基于SENSORLESS技术的直流无刷电机控制策略研究

论文摘要

直流无刷电机（BLDCM），既具备传统直流电机良好的启动和调速特性，同时又拥有结构简单、噪音小、输出转矩大等优点，在计算机、家用电器、交通工具等领域中的应用日益广泛。传统的BLDCM控制系统，一般由内置在电机内的位置传感器来检测转子位置信号。然而，电机中存在传感器，不但使电机的尺寸、重量增加了，同时还加大了电机的制造成本和维护难度。因此，研究基于sensorless技术的BLDCM传动系统已成为控制领域的关注热点。本文通过分析BLDCM的结构和组成，从电气原理上详细介绍了其基本工作原理。结合选择的工作方式，建立了BLDCM的数学模型和调速模型。针对目前sensorless控制方法存在的低速性能不佳、启动控制难、滤波相移等问题，结合直接反电势法和磁链三次谐波法中换相逻辑的特点，提出一种基于分区域调速的低速/高速控制策略，即L/H控制法。将BLDCM运行的速度频域划分为低速运行区和高速运行区，在不同区域内分别采用相对应的控制方法，从而极大地拓宽了BLDCM的调速范围。文中采用一种新的反电势逻辑电平积分法，以改善控制器在低速区的调速性能。在高速区，采用易于实现、相移误差小的反电势三次谐波法。对于不同运行区之间控制方法的切换，提出设置过渡区，进行滞回切换的动作方式。同时，在传统“三段式”启动法的基础上提出了二次预定位，并优化启动曲线，使电机得以快速平稳启动。并且，根据升压斩波器原理，采用能量回馈制动方式在低速时将制动转矩产生的能量给直流电源馈电。文中还给出了检测信号相移的补偿方法。利用上述L/H控制法设计了BLDCM控制器的软硬件系统，在Matlab/simulink环境下建立控制器的仿真系统，检验了L/H控制策略的合理性。并且，根据所设计的硬件平台，验证了L/H控制法对不同结构的直流无刷电机，在不同的速度区间的驱动情况。同时还实验对比了带位置传感器与sensorless控制的效果，证明了该控制策略的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 直流无刷电机的发展历史
• 1.2 直流无刷电机的技术优势
• 1.3 直流无刷电机的研究热点
• 1.3.1 BLDCM 本体设计
• 1.3.2 电机控制算法的研究
• 1.3.3 基于 sensorless 技术的 BLDCM 控制研究
• 1.4 BLDCM 的应用
• 1.5 选题意义与本文研究内容
• 第二章 直流无刷电机的工作原理和数学模型
• 2.1 直流无刷电机的结构
• 2.1.1 BLDCM 的本体结构和分类
• 2.1.2 位置传感器
• 2.1.3 电子开关电路
• 2.2 直流无刷电机的工作原理
• 2.3 BLDCM 的数学模型
• 2.4 直流无刷电机的调速模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于 sensorless 技术的直流无刷电机控制原理
• 3.1 BLDCM 直接反电势法
• 3.1.1 BLDCM 中性点平均电压计算
• 3.1.2 BLDCM 直接反电势法的实现
• 3.2 BLDCM 宽域调速 sensorless 技术的实现——L/H 控制法
• 3.2.1 反电势逻辑电平积分法原理
• 3.2.2 反电势三次谐波法原理
• 3.2.3 低速——高速控制方式的切换
• 3.2.4 BLDCM 的启动控制
• 3.2.5 BLDCM 能量回馈制动
• 3.2.6 信号检测的相位修正
• 3.3 基于 sensorless 技术的 BLDCM 控制系统结构
• 3.4 本章小结
• 第四章 直流无刷电机控制器软硬件设计
• 4.1 基于 sensorless 技术的 BLDCM 控制器硬件设计
• 4.1.1 MCU 控制电路
• 4.1.2 电源电路
• 4.1.3 功率驱动电路
• 4.1.4 信号检测电路
• 4.2 基于 sensorless 技术的 BLDCM 控制器软件设计
• 4.2.1 软件主程序
• 4.2.2 电机启动子程序
• 4.2.3 位置检测与换相逻辑
• 4.3 本章小结
• 第五章 系统的仿真与实验
• 5.1 系统仿真模型设计
• 5.1.1 逆变器和 BLDCM 模块
• 5.1.2 转子位置检测模块
• 5.1.3 系统的启动模块
• 5.1.4 转速调节模块
• 5.1.5 电流调节模块
• 5.2 系统的仿真与实验结果
• 5.2.1 系统的仿真结果
• 5.2.2 系统的实验结果
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结
• 6.1 主要工作回顾
• 6.2 展望
• 参考文献
• 个人简历 在读期间发表的学术论文
• 致谢