无刷直流电机无位置传感器控制系统的设计与研究

论文摘要

永磁无刷直流电机因其效率高、噪声小、寿命长、结构简单、维护方便以及调速性能好等诸多优点广泛应用于国民生产和生活的各个领域。它有别于传统的直流电机采用换向器和电刷换向,无刷直流电机采用内部电子换向,因此需要转子位置信息来获得正确的换向顺序。然而,使用机械式转子位置传感器来获取位置信息会带来成本大、体积大、可靠性低等问题。针对这些问题,我们有必要对无刷直流电机无位置传感器控制进行深入研究。不采用位置传感器,由电机的可观测量来获得换相信息,可以将这个过程看作是一个非线性系统辨识的过程。小脑关节控制模型(CMAC)是模拟人小脑的一种学习结构,提供了一种从输入到输出的多维非线性映射能力。由于CMAC具有很强的非线性函数逼近和泛化能力,且学习速度快,因此CMAC可以用来构建定子电压与换向信号之间的非线性关系。本文围绕无刷直流电机无位置传感器控制,进行了深入的研究,提出了将CMAC神经网络应用于无位置传感器无刷直流电机的控制策略。文章从分析无刷直流电机的结构出发,详细介绍了其工作原理和数学模型,并对几种主要的无位置传感器控制方法作了详细的综述;接着,本文设计了无位置传感器控制系统结构,讨论了基于反电动势过零检测法和磁链函数法的无位置传感器控制的原理和实现,分析了这两种方法各存在的问题,提出基于CMAC的无位置传感器控制策略。为了验证这些方法,搭建了无刷直流电机仿真实验平台。在平台上实现了基于反电动势过零检测法、磁链函数法和本文提出的基于CMAC的无位置传感器控制,并将基于CMAC的无位置传感器控制与前两种控制进行了仿真对比实验。实验结果表明本文提出的基于CMAC的无位置传感器控制方法能够为电机提供准确的换相信号,实现无位置传感器控制。最后,设计了基于STM32微控制器的实时控制系统。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 课题研究背景
• 1.1.2 课题研究的意义
• 1.2 无刷直流电机的研究现状
• 1.2.1 无刷直流电机发展概况
• 1.2.2 无刷直流电机控制技术
• 1.3 研究内容与章节安排
• 2 无刷直流电机工作原理及数学建模
• 2.1 无刷直流电机基本结构与工作原理
• 2.1.1 基本结构
• 2.1.2 工作原理
• 2.2 无刷直流电机数学模型
• 2.3 无刷直流电机转子位置检测技术
• 2.3.1 三次谐波检测法
• 2.3.2 反电动势积分法
• 2.3.3 续流二极管法
• 2.3.4 磁链估计法
• 2.3.5 反电势过零检测法
• 2.3.6 磁链函数法
• 2.4 本章小结
• 3 无位置传感器控制系统设计
• 3.1 无刷直流电机无位置传感器控制系统结构
• 3.2 无位置传感器控制技术研究
• 3.2.1 反电动势过零检测技术
• 3.2.2 磁链函数法
• 3.3 基于CMAC 神经网络的无位置传感器控制技术
• 3.3.1 CMAC 神经网络模型简介
• 3.3.2 人工神经网络的系统辨识原理
• 3.3.3 基于CMAC 神经网络模型的无位置传感器控制的理论分析
• 3.3.4 基于CMAC 神经网络模型的无位置传感器控制的设计
• 3.4 本章小结
• 4 仿真及分析
• 4.1 无刷直流电机控制系统仿真平台的建立
• 4.1.1 速度电流控制器模块
• 4.1.2 换向逻辑模块
• 4.2 基于反电动势过零检测法的仿真实验
• 4.2.1 仿真实验设计
• 4.2.2 仿真结果
• 4.3 基于磁链函数法的仿真实验
• 4.3.1 仿真实验设计
• 4.3.2 仿真结果
• 4.4 基于CMAC 神经网络的仿真实验
• 4.4.1 仿真实验设计
• 4.4.2 实验结果
• 4.5 对比实验分析
• 4.6 本章小结
• 5 实时控制系统设计与实现
• 5.1 控制系统总体方案设计
• 5.2 控制系统硬件设计
• 5.2.1 处理器选择
• 5.2.2 功率驱动电路设计
• 5.2.3 逆变电路设计
• 5.2.4 电流检测电路设计
• 5.3 控制系统软件设计
• 5.4 实验结果
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录