双余度无刷直流电机控制系统1
无刷直流电机控制系统设计与实现
无刷直流电机控制系统设计与实现一、本文概述随着科技的不断进步和电机技术的快速发展，无刷直流电机（Brushless Direct Current, BLDC）因其高效率、低噪音、长寿命等优点，在电动工具、航空航天、汽车电子、家用电器等多个领域得到了广泛应用。
然而，要实现无刷直流电机的高效、稳定运行，离不开先进且可靠的控制系统。
本文旨在对无刷直流电机控制系统的设计与实现进行深入探讨，分析控制策略、硬件构成和软件编程，并结合实例，详细阐述控制系统在实际应用中的表现与优化方向。
通过本文的研究，希望能够为相关领域的学者和工程师提供有价值的参考，推动无刷直流电机控制系统技术的进一步发展和应用。
二、无刷直流电机基本原理无刷直流电机（Brushless DC Motor, BLDCM）是一种采用电子换向器代替传统机械换向器的直流电机。
其基本工作原理与传统的直流电机相似，即利用磁场与电流之间的相互作用产生转矩，从而实现电机的旋转。
但与传统直流电机不同的是，无刷直流电机在结构上取消了碳刷和换向器，采用电子换向技术，通过电子控制器对电机内部的绕组进行通电控制，从而实现电机的旋转。
无刷直流电机通常由定子、转子、电子控制器和位置传感器等部分组成。
定子由铁芯和绕组组成，负责产生磁场；转子则是由永磁体或电磁铁构成，负责在磁场中受力旋转。
电子控制器是无刷直流电机的核心部分，它根据位置传感器提供的转子位置信息，控制电机绕组的通电顺序和通电时间，从而实现电机的连续旋转。
位置传感器则负责检测转子的位置，为电子控制器提供反馈信号。
在无刷直流电机的工作过程中，当电机绕组通电时，会在定子中产生一个旋转磁场。
由于转子上的永磁体或电磁铁与定子磁场之间存在相互作用力，转子会在定子磁场的作用下开始旋转。
当转子旋转到一定位置时，位置传感器会向电子控制器发送信号，电子控制器根据接收到的信号控制电机绕组的通电顺序和通电时间，使定子磁场的方向发生变化，从而驱动转子继续旋转。
无刷直流电机数字控制系统的研究与设计毕业设计
摘要本文主要研究了永磁无刷直流电机的基本拓扑结构、工作运行原理、数学模型和控制策略以及性能，以DSP(TMS320LF2407A)为核心，确立了一套的无刷直流电机的整体控制系统方案。
在Matlab/Simulink仿真下，建立了独立的功能模块，这些模块包括无刷直流电机的总体模块。
速度跟踪控制模块、电流滞环比较控制模块、转子位置跟踪计算模块等，再将各个功能模块进行有机的结合，搭建了基于MATLAB/Simulink无刷直流电机系统的仿真模型。
本文所提出和设计的无刷直流电机控制方案经理论分析，仿真证明是可行的。
同时，论文中提出的系统建模和仿真的新方法还为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。
关键词：无刷直流电动机；DSP；MATLAB；逆变器；PWMAbstractThis paper gives a deep research on basic structure, working principles, mathematical model and control performance of permanent magnet BLDC motor and build up a scheme of BLDC servo motor control system with the core of DSP (TMS320LF2407A). In Matlab/Simulink environment，the isolated functional blocks, including BLDC general block (including BLDCM block, torque computation block, rotation speed computation block, the back EMF block), current hysteresis control block, speed control block, rotor position computation block, voltage source inverter block etc, have been modeled. BLDC motor control system that this paper proposed is analyzed and simulated in Matlab/Simulink. The results prove the scheme is feasible, and the design requirements are achieved. The novel method of modeling and simulation given by this paper offered a new thought way for designing and debugging actual motors.Key words: brushless DC