高速空心杯電動機控制技術研究

空心杯電機概述

1.2.1 空心杯無刷電機結構

空心杯無刷電機具有體積小、質量輕的特點，其電機結構如圖 1.2 所示。空心杯電機的主要組成部分包括空心杯繞組、轉子組件、傳感器組件、法蘭、軸承、磁軛等，永磁體作為轉子，繞組作為定子，三相定子繞組采用繞線杯結構，電樞繞組以自支撐的形式分布在氣隙中，繞線杯式繞組是實現消除齒槽轉矩的關鍵部件，定子組件是由三相對稱分布的繞組、磁軛、引出線焊接板等組成，轉子組件主要是由軸承、永磁體和轉子護套組成。

空心杯電機的繞組結構主要有直繞組、斜繞組、菱形繞組和六角繞組，定子內組件一般由定子內支架和永磁體組成。定子內支架通常采用不導磁的鋁合金材料，以減小質量。內定子有三種主要結構形式。第一種是環形磁鋼，直接粘接在不導電的定子內支架上； 第二種是由環形磁鋼制成， 將其粘接在磁軛上， 然后裝入非導磁支架中。

第三種是由瓦式磁鋼和磁軛組成，粘接在不導磁的定子內支架上，三種磁鋼有徑向磁化和平行磁化兩種。因此，內定子有六種基本拓撲結構，即平行充磁瓦形磁鋼、徑向充磁瓦形磁鋼、平行充磁有導磁軛環形磁鋼、徑向充磁有導磁軛環形磁鋼、平行充磁無導磁軛環形磁鋼、徑向充磁無導磁軛環形磁鋼。

1.2.2 空心杯電機優點

空心杯電機與其他電機的主要區別是使用了繞線杯式電機繞組，這種新型結構，由于沒有沖齒槽結構，減小了電機運行時的磁阻力矩和齒槽引起的轉矩脈動，降低了電機運行過程中的能量損失，使電機性能得到了極大的提高，具有節能、效率高、靈敏度高、運行穩定等特點。

空心杯電機的特點有以下幾點[11-12]：

(1) 空心杯電機不需要將讓將繞組纏繞在鐵芯上，電樞繞組有足夠的空間分布在定子內腔表面， 可以提高電樞繞組的匝數， 因此電機可以承受更高的電壓等級。 此外，電樞繞組的結構也提高了銅線截面積，可以提高電機的電流等級，實現了比傳統的開槽電機更大的功率體積比。

(2) 空心杯電機比傳統電機具有更好的散熱性能和更高的過載能力。空心杯電機的定子不開槽，電樞繞組被粘貼在定子的內腔表面，使氣隙和磁阻比傳統電機大，從而保證了永磁體在電流過載倍數很大的情況下也不容易退磁。因此，空心杯電機具有優良的過載性能和穩定性。同時空心杯電機具有更好的散熱性能，可以更有效的排出電機內部產生的熱量，從而保證電機長時間運行不會出現過熱現象。

(3) 相較于傳統有槽電機噪聲更低，運行更平穩。空心杯無刷電機定子無齒槽，沒有齒槽轉矩，消除了齒槽產生的電磁噪聲。

(4) 控制性能優良。空心杯電機由于電感很低，電氣時間常數小，響應速度極快，空心杯電機的機械時間常數值可達 10ms 以內，另外無齒槽設計使得空心杯電機轉矩與轉速波動小，運動平滑，伺服特性優良。空心杯電機的諸多優點，使其在諸多行業得到了廣泛的應用，能夠滿足現代工業對高速、高效、低噪音、高性能的需求。此外，空心杯電機的環保特性也得到了廣泛認可， 其產生的經濟效益具有不可估量的潛在價值。 因此， 空心杯電機的研究和應用，具有重大的理論意義和重要的工程應用價值。

第二章 高速空心杯電機無位置控制系統研究

2.1 引言

本章對高速空心杯電機無位置控制系統進行了研究，主要工作為：建立了高速空心杯電機數學模型，闡述了空心杯電機六拍控制原理，分析了電機換相誤差的來源，對反電勢算法原理進行了介紹，介紹了三段式的空心杯電機無位置控制方法，并對高速空心杯電機無位置控制系統進行了仿真分析。

