无位置传感器无刷直流电机起动控制研究

论文摘要

无刷直流电机以其结构简单、运行可靠及调速性能好等诸多优点广泛应用于国民生产的各个领域。传统的无刷直流电机由于位置传感器的存在直接影响了电机的体积、成本及可靠性。因此,研究无刷直流电机无位置传感器控制技术具有重大意义。在当前众多无位置传感器控制方法中,反电势法是最为简单实用的,但是应用反电势法实现无位置传感器控制时存在起动困难的问题。本文围绕无刷直流电机无位置传感器的起动问题,进行了深入的研究。首先分析了几种常用的无位置传感器起动方法。然后,文章通过分析无刷直流电机的动力学方程,得出电机的起动换相时刻与母线电压及负载转矩存在直接关系,其关系可以通过拟合函数来表示。三次样条插值函数具有连续的二阶导数,克服了高次插值函数的计算量大、振荡剧烈、数值稳定性差以及分段插值中光滑程度常常不能满足需要的问题,能够更好的拟合样本点。根据这些特点,本文提出一种插值起动方法。该方法首先通过软件控制给电机特定的两相进行导通,将转子进行预定位,然后通过改变母线电压和负载转矩,采集相应的起动换相时刻数据样本。采样完毕后,本文首先忽略负载转矩的影响,以空载时的母线电压采样数据作为输入,相应的换相时刻采样数据作为输出,在离线情况下拟合出两者之间的三次样条插值函数,然后进行了仿真论证。结果表明:开环起动时,该方法能够准确计算出任意母线电压下电机的起动换相时刻;闭环起动时,随着PI调节器控制的母线电压有效值的变化,系统通过插值函数在线修正换相时刻,从而保证电机准确换相。起动完毕后,系统能够顺利切换到反电势检测运行状态。在此基础上,本文加入对负载转矩影响的考虑,以母线电压、负载转矩作为输入,换相时刻作为输出,利用双三次样条插值拟合得到了三者之间的函数关系,并进行了仿真论证。结果表明:该方法在变负载及额定负载时的起动效果都有了明显提高,更加适合额定负载较大以及负载变化范围较大场合的起动。最后,本文以TI公司的数字信号处理器(DSP)TMS320F2812为核心设计了无刷直流电机的控制系统,通过硬件电路和软件编程对本文提出的三次样条插值起动方法进行了实验。实验结果表明该方法能够给电机提供准确的起动换相信号,可以令电机顺利起动,并且在起动完成后能够顺利切换到反电势检测运行。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无刷直流电机的发展概况与趋势
• 1.1.1 无刷直流电机的发展概况
• 1.1.2 无刷直流电机的特点及应用
• 1.1.3 无刷直流电机无位置传感器技术的发展与研究现状
• 1.2 选题的背景和意义
• 1.3 论文的主要研究内容
• 第二章 无刷直流电机的无位置传感器控制及起动
• 2.1 无刷直流电机的基本结构
• 2.1.1 电机本体
• 2.1.2 位置检测机构
• 2.1.3 电子换相线路
• 2.2 无刷直流电机的工作原理
• 2.3 无刷直流电机的无位置传感器控制
• 2.3.1 定子绕组反电势检测方法
• 2.3.2 无刷直流电机无位置传感器起动
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于三次样条插值的无刷直流电机无位置传感器起动
• 3.1 三次样条插值函数
• 3.1.1 三次样条插值函数的定义
• 3.1.2 三次样条插值函数的求解
• 3.2 基于三次样条插值的无刷直流电机无位置传感器起动
• 3.2.1 插值起动的原理
• 3.2.2 样本的采集及拟合
• 3.2.3 三次样条插值起动
• 3.3 仿真结果
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于双三次样条插值的无刷直流电机无位置传感器起动
• 4.1 双三次样条插值原理
• 4.2 双三次样条插值起动
• 4.3 仿真结果
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于TMS320F2812 的控制系统设计
• 5.1 系统总体设计方案
• 5.2 TMS320F2812 芯片的概述
• 5.3 系统的硬件电路设计
• 5.3.1 电源电路
• 5.3.2 光耦隔离电路
• 5.3.3 驱动电路
• 5.3.4 逆变桥电路
• 5.3.5 电压采样电路
• 5.3.6 硬件电路中的抗干扰措施
• 5.4 系统软件设计
• 5.5 实验结果
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