motor；DSP；MATLAB；Inverter；PWM目录第一章绪论 (5)1.1 课题研究的背景及现状 (5)1.2无刷直流电动机调速系统的发展 (6)1.2.1控制系统的发展及现状 (6)1.2.2控制算法的研究 (7)1.3 本文主要结构 (9)第二章无刷直流电机原理 (10)2.1 无刷直流电机控制系统结构 (10)2.2 无刷直流电机驱动选择 (11)2.3 无刷直流电机驱动特性 (13)2.4 无刷直流电机运行特性与原理 (17)第三章无刷直流电机的控制系统设计 (19)3.1 无刷直流电机控制策略 (19)3.1.1 无刷直流电机的开环控制策略 (19)3.1.2无刷直流电机的闭环环控制策略 (20)3.2 无刷直流电机调节器设计 (22)3.3 无刷直流电机数字控制系统 (24)3.3.1 TMS320LF2407X简介 (25)3.3 测速度算法 (29)第四章无刷直流电机的仿真 (31)4.1 MATLAB/Simulink简介及其功能 (31)4.2 BLDCM各模块的建立 (31)4.2.1 电流滞环控制模块 (31)4.2.2 速度控制模块 (32)4.2.3 转矩计算模块 (32)4.3 无刷直流电机仿真波形 (33)4.3.1 无刷直流电机仿真模型 (33)4.3.2 无刷直流电机仿真波形 (34)第五章总结与展望 (37)5.1 总结 (37)5.2 展望 (37)致谢 (38)参考文献 (39)第一章绪论1.1 课题研究的背景及现状从19世纪中叶到现在以来,电动机的使用就与人类社会发展和文明的进步紧密的结合在一起,电机作为一种机电能量转换的重要装置,其发展经历了很多时期，同时也有着广泛的应用范围，在各行各业和国民经济的发展中做出了很大的贡献。
直流无刷电机控制系统设计说明
直流无刷电机控制系统设计摘要继有刷直流电动机发展后，无刷直流电机也相继有了发展。
目前，尽管各种各样的直流电动机和交流电动机在工业传动应用中发挥了主导作用，但无刷直流电动机也正备受关注。
随着这社会的不断发展、人们的生活水平不断提高，同时办公自动化、现代化生产、发展等关键设备也都慢慢走向高智能化、小型化和高效率化，电机作为执行元件的重要部分，需要具有效率高、速度快和精度高等等特点，因此直流无刷电机的应用得到了逐步的推广。
本设计首先介绍了直流无刷电机国外发展现状，然后研究了直流无刷电机的基本运行原理，再次建立了以AT89C51单片机为核心的硬件电路和软件流程图，最后在MATLAB中搭建仿真模型，仿真结果验证了直流无刷电机控制系统的正确性。
关键词：直流无刷电机；单片机；MATLAB第一章绪论1.1 研究意义直流无刷电机是一种新型电机，由于它结合机电一体化，因此有高动态响应、高热容量、高效率和高可靠性等等诸多优势，而且长寿命、低噪声和低成本等方面也是其它的优势。
从现阶段来看，随着不断地有新材料技术的出现，直流无刷电机的发展也因此获得了良好的契机。
目前无刷电机的各方面的应用已经遍布各种各样的领域，办公自动化和工厂自动化等方面就比较的需要小功率直流无刷电机，例如家用电器或者是外设复印机等等。
所以说，无刷电机目前正在快速地取代传统电机的地位。
直流无刷电机集特种电机、变速结构、检测元件、控制软件与硬件于一体，形成新一代伺服系统，体现了当今应用科学的许多最新成果，是机电一体化的高新技术产品。
直流无刷电机集交流电机和直流电机优点于一体，它既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电机运行效率高、调速性能好的特点，同时无励磁损耗。
在电磁结构上和有刷直流电动机一样，不过无刷直流电动机的电枢绕组是处在定子上的，永久磁钢安装在转子上，采用多相形式的电枢绕组，在通过逆变器之后，然后连接到直流电源上面，定子方面利用了电子换向来替换传统电机的电刷和换向器，在各绕组依次通电后，跳跃式的旋转磁场会气隙中生成，同时与转子的主磁场相互作用，因此产生电磁转矩，和其它电机相比，直流无刷电机具有高可靠性和高效率等优势，由于现阶段，随着具体性能的提高与价格的下降等优势的新型稀土永磁材料不断出现，这给永磁直流无刷电机在成本方面带来了下降，因此其优势将会越发的凸显出来。
无刷直流电机控制系统的设计及仿真毕业设计
目录1 前言............................................................................................................... - 1 -1.1 无刷直流电机的发展......................................................................... - 1 -1.2 无刷直流电机的优越性..................................................................... - 1 -1.3 无刷直流电机的应用......................................................................... - 2 -1.4 