2.2 空心杯電機數學模型

本文采用的主電路如圖 2.1 所示，該電路是由一個直流電源和一個三相逆變橋組成，電機三相繞組為星形連接，反電動勢為正弦波，轉子形成的氣隙磁場為正弦波分布。

空心杯電機是多變量、強耦合、非線性的系統，為了能夠構建高速空心杯電機的數學模型并且簡化分析，做出以下假設：

(1) 電機磁路不飽和；

(2) 三個繞組的電阻、電感和互感相同，電機電流為對稱三相電流；

(3) 忽略逆變橋的二極管壓降；

(4) 電機轉子上沒有阻尼繞組；

(5) 永磁體材料的電導率為零，其內部的磁導率和空氣一致；

2.2.1 電壓平衡方程

基于假設條件，三相繞組的電壓平衡方程可表示為：

2.2.2 轉矩方程和運動方程

根據高速空心杯電機的運行規律得到空心杯電機的電磁功率：

2.2.3 電樞電流和轉速方程

高速空心杯電機在同一時間內有兩個功率開關管導通，可以得到：

2.3 空心杯電機六拍控制原理

本文中所提到的空心杯電機采用了三相星型連接的繞組方式， 定子上分別繞有空間上互差 120°電角度的三相繞組。在電機控制過程中，控制電路會根據采集的轉子位置信息生成控制信號，控制信號經過功率驅動電路的隔離和放大后驅動功率開關管，從而使電機轉子旋轉，電機六拍控制原理圖如圖 2.2 所示。

在圖示的電機運行原理圖中，定義 A、 B、 C 三相的相電流流出紙面時為負向。當電機轉子按順時針方向旋轉到圖 2.2(a)所示的角度時，控制電路會根據采集的轉子位置信息經過邏輯變換后驅動功率電路的 T1、 T6 開關管導通，此時 A、 B 兩相繞組被通以大小相等，方向相反的電流， A、 B 兩相中的電流會產生磁場，并在轉子磁場的作用下產生電樞合成磁勢 FA+B-，該磁勢與轉子磁勢 Ff 之間的夾角大于 60°小于 120°，此時電機開始順時針轉動。在一個 360°電角度里，轉子位置傳感器會將其分為六個扇區，使得轉子磁勢 Ff 與對應扇區里電樞合成磁勢的電角度夾角在 60°-120°之間，并且當兩者夾角達到 60°電角度時，表示轉子即將進入下一扇區。此時，轉子位置傳感器信號改變，控制電路控制電機進行換相，即關斷 T6 導通 T2， B 相電流換相至 C 相，使得 Ff 與相應電樞合成磁勢之間的電角度夾角重新成 120°，從而電機可以繼續輸出順時針的轉矩，如圖 2.2(b)所示。電機轉子位置每經過一個 60°電角度的導通扇區，換相信號就會發生一次狀態變換，并且會控制相應的功率開關管進行工作，開關管的邏輯變換順序為 T6-T2、 T1-T3、 T2-T4、 T3-T5、 T4-T6、 T5-T1。在整個過程中，電機轉子會一直受到順時針方向的力矩，并不斷地按照順時針方向旋轉。

2.4 相反電動勢過零點檢測

端電壓法是一種檢測相反電勢過零點的方法，在電機六拍控制方法中，任意導通區間僅有兩相導通，空閑相中沒有電流，則該區間內的相電壓即為其反電勢，檢測到反電動勢過零點后，再延遲 30°電角度，即可得到轉子換相位置。相反電勢過零點是通過檢測繞組端部到電機中性點之間的電壓來進行判斷， 然而空心杯電機定子繞組采用的是星型連接方式，中性點并不會直接引出，因此需要對電機中性點進行重構，電機中性點重構一般有兩種方法， 一是構建一個由三個星型連接的高阻值電阻組成的電阻網路，通過電阻網絡分壓獲得中性點，如圖 2.3(a)所示，二是引入母線中點電壓，如圖 2.3(b)所示。

