弱转 矩脉动的方法，从不同
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程度上提高了无刷直流电动机的性能。但是，这些研究均 是在原有结构上提出了一些消弱或补偿的方法，没有从原理上或者根本上消除转 矩脉动。因此，转矩的脉动还有待于进一步的研究[13]。
(2) 新材料、新技术的应用
电动机性能的改进离不开高性能材料的应用，首先应该提及的是永磁材料性 能的提高。研制和采用磁性能更好、温度特性更佳、防锈防腐特性更强、价格更 便宜的稀土材料是一个关键。在导电材料上，国外已经普遍采用了无氧铜线，它 的电阻率更小，但目前国内应用尚少，应该加速推广应用。
(3) 高效、节能电动机
研究、开发高效、节能电动机一直是个重要课题。尤其是无刷直流电动机的 应用越来越普及，在数瓦至数千瓦这个功率段里用得最多。日本近些年来推出的 分割铁芯结构的无刷直流电动机达到了卓越的效果。如松下公司推出的
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MINAS-HYDER的两个系列的电机：超小型高效、节能系列和通用高效通用系 列，容量
就是数瓦至数千瓦。以750W的电机为例，和标准的三相电机相比，在 同样的输出功率情况下，超小型系列的体积只有13%大小，重量只有25%:通 用系列的体积只有标准三相电机的60%,重量只有50%。
(4) 智能无刷直流电动机（SmartBLDC Motor)的研制
所谓智能电动机就是将电动机、编码器（传感器)、功率放大器、电源、可 编程控制器、网络管理器等功能块组合在一起，形成一个整体。组成一体后，能 减少70%的电子元器件，所有变换都在一个机体内实现，这样就可以大大减少故 障，提高系统的可靠性。同时由于元器件及联线减少，使得信号的传输、交流和 处理变得方便、快捷，因而性能得到保证、提高。还有，智能电机系统中，要求 尽量数字化，许多硬件工作都由软件完成r如P、I、D电路，这样进一步减少了 硬件电路、提髙了可靠性和效率。
无刷直流电动机虽然已经发展到相当成熟的阶段，但是相对于其它类型电动 机，还是一种新型电动机，有着更优越的性能。因此，不论它的开发、研究还是 推广、普及都有很多工作要做。
1.3课题研究的主要内容及章节安排
本课题是针对DSP在无刷直流电动机控制系统的应用趋势，在参与基于
TMS320F2812的高性能电机开发平台项目的情况下，重点对基于该平台的的无 位置传感
器无刷直流电机的控制系统进行设计。整个系统采用反电势法设计基于 TMS320F2812的无位置传感器无刷直流电机控制系统，实现对无刷直流电机的 起动、停止控制和速度检测。本人主要完成了系统方案设计、硬件协助，软件设 计与实现以及系统仿真等工作。
论文首先在对无位置传感器无刷直流电机控制算法研究的前提下，搭建出无 刷直流电机控制系统的仿真平台，以便在该平台上进行电机系统的调试仿真，来 验证算法的可行性以及参数的整定：接下来，文章重点讨论了实际无位置无刷直 流电机系统控制方案的设计与实现，并给出硬件介绍和软件详细说明，最终完成 系统的调试运行。
论文的具体章节安排如下：
第一章绪论，介绍论文的研究背景和意义以及本论文的主要研究内容。
第二章无刷直流电机控制原理及关键技术研究，主要介绍无刷直流电动机 原理和组成结构，
并对该类型电机的无位置传感器控制的基本原理和方法进行
分析，研究。
第三章基于MATLAB/Simulink的控制系统仿真，本章根据无刷直流电机的 数学模型，应用MATLAB7.0中的Simulink工具，搭建电机控制系统仿真平台。
第四章基于DSP的控制系统方案设计，该部分是论文的核心部分，设计基 于
TMS320F2812的无位置传感器无刷直流电机控制方案，并针对控制系统中的 关键技术进
行研究。
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