无刷直流电机调速系统的研究现状和未来发展............................. - 2 -2 无刷直流电机的原理................................................................................... - 4 -2.1 三相无刷直流电动机的基本组成..................................................... - 4 -2.2 无刷直流电机的基本工作过程......................................................... - 5 -2.3 无刷直流电动机本体......................................................................... - 6 -2.3.1 电动机定子............................................................................... - 6 -2.3.2 电动机转子............................................................................... - 7 -2.3.3 有关电机本体设计的问题....................................................... - 8 -3 转子位置检测............................................................................................... - 9 -3.1 位置传感器检测法............................................................................. - 9 -3.2 无位置传感器检测法....................................................................... - 10 -4 系统方案设计............................................................................................. - 12 -4.1 系统设计要求................................................................................... - 12 -4.1.1 系统总体框架......................................................................... - 12 -4.2 主电路供电方案选择....................................................................... - 12 -4.3 无刷直流电机电子换相器............................................................... - 14 -4.3.1 三相半控电路......................................................................... - 14 -4.3.2 三相全控电路......................................................................... - 15 -4.4 无刷直流电机的基本方程............................................................... - 16 -4.5 逆变电路的选择............................................................................... - 18 -4.6 基于MC33035的无刷直流电动机调速系统................................... - 19 -4.6.1 MC33035无刷直流电动机控制芯片...................................... - 19 -4.6.2 基于MC33035的无刷直流电动机调速系统设计 ................ - 20 -5 无刷直流电机调速系统的MATLAB仿真................................................... - 23 -5.1 电源、逆变桥和无刷直流电机模型............................................... - 24 -5.2 换相逻辑控制模块........................................................................... - 25 -5.3 PWM调制技术.................................................................................... - 30 -5.3.1 等脉宽PWM法......................................................................... - 32 -5.3.2 SPWM(Sinusoidal PWM)法..................................................... - 32 -5.4 控制器和控制电平转换及PWM发生环节设计............................... - 32 -5.5 系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析................................... - 34 -5.5.1 起动，阶跃负载仿真............................................................. - 34 -5.5.2 可逆调速仿真......................................................................... - 36 -6 总结和体会................................................................................................. - 38 -无刷直流电机调速控制系统设计1前言直流无刷电机，无机械刷和换向器的直流电机，也被称为无换向器直流电动机。
无刷直流电动机控制系统课件
针对电机在实验中表现出的稳 定性不足的问题，可以增强系 统的稳定性以提高其运行可靠 性。例如，增加保护电路或改 进散热设计等。
06 无刷直流电动机控制系统 的发展趋势与展望
技术创新与进步
数字化控制
采用先进的数字信号处理器和控制器，实现无刷直流电动机的高 性能控制，提高系统精度和稳定性。
智能传感技术
航空航天
无刷直流电动机控制系统在航空航 天领域中也得到了广泛的应用，如 无人机、直升机、卫星等。
汽车电子
无刷直流电动机控制系统在汽车电 子领域中也有广泛的应用，如汽车 空调、电动车窗、电动座椅等。
02 无刷直流电动机控制系统 的工作原理
无刷直流电动机的工作原理
结构特点
无刷直流电动机主要由电机本体、位置传感器和电子换向器 组成。电机本体具有多个线圈，电子换向器通过晶体管控制 电流的流向，实现电机的旋转。
通信协议调试
对通信协议进行调试，确保通信的稳定性和可靠性。
调试与优化
系统调试
对整个无刷直流电动机控制系统进行调试，包括 硬件电路、软件程序和通信等。
性能测试
对控制系统的性能进行测试，包括响应时间、稳 态误差等指标。
优化建议
根据调试和性能测试的结果，提出优化建议，进 一步提高控制系统的性能。
05 无刷直流电动机控制系统 的性能测试与评估
应用磁编码器、光电编码器等传感器，实现对无刷直流电动机的精 确速度和位置控制。
容错控制技术
引入多种传感器和算法，提高系统的容错能力，确保无刷直流电动 机在故障情况下的安全运行。
应用领域拓展
工业自动化
随着工业自动化水平的提高，无刷直流电动机控制系统在 机器人、数控机床等领域的应用不断扩大。
无刷直流电机控制系统设计
无刷直流电机控制系统设计随着技术的不断发展，无刷直流电机（BLDC）在许多领域的应用越来越广泛。
相比有刷直流电机，无刷直流电机具有更高的效率和更长的使用寿命。
因此，设计一种高效、稳定、可靠的无刷直流电机控制系统至关重要。
本文将介绍无刷直流电机控制系统的设计思路和实现方法。
关键词：无刷直流电机、控制系统、系统架构、电路设计、软件设计。
无刷直流电机控制系统主要由电机、驱动器、传感器和控制器等组成。
电机是系统的核心，其性能直接影响整个系统的表现。
驱动器的作用是驱动电机运转，同时需要满足系统的动态性能和稳定性要求。
传感器主要用于反馈电机的位置和速度信息，以便控制器可以精确地控制电机。
控制器是无刷直流电机控制系统的核心，它负责处理传感器反馈的信息，并输出控制信号来控制电机的运转。
系统架构方面，无刷直流电机控制系统可以采用基于数字信号处理（DSP）或微控制单元（MCU）的方案。
数字信号处理（DSP）具有运算能力强、速度快的优点，但价格较高。
微控制单元（MCU）具有价格低、易于编程的优势，但运算能力较弱。
在电路设计方面，主要需要考虑功率电路、控制电路和传感器的接口。
功率电路需要满足电机的功率需求，同时需要考虑到过流、过压等保护措施。
控制电路需要实现控制算法的硬件实现，同时需要提供必要的接口与上位控制器进行通信。
传感器的接口需要满足不同传感器的数据采集需求，并需要处理好信号的同步和传输问题。
在软件设计方面，无刷直流电机控制系统需要实现控制算法的软件实现。