通過式(2.14)、 (2.16)可知，在 ea 的過零點處，有 eb=-ec，則 uad=uae=0，可以得到uad、 uae 的電壓過零點即為反電勢的過零點，然后通過反電勢過零點信號即可獲得轉子信息。

2.5 轉子啟動方法

電機的反電動勢幅值與電機轉速成正比， 當電機處于未啟動或者轉速很低的狀態時，電機無法使用反電勢過零點法，因此需要通過其他方法對電機進行啟動并達到預定轉速。三段式法是一種常用的方法，本文通過三段式方法對電機進行無位置控制，分為轉子位置預定、開環加速、切入閉環控制三步。

2.5.1 轉子位置預定

在電機無位置控制中電機轉子的初始位置是無法獲取的， 需要通過預定位的方式將轉子固定在一個已知的確定位置上，以便對進行電機進行開環加速操作，轉子預定位通常采用兩相導通的方法， 通過兩相繞組產生的電磁轉矩將電機轉子固定某一確定位置上來，如圖 2.4(a)所示，將功率電路中的 T1、 T6 進行開通，即 A、 B 兩相開通，此時電機繞組會在 C 軸上生成電樞合成磁勢 FA+B-，轉子磁勢 Ff 受到電樞合成磁勢的影響會帶動轉子旋轉，直至電樞合成磁勢與轉子磁勢之間的電角度夾角為零，此時完成電機預定位，如圖 2.4(b)所示。

2.5.2 轉子升速過程

在轉子預定位后已經可以確定電機轉子的初始位置， 此時可以開始對電機進行開環加速，根據電機的預定位置，按照空心杯電機的換相邏輯依次導通相應的功率開關管，并且逐步提升換相頻率和每一 60°導通周期的開關信號占空比，此時電機定子上會產生一個頻率和強度逐漸升高的旋轉磁場，電機轉子也會隨著旋轉磁場持續轉動，直至電機轉速加速到設定值。

開環加速中開關信號的占空比和換相頻率可用下式表示：

在電機開環加速階段，電機換相后并不能確定電機轉子是否旋轉到預定位置，若轉子位置與預定位置相差太大，下次換相將無法進行，甚至造成電機失步。所以對開關信號占空比與換相頻率的設定需要根據實際情況進行多次的實驗驗證分析， 以防止發生電機開環加速失敗現象。

2.5.3 狀態切換

電機在開環加速階段，轉子速度會不斷增加，反電勢的大小也會增加，當反電勢過零點檢測電路可以正常檢測到反電勢信號時， 即可將電機從開環加速階段切換至閉環控制階段，可以通過設置一個特定的轉速來進行電機運行狀態的切換，該轉速可通過實際情況和實驗獲得。另外，在切換狀態時，電機轉子可能會產生抖動現象。雖在一般情況下，可以忽略不計，但是如果系統性能要求非常高，就需要對抖動現象進行抑制。可以通過多次的實驗驗證來修改換相時間或修正換相程序，控制狀態切換時的抖動合理范圍內，實現無差切換。

2.6 換相誤差分析

理想的換相時刻是相反電動勢過零點后延后 30°電角度的位置，電機在理想的換相時刻換相時，才能實現最大的電磁轉矩、最小的相電流和最小的換相轉矩脈動。由于非理想因素，在空心杯電機的應用中通常不能完全限制換相誤差，非理想因素主要包括硬件電路延遲和軟件計算延遲、采樣延遲和濾波電路的影響。

2.6.1 濾波導致的換相誤差

在基于相反電動勢過零點的空心杯電機無位置控制系統中，由于采用的是 PWM斬波控制進行的電機調速，因此直接采集的反電動勢信號中會含有高頻噪聲，需要采用低通濾波電路進行濾波，而低通濾波電路的使用會使反電動勢信號產生相移，并會給電機控制系統帶來換相誤差。在本文所設計的空心杯電機控制系統中，相反電動勢過零檢測電路如圖 2.5 所示。

