电动车无刷直流电机无位置传感器控制研究

论文摘要

本文以48V, 250W, 3相6极无刷直流电动机作为研究对象,建立了基于单片机的全数字化无位置传感器无刷直流电机控制系统。围绕无位置传感器无刷直流电机控制系统设计中的关键技术——转子位置检测、零起动和调速控制等三个方面进行了深入的研究,并进行了实验验证。本文首先分析了无位置传感器转子位置信息检测各种方法,针对具体的无刷直流电机,确定了在PWM“ON”期间检测反电势过零点实现无刷直流电机无位置传感器的方案。针对反电势法“延迟30°换相”的原理和滤波环节引起的相位滞后采取定时计数方法进行延时处理,该法能对由位置检测电路造成的相位滞后进行实时修正,满足了应用的需求。建立起了相应的硬件检测、软件处理模块。针对实现无刷直流电机采用无转子位置传感器运行时零初始速度起动的问题,综合效果、成本等各方面因素,确定了“三段式”法实现无位置传感器无刷直流电机的零起动的方案。对转子“预定位”阶段的导通顺序、施加驱动电流方式;外同步加速阶段的旋转方向选择、加速驱动波形的确定和自动换向切换阶段的切换条件等问题进行了详细的分析。确定了具体的实施方案,设计了相应的处理软件。为了全面改善无刷直流电机调速系统的动、静态性能,提高系统的稳定性和鲁棒性。本文采用由电流环和速度环构成的双闭环串级调速控制系统。其中,电流环作为内环调节,快速抑制负载电流和电压等扰动,提高系统的抗干扰力;速度环作为外环调节,保持转速与给定无静差,改善系统的稳定性。本文设计了以美国Cypress公司的PSoCTM为控制芯片的电机控制系统。通过实验证明,本无位置传感器无刷直流电机控制系统具有结构简单,适应性强等优点,具有广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 电动车用直流电机研究现状与研究方向
• 1.2.1 电动车用无刷直流电机技术的发展
• 1.2.2 无位置传感器无刷直流电机研究
• 1.2.3 直流电机调速控制系统
• 1.3 本文研究的内容和意义
• 第二章 无刷直流电机及数学模型
• 2.1 无刷直流电机的组成结构及控制原理
• 2.1.1 无刷直流电机的组成结构
• 2.1.2 无刷直流电机的控制原理
• 2.2 无刷直流电机特性分析
• 2.2.1 无刷直流电机等效电路
• 2.2.2 无刷直流电机基本方程
• 2.2.3 无刷直流电机稳态分析
• 2.2.4 无刷直流电机动态分析
• 2.3 本章小结
• 第三章 无位置传感器转子位置信息检测
• 3.1 转子位置信息检测研究现状
• 3.1.1 磁阻法
• 3.1.2 反电势法
• 3.1.3 磁通链变化法
• 3.1.4 电感法
• 3.2 无位置传感器转子位置信息检测方案
• 3.2.1 反电势过零点控制电流换相的工作原理
• 3.2.2 反电势过零点检测方案分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 无位置传感器零初始速度起动
• 4.1 无位置传感器零初始速度起动研究现状
• 4.1.1 “三段式”起动法
• 4.1.2 升频升压同步起动法
• 4.1.3 检测脉冲转子定位起动法
• 4.2 无位置传感器零初始速度起动方案及实现
• 4.2.1 转子“预定位”阶段
• 4.2.2 “外同步”加速及切换阶段
• 4.3 本章小结
• 第五章 无刷直流电机双闭环串级控制系统
• 5.1 无刷直流电机双闭环串级控制方案
• 5.1.1 无刷直流电机采用双闭环控制的必要性
• 5.1.2 无刷直流电机双闭环串级调速控制方案
• 5.2 无刷直流电机双闭环串级控制系统设计
• 5.2.1 双闭环串级控制系统设计
• 5.2.2 采样频率的选择
• 5.2.3 控制参数的整定
• 5.2.4 无刷直流电机双闭环串级调速控制方案分析
• 5.3 无刷直流电机双闭环串级控制系统仿真
• 5.3.1 基于Matlab/Simulink 的仿真
• 5.3.2 基于MATLAB 的BLDC 系统模型建立
• 5.3.3 仿真结果及仿真结果分析
• 第六章 无刷直流电机无位置传感器控制系统硬件设计
• 6.1 控制系统硬件电路总体结构
• 6.2 主控芯片PSoCTM 简介
• 6.3 控制系统电源系统设计
• 6.3.1 控制系统对电源的要求
• 6.3.2 控制系统电源设计方案
• 6.3.3 控制系统电源设计
• 6.4 控制系统反电势过零点检测硬件电路设计
• 6.4.1 反电势过零点检测硬件电路方案
• 6.4.2 反电势位置信息检测硬件电路设计
• 6.5 功率驱动电路设计与改进
• 6.5.1 功率逆变电路设计
• 6.5.2 功率管驱动电路设计
• 6.6 负载电流检测电路设计
• 6.6.1 负载电流检测电路设计方案
• 6.6.2 负载电流检测电路设计
• 6.7 小结
• 第七章 无刷直流电机无位置传感器控制系统软件设计
• 7.1 软件任务分析
• 7.2 软件总体结构方案
• 7.3 反电势过零点信息获取与处理软件设计
• 7.4 “三段式”零起动软件设计
• 7.5 数字双闭环串级控制软件设计
• 7.6 本章小结
• 第八章 试验结果及分析
• 8.1 反电势检测试验结果及分析说明
• 8.2 零起动试验波形分析
• 8.3 双闭环串级调速对电动机性能的改善
• 8.4 本章小结
• 第九章 结论及工作展望
• 9.1 结论
• 9.2 工作展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