一般而言，控制算法可以采用PID（比例-积分-微分）控制算法或模糊控制算法等。
PID控制算法是一种线性控制算法，通过调整比例、积分和微分三个参数，可以实现对电机的精确控制。
模糊控制算法则是一种非线性控制算法，它通过模糊逻辑和规则实现对电机的控制，具有适应性强、鲁棒性好的优点。
为了验证无刷直流电机控制系统的稳定性和有效性，我们进行了一系列实验。
实验结果表明，该系统可以在不同负载和不同转速下稳定运行，并且电机的位置和速度可以精确地被控制。
双余度机载永磁无刷直流伺服系统转矩均衡性
双余度机载永磁无刷直流伺服系统转矩均衡性周奇勋;李声晋;卢刚;张举中【摘要】动静液压作动器(EHA)作为飞行器舵机集成一体化作动系统具有体积小、功率密度高的优点,EHA以双余度稀土永磁无刷直流伺服系统作为执行机构提高了舵机工作的可靠性.通过对不同类型的余度运行模式与双余度电机结构特性的比较,确定了系统的拓扑结构.详细分析了双余度电机电磁转矩纷争产生的原因与后果,提出了以位置交叉反馈与分段线性插值消除转矩纷争的方法.实验证明,该方法易于工程实现,能消除余度间转矩纷争现象.系统带宽5Hz,满足现代飞行器作动系统的要求,在未来功率电传的飞控系统中具有应用前景.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2009(024)006【总页数】7页(P17-23)【关键词】双余度;电动静液压作动器;永磁无刷直流电机;伺服系统;转矩纷争【作者】周奇勋;李声晋;卢刚;张举中【作者单位】西北工业大学机电学院,西安,710072;西安科技大学电控学院,西安,710054;西北工业大学机电学院,西安,710072;西北工业大学机电学院,西安,710072;西北工业大学机电学院,西安,710072【正文语种】中文【中图分类】工业技术2009 年 6 月电工技术学报V01.24 No ． 6 第24 卷第 6 期TRANSACTIONS OFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETY Iun．2009双余度机载永磁无刷直流伺服系统转矩均衡性 1周奇勋1 ，2 李声晋 1卢刚 1 张举中 1 (1 ．西北工业大学机电学院西安 7100722．西安科技大学电控学院西安710054)摘要电动静液压作动器 (EHA) 作为飞行器舵机集成一体化作动系统具有体积小、功率密度高的优点， EHA 以双余度稀土永磁无刷直流伺服系统作为执行机构提高了舵机工作的可靠性。
通过对不同类型的余度运行模式与双余度电机结构特性的比较，确定了系统的拓扑结构。
直流无刷电机的控制系统设计方案
直流无刷电机的控制系统设计方案1 引言1.1 题目综述直流无刷电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的，它不仅保留了有刷直流电机良好的调试性能，而且还克服了有刷直流电机机械换相带来的火花、噪声、无线电干扰、寿命短及制造成本高和维修困难等等的缺点。
与其它种类的电机相比它具有鲜明的特征：低噪声、体积小、散热性能好、调试性能好、控制灵活、高效率、长寿命等一系列优点。
基于这么多的优点无刷直流电机有了广泛的应用。
比如电动汽车的核心驱动部件、电动车门、汽车空调、雨刮刷、安全气囊；家用电器中的DVD VCD空调和冰箱的压缩机、洗衣机；办公领域的传真机、复印机、碎纸机等；工业领域的纺织机械、医疗、印刷机和数控机床等行业；水下机器人等等诸多应用[1]。
1.2 国外研究状况目前，国无刷直流电机的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。
外国的一些技术和中国的一些技术大体相当，美国和日本的相对比较先进。
当新型功率半导体器件：GTR、MOSFETIGBT 等的出现，以及钕铁硼、钐鈷等高性能永磁材料的出现，都为直流电机的应用奠定了坚实的基础。
近些年来，计算机和控制技术快速发展。
单片机、DSR FPGA CPLD等控制器被应用到了直流电机控制系统中，一些先进控制技术也同时被应用了到无刷直流电机控制系统中，这些发展都为直流电机的发展奠定了坚实的基础。
经过这么多年的发展，我国对无刷电机的控制已经有了很大的提高，但是与国外的技术相比还是相差很远，需要继续努力。
所以对无刷直流电机控制系统的研究学习仍是国的重要研究容[2]。
1.3 课题设计的主要容本文以永磁方波无刷直流电机为控制对象，主要学习了电机的位置检测技术、电机的启动方法、调速控制策略等。
选定合适的方案，设计硬件电路并编写程序调试，最终设计了一套无位置传感器的无刷直流电机调速系统。
本课题涉及的技术概括如下：(1)学习直流无刷电机的基本结构、工作原理、数学模型等是学习电机的前提和首要容。
无刷直流电机控制系统的设计(一)