2.7 高速空心杯電機無位置控制系統仿真

高速空心杯無電機無位置雙閉環調速系統的控制框圖如圖 2.7 所示。該控制系統中主要包括反電勢過零檢測模塊、速度計算模塊、雙閉環控制模塊、邏輯換相模塊、PWM 生成模塊等。空心杯電機雙閉環控制的過程如下：通過反電勢過零檢測模塊檢測反電勢過零點信號，并將此信號延遲 30°生成換相信號，速度計算模塊會根據生成的換相信號來計算電機速度，電機的實際速度與設定速度經過作差后經過速度 PI 控制器得到參考電流，參考電流與實際電流作差后，經過電流 PI 計算后輸出給 PWM生成模塊， PWM 生成模塊會根據雙閉環輸出值來調節 PWM 斬波轉空比，用以調節電機轉速。同時， PWM 生成模塊會根據換相信號來確定空心杯電機的換相邏輯，實現電機換相。

2.7.1 空心杯電機仿真控制系統

根據空心杯電機三段式無位置控制原理以及對空心杯電機換相誤差的分析， 構建了空心杯電機無位置控制系統的仿真框圖，如圖 2.8 所示。空心杯電機無位置控制系統的仿真模型中主要包含了空心杯電機主體、 PWM 生成模塊、功率電路模塊、測量模塊、雙閉環 PI 模塊、反電勢采集模塊和換相校正模塊等。其中 PWM 生成模塊中包含扇區判斷和電機開環啟動部分， 反電勢算法模塊采用低通濾波器對反電勢進行提取，換相校正模塊通過 2.6 節推導對空心杯電機控制系統運行過程中的換相誤差進行計算并補償，需要注意的是仿真中不存在電路和軟件延遲，因此僅對采樣延遲和低通濾波器引起的延遲進行補償。在空心杯電機控制系統的仿真中，首先通過開環加速過程將電機從靜止強制加速， 當電機轉速達到可以檢測到相反電勢時， 切入到閉環控制，此時可通過反電勢檢測模塊檢測電機三相電壓并提取出反電勢過零點信號， 然后將反電勢過零點信號滯后 30°電角度并經過換相校正模塊進行補償后，即可得到準確的換相信號。

2.7.2 PWM 生成模塊

搭建的 PWM 生成模塊如圖 2.9 所示。

PWM 生成模塊中包含了開環啟動階段 PWM 生成部分和閉環控制階段的 PWM生成部分，開環啟動階段的 PWM 生成部分是根據 2.5 節中對高速空心杯電機啟動算法的分析，基于 MATLAB Function 函數編寫的，閉環控制階段的 PWM 生成部分是根據 2.3 節中對空心杯電機六拍控制原理的分析，基于 MATLAB Function 函數編寫的。經過多次測試將開環啟動時間設置為為 8.13ms， 8.13ms 后切入閉環控制。固定頻率的 PWM 方波由 Simulink 模塊庫中的 PWM Generator 模塊生成，在閉環控制階段 PWM 生成模塊的占空比由速度電流雙閉環輸出值控制。

2.7.3 反電勢過零檢測模塊

根據 2.4 節介紹的相反電勢過零點檢測方法構建的反電勢過零檢測模塊如圖 2.10所示， 首先將電機的三相端電壓信號經過低通濾波電路濾波并提取出三相的反電勢信號，然后將三相反電勢信號與中性點電壓進行比較，即可輸出反電勢過零點信號。

2.7.4 換相誤差補償模塊

電機反電勢無法直接測量得到， 通過測量相電壓與中性點電壓經過濾波后會得到電機反電勢，但是經過低通濾波處理后會造成相位滯后，且換相信號采集也會造成相位滯后，仿真中不存在軟件計算和硬件延時，因此此項誤差忽略。根據 4.2 小節的誤差分析構造誤差補償模塊。滯后的換相信號經過補償后即可得到正確的換相信號，換相誤差補償模塊如圖 2.11 所示。

2.7.5 仿真結果分析

對建立的空心杯電機無位置控制系統仿真模型進行了仿真分析。 仿真條件和電機參數如下所示，仿真條件：直流電壓 24V， PWM 斬波頻率為 50KHz，仿真步長Ts=1e-7s，仿真時間 0.08s。電機參數為見表 2.1。

