水下推进无刷直流电机无位置传感器控制

论文摘要

无刷直流电机具有高效率和高功率密度的特点,适用于水下推进装置。为了检测关键的转子位置信号,一般需在电机内安装霍尔传感器。水下推进装置中空间有限,且对可靠性要求高,而安装霍尔传感器不仅占用体积,而且需要从电机端部引出导线,带来密封和可靠性问题。故无位置传感器控制具有重要意义。水下推进无刷直流电机系统一般采用蓄电池供电。受蓄电池输出电压限制,本文研究的无刷直流电机具有反电势低和电流大的特点,运行时续流时间较长,存在反电势过零淹没现象,基于反电势过零检测的常规位置估算方法不能应用。故研究减小续流时间的方法以及续流时间较长时的无位置传感器控制具有重要意义。首先,基于无刷直流电机系统的动态电路模型推导了电流的解析表达式,计算和分析了影响续流导通角的因素,研究了减小续流导通角的方法。为了精确计算续流导通角,对三相六态驱动方式下的动态电路拓扑结构分析,推导了续流状态和两相导通状态下的电流解析表达式,获得了求解续流导通角的方程。结合电流表达式中的参数,分析了影响续流导通角的主要因素。提出了两种减小续流导通角的方法,仿真结果表明利用改进的变流器拓扑能够有效减小续流导通时间。其次,针对续流时间较长造成无法直接检测反电势过零点的问题,提出了一种基于转子磁链模型的磁链过零点估算方法。推导的磁链计算模型中采用了以虚拟中点（由电阻网络构造）为参考点的绕组端电压,无需引出电机中线,而且计算磁链中不含三次谐波。分析了利用估算的三相磁链过零点控制逆变器的换相逻辑。为了获得磁链模型中的电感参数,利用有限元软件计算了电机空载时的视在电感。通过Simulink仿真对本文提出的无位置传感器控制方法进行了验证。第三,结合转子磁链的实际计算过程,研究了磁链过零点的估算误差。对磁链计算误差的数学模型进行了分析,结果表明电机电感变化是造成磁链计算误差的主要原因。结合电机电枢反应磁场的空间分布,分析了各电感分量受饱和影响的程度。针对本文研究的样机,利用Flux-Simulink联合仿真研究了电感误差对磁链过零点估算的影响。最后,设计并实现了基于转子磁链过零点估算的无刷直流电机无位置传感器控制系统。通过合理选择电压电流传感器、驱动模块和数字控制芯片,搭建了硬件系统。推导了磁链计算模型的离散化形式,设计了以实际电机转速为参数的滤波环节,利用加权平均思想设计了动态响应较快的平均值测速模块。实验结果证明了本文提出的无位置传感器控制方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 国内外研究现状分析
• 1.2.1 水下推进电机系统的研究现状
• 1.2.2 无位置传感器控制的研究现状
• 1.2.3 续流问题的研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 无刷直流电机系统的续流导通角分析
• 2.1 无刷直流电机系统电路模型
• 2.2 基于电流解析表达式的续流导通角计算方法
• 2.2.1 考虑换相过程的电路拓扑分析
• 2.2.2 三相电流表达式
• 2.3 续流导通角的影响因素
• 2.3.1 电机运行状态对续流导通角的影响
• 2.