目录1 引言 (1)1.1 无刷直流电机的发展概况 (2)1.2 无刷直流电机 (3)1.3 无刷直流电机的应用 (4)1.4 无刷直流电机的发展趋势 (5)1.5 本设计课题的任务和内容 (6)1.6 总结 (6)2 无刷直流电机控制系统的设计方案 (7)2.1 无刷直流电机控制系统的设计 (7)2.2 无刷直流电动机控制系统设计方案比较 (8)2.3 总结 (9)3 无刷直流电动机控制系统的硬件设计 (10)3.1 专用芯片的介绍 (10)3.3 开关电路 (19)3.4 稳压电路 (20)3.5 调速电路 (20)3.6 RC振荡电路 (21)3.7 过流保护 (21)3.8 总结 (22)4 传感器选择 (23)4 总结 (25)总结 .................................................. 错误！未定义书签。
结束语 ................................................ 错误！未定义书签。
致谢 (28)参考文献 (29)1 引言无刷直流电机最本质的特征是没有机械换向器和电刷所构成的机械接触式换向机构。
现在，无刷直流电机定义有俩种：一种是方波/梯形波直流电机才可以被称为无刷直流电机，而正弦波直流电机则被认为是永磁同步电机。
另一种是方波/梯形波直流电机和正弦波直流电机都是无刷直流电机。
国际电器制造业协会在1987年将无刷直流电机定义为“一种转子为永磁体，带转子位置信号，通过电子换相控制的自同步旋转电机”，其换相电路可以是独立的或集成于电机本体上的。
本次设计采用第一种定义，把具有方波/梯形波无刷直流电机称为无刷直流电机。
从20世纪90年代开始，由于人们生活水平的不断提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都向着高效率化、小型化及高智能化发展，电机作为设备的重要组成部分，必须具有精度高、速度快、效率高等优点，因此无刷直流电机的应用也发展迅速[1]。
双余度无刷直流电机控制系统1
微电机专题2006年第7期 11双余度无刷直流电机控制系统刘卫国 马瑞卿（西北工业大学稀土永磁电机及控制技术研究所 西安 710072）摘要 介绍了余度技术及其在电机设计中的应用，针对航空双余度无刷直流电机控制系统，分析了双余度电机的基本结构形式、控制系统结构与工作原理、控制方法等。
关键词：双余度 无刷直流电机Research on Dual-redundancy Brushless DC Motor Control SystemLiu Weiguo Ma Ruiqing（Northwestem Polyechnical University XI’an 710072 China ）Abstract The redundancy technique and its application on motor design are introduced. The fundamental structure of dual-redundancy motor is presented. The constitution, operation principle and control strategy of control system are analyzed.Keywords: Dual-redundancy ，Brushless DC Motor1 前言 余度，在可靠性工程中定义为：使用一套以上的设备来完成给定的任务，即构成余度。
余度技术是指通过为系统增加多重资源，包括硬件与软件的重复配置，实现对多重资源的合理管理，从而提高产品和系统可靠性的设计方法。
它是当其他技术（采用更好的部件、简化和降额）不能解决提高可靠性的问题或当产品改进方法所需费用比之重复配置所需费用更多时可采用的方法。
由于余度技术是提高系统安全性与可靠性的一种手段，因而在需要高可靠性或超高可靠性的系统，如航空航天飞行控制、空中交通管制、通信系统的计算机管理及核电站控制等工程应用领域得到广泛应用。
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微电机专题
2006年第7期 11
双余度无刷直流电机控制系统
刘卫国 马瑞卿
（西北工业大学稀土永磁电机及控制技术研究所 西安 710072）
摘要 介绍了余度技术及其在电机设计中的应用，针对航空双余度无刷直流电机控制系统，分析了双余度电机的基本结构形式、控制系统结构与工作原理、控制方法等。
关键词：双余度 无刷直流电机
Research on Dual-redundancy Brushless DC Motor Control System
Liu Weiguo Ma Ruiqing
（Northwestem Polyechnical University XI’an 710072 China ）
Abstract The redundancy technique and its application on motor design are introduced. The fundamental structure of dual-redundancy motor is presented. The constitution, operation principle and control strategy of control system are analyzed.