為驗證系統的動態、穩態性能，系統帶載啟動，初始負載轉矩為 0.01Nm，初始給定轉速為 12000r/min，在 0.05s 轉速突變為 10000r/min。基于三段式的電機轉速仿真波形如圖 2.12 所示。

在圖 2.12 中可以看出，電機在開環加速階段正常啟動，在開環加速時間 8.13ms內到加速到 5000r/min 后切入閉環并快速達到設定轉速 12000r/min，在 50ms 處將額定轉速設置為 10000r/min，電機可在 12ms 到達穩態。

通過對換相誤差補償前后的相電流波形進行仿真分析， 來驗證換相補償對電機無位置控制系統的重要性，換相補償前后的相電流波形如圖 2.13 所示。

由圖 2.13 可得，在換相誤差補償后電機相電流峰值會變小，同樣電機轉矩脈動也會變小， 因此換相誤差的補償對提升高速空心杯電機無位置控制系統的性能具有重要意義。

第三章 高速空心杯電機控制系統的平臺搭建

3.1 引言

本章為高速空心杯無刷直流電機實驗平臺搭建部分。 首先介紹了實驗平臺的系統結構框圖，介紹了構建實驗平臺的主要硬件電路，設計了軟件系統并給出了控制算法執行流程。

3.2 控制系統整體設計方案

基于高速空心杯電機設計了驅動控制系統，對應的系統整體框圖如圖 3.1 所示。

本文設計的實驗平臺采用的主控芯片為英飛凌公司的 Infineon TC264，其主頻可達 200MHz， 該芯片有兩個內核， 運算性能強大， 并支持 DAP（ Debug Adapter Protocol）在線仿真調試功能， 其性能可完全滿足本文所提的換相角度細分和自適應換相校正算法所需的運行要求。如圖 3.1 所示，利用電流檢測電路對空心杯電機的電流信息進行實時采集，電流檢測電路將采集的電流信息轉變為電壓信號并輸送給主控芯片的VADC 模塊， VADC 模塊將獲取的電壓信號進行模數轉換并獲取電流值，利用反電動勢檢測電路獲取電機反電勢過零點位置，并通過換相校正算法獲取正確的換相信息，主控芯片通過獲取的電流、 轉速和換相位置等信息通過 PI 控制器來得到所需的 PWM占空比，主控芯片的 CCU6 模塊會利用獲得的 PWM 占空比為逆變橋電路產生六路PWM 控制信號，最終實現閉環控制。另外 DAP 端口是用于對主控芯片進行程序下載和調試的， ASCLIN 模塊是用于回傳電機控制系統的實時數據和對主控芯片發送電機運行指令的。

基于上述的控制系統結構框圖，搭建了高速空心杯電機硬件實驗平臺，硬件平臺圖如圖 3.2 所示，實驗中所用的空心杯電機參數如表 3.1 所示。

3.3 控制系統硬件電路設計

3.3.1 電源電路

空心杯電機控制系統電源電路如圖 3.3 所示，電源芯片采用英飛凌推出的TLE7368-3E， 比起一般的電源芯片,其性能強大，增加了不少功能， 其電壓輸入范圍為 4.5V-45V，工作溫度范圍為-40℃ ~150℃。在高溫和低溫環境下都能很好地工作，內置 BUCK 降壓轉換器以及線性調節器，還具有很多其他功能，包括硬件電壓看門狗功能(監測電壓和窗口看門狗)、過熱保護、過流保護和低功耗模式。其可以完全滿足對 Infineon TC264 的供電需求。

3.3.2 電流采樣電路

空心杯電機控制系統電流采樣電路如圖 3.4 所示，采用高性能霍爾效應電流傳感器 CC6920SO-10A，無論直流還是交流電流均能通過該傳感器進行測量，在電源電壓5V 的情況下，輸出可以在 0.2V-4.8V 之間隨磁場呈線性變化，線性度可達 0.1%。CC6920 內置差分共模抑制電路，此電路可以避免外部干擾信號對芯片輸出的影響。電流傳感器輸出信號采用單電源運算放大器 TLV2371 處理， TLV2371 可由低至僅550μA 的電流提供 3MHz 帶寬，可以非常穩定的處理從霍爾效應電流傳感器CC6920SO-10A 輸出的電機母線電流和相電流的電流信息。