Keywords: Dual-redundancy ，Brushless DC Motor
1 前言 余度，在可靠性工程中定义为：使用一套以上
的设备来完成给定的任务，即构成余度。
余度技术
是指通过为系统增加多重资源，包括硬件与软件的
重复配置，实现对多重资源的合理管理，从而提高
产品和系统可靠性的设计方法。
它是当其他技术（采
用更好的部件、简化和降额）不能解决提高可靠性
的问题或当产品改进方法所需费用比之重复配置所
需费用更多时可采用的方法。
由于余度技术是提高系统安全性与可靠性的一种
手段，因而在需要高可靠性或超高可靠性的系统，如
航空航天飞行控制、空中交通管制、通信系统的计算
机管理及核电站控制等工程应用领域得到广泛应用。
在航空领域，新型电力作动系统正在快速发展
和应用。
为了保证该系统的可靠性不低于其他作动
系统，必须采用余度设计技术。
其中执行电动机是
重要的余度设计环节，特别是高可靠长寿命稀土永
磁无刷直流电动机是目前航空电动机的发展方向，
因而该电机的余度设计技术显得十分重要。
2 电机的余度设计任务
电机的余度设计任务主要包括余度类型确定、
余度配置选择、余度管理。
其中余度类型有多种分
类方法，技术最成熟、用得最广泛的是力综合/备用
两种。
力综合系统是指余度各通道同时带负载工作，
该模式又称为主动并列式工作模式。
备用系统有热
备份和冷备份工作模式。
余度配置主要包括余度数的确定、信号传递与
耦合方式。
余度数的多少取决于可靠性要求及余度
管理水平的高低，同时也受到重量、体积、费用等
条件的限制。
对于具有双故障工作能力的电力作动
系统，通常要求采用四余度或带自监控的三余度系
统。
一般余度系统最少采用双余度配置。
在伺服作
动系统中，信号传递一般采用直接传递方式，也有
采用交叉传递方式。
余度管理是余度设计的核心，主要包括故障监
控和故障隔离。
故障监控的形式多种多样，但监控
类型只有比较监控和自监控两种。
选择故障切换时
间是故障隔离的重要工作。
但是，采用余度技术也带来一些新问题，除了
增加体积、重量和复杂性外，还包括通道间干扰、
故障影响、故障后性能降低、故障检测、通道切换与隔离等，在力综合系统还存在负载分配问题。
若这些问题解决不好，有可能使采用余度技术带来的
好处丧失殆尽。
微电机专题
2006年第7期
12
对于无刷直流电动机，由于功率主电路和电机绕组是电机在可靠性方面相对薄弱的环节，因而它们是余度设计的重要方面。
其中采用双余度结构和控制方式的无刷直流电动机已得到成功应用。
3 双余度无刷直流电机的基本结构形式
在双余度稀土永磁无刷直流电机的结构上，具有如下的两种结构形式：串联式结构双余度无刷直流电机和并联式结构双余度无刷直流电机。
3.1 串联式结构双余度电机
该电机的结构特点是两个独立的无刷直流电机的本体同轴同壳体安装，形成串联式双余度结构，其结构示意图如图1所示。
从图中可以看出，该电机具有两套定子，两套转子及两套位置传感器，只是具有共同的电机轴。
图1 串联式双余度电机结构
3.2 并联式结构双余度电机
该电机的特点是只有一套定转子，定子铁心上隔槽嵌放着两套独立的电枢绕组及相应的两套位置传感器，共用电机轴及定转子，形成并联式双余度结构。
其结构示意图如图2所示。
双余度无刷直流电机的定子绕组是由两套空间相差30°电角度的三相集中绕组构成，采用双Y 形接法，共用一个稀土永磁转子。
电机的两套定子绕组在电路上是独立的，但彼此间存在磁场耦合，两套绕组间存在互感。
图2 并联式双余度电机结构
4 双余度控制系统结构与工作原理
一种双余度永磁无刷直流电机伺服系统方案的原理框图如图3所示。