3.3.3 系統驅動電路

空心杯電機控制系統驅動電路的驅動芯片采用英飛凌公司推出的 6ED003L06-F2三相柵極驅動器，整體電路圖如圖 3.5 所示。

6ED003L06-F2 內置了六個驅動器的單獨控制電路， 各相位之間信號聯鎖，防止交叉傳導， 有電源過流和過壓檢測功能。 經過系統驅動電路處理后可將 Infineon TC264輸出的 PWM 信號提升至 15V，用于開通和關斷本次實驗平臺使用的功率器件。另外6ED003L06-F2 會使邏輯反相，在編程時需要注意。

3.3.4 系統功率電路

空心杯電機控制系統功率電路如圖 3.6 所示，功率器件采用英飛凌推出的IRF2807。

3.4 軟件設計與編寫

基于 Infineon TC264 對高速空心杯無刷電機控制系統的程序進行了編寫， 主程序流程框圖如圖 3.7 所示， 系統程序流程總框圖中還包括了 TC264 內部模塊初始化流程、PWM 中斷流程和 STM 定時器中斷流程，初始化流程圖如圖 3.8 所示， PWM 中斷流程圖如圖 3.9 所示，程序流程的具體敘述如下：

(1) 主程序開始運行， 首先失能全局中斷， 對 TC264 的內部模塊進行初始化操作。

(2) TC264 內部模塊的初始化，包括對系統時鐘、 IO 端口、 PWM 生成模塊、系統通信模塊和信息采集模塊的初始化， 其中 CCU6 模塊的內部定時器是用來生成計數時鐘的，目的是在 PWM 調制過程中生成三角波載波，通過 PI 的輸出值與三角載波值對比即可生成所需占空比； ASCLIN 模塊用來以 UART 通信協議方式與電腦上位機通訊，以便 TC264 實時回傳電機控制系統的運行數據接收上位機發送的指令； DMA模塊用于輔助 SPI 和 UART 通信，以減少主控芯片參與通信的時間； VADC 模塊用于采集電流信號。

(3) 系統自檢，主要為了檢測系統初始電壓和電流是否正常，若不正常，程序停止運行。

(4) 系統相關參數初始化，主要包括：本文控制算法參數初始化，設置控制算法參數參數初始值； 電機指令初始化， 包括電機的給定速度指令和電機運行與停止指令；系統故障信號初始化，對過流故障、過壓故障等的系統故障所標記的變量進行復位；上位機回傳數據初始化，其中回傳的數據包括電機相電流、母線電流、母線電壓和電機運行與停止的狀態等數據。

(5) 使能全局中斷，然后進入主函數循環運行時間片輪詢程序，為 CCU6 模塊產生的 PWM 中斷與 STM 模塊產生的定時器中斷的運行做準備，在運行主函數期間，對系統中斷的發生條件進行實時監測， 若某中斷條件發生， 則自動進入中斷程序執行，執行后再次跳轉回時間片輪詢程序。

(6) 運行 PWM 周期中斷，電機啟動，首先導通電機的兩相繞組完成轉子預定位，然后電機控制器根據轉子位置換相邏輯來導通定子繞組進行開環加速。 當電機轉速達到可以檢測到電機反電勢過零點信號時，電機將轉換為同步運行狀態，然后， TC264采集的轉速、換相信號和電流值通過雙閉環 PI 控制器輸出對應占空比的 PWM 六路信號，并使電機快速加速到目標轉速并保持穩態運行，另外換相信號是通過反電動勢采集模塊，并經過換相校正后生成的。

(7) 運行 STM 定時器中斷， STM 定時器中斷與 PWM 周期中斷是同時運行的，STM 定時器中斷的具體運行流程在 4.4 節中。