图3 双DSP 双余度无刷直流电机伺服系统
在图3中，电机为双余度稀土永磁无刷直流电机，有两套独立的转子位置传感器和两套定子绕组。
该系统具有两套驱动器，两套DSP 控制器，两个DSP 相互通讯。
转子位置传感器采用霍尔传感器，用于指示当前电机转子的位置。
转子位置传感器与电机绕组存在严格的对应关系，由于电机的两套绕组相差30°的电角度，故两套传感器也相差30°电角度关系。
驱动器由两套独立的驱动逆变电路构成，逆变器由六个MOSFET 管和六个反向并联二极管组成，由IR2130来驱动。
当某一驱动器发生故障后，系统由双余度工作模式转为单通道工作模式，但仍能完成上位机发出的命令。
控制系统采用TMS320F240作为控制器，双余度工作时，DSP 处于主从备份式工作模式，一个DSP 控制两个驱动器。
当某一DSP 发生故障后，另一DSP 接管故障DSP 的任务。
这样的工作方式既避免了两DSP 控制的同步性问题，又从结构上解决了双余度问题。
电机本体为并联式结构。
正常情况下，两套电枢绕组同时工作。
电机共一个转子的特点减小了系统的机电时间常数，提高了系统的动态性能。
当某一电机绕组故障时（开路，短路），系统可从双余度工作模式转为单通道工作模式。
故障检测电路是余度管理的重要内容。
监控的故障包括：电机绕组故障（开路故障、短路故障）、逆变器故障（开关管开路故障、短路故障）、电源故
微电机专题
2006年第7期 13
障、转子位置传感器故障、DSP 控制器故障以及以上故障的综合性故障。
余度系统的故障检测比较复杂，是工程实现的一个关键点。
检测方法有在线检测式和离线检测式。
目前，机内检测（BIT ：build-in test ）技术是在系统内部实现故障检测、故障诊断和性能监控、提高系统可靠性、维护性的重要手段。
另一种双余度无刷直流电机伺服方案如图4所示。
与图3所示余度结构方式相比，增加1个DSP 和在DSP 与驱动器之间增加1个逻辑处理单元。
图4 单DSP 双余度电动舵机伺服系统
在图4所示的系统框图中，系统由双余度无刷
直流电机本体、双余度控制器、双余度转子位置传感器构成。
控制器由TMS320F240作为主控单元，逆变器A 、绕组A 和转子位置传感器A 构成一套驱动电路。
逆变器B 、绕组B 和转子位置传感器B 构成另一套驱动电路。
双通道为主动并列式工作模式。
正常情况下，双通道同时工作，一旦某一通道出现故障，另一通道将担负全部负载，继续完成位置伺服的功能。
5 双余度无刷直流电机伺服系统控制方法
在双余度无刷直流电机伺服系统中，可采用电流环、速度环和位置环。
系统的控制原理框图如图5所示。
1．双余度电流均衡问题
由于器件及制造上的各种原因，系统两个通道的参数不可能完全相同，因此在双绕组同时工作时，系统还需要解决电流“均衡”问题。
一个工程上实用的方法是，双余度工作时，DSP 可同时获知双余度电机的电流值，将速度环给出电流参考值IRef 一分为二，两通道分别按给定电流参考值IRef/2进行电流闭环，决定各自驱动器的PWM 斩波信号的占空比。
2．余度管理策略
位置传感器处于主动并列式工作模式，当某一通道的位置传感器故障，此位置传感器将被隔离，另一通道的位置传感器担负起两个通道的位置检测。
DSP 控制器、驱动器、逆变器、双余度电机绕组也均处于主从备份式工作模式。
图5 双余度无刷直流电机伺服系统
6 结束语
多余度无刷直流电机控制系统具有重要的应用意义和广阔的应用前景，但同时也面临许多关键
技术要解决，特别在故障监控、故障隔离、电流均衡、系统重构等方面需要开展理论和实验方面的深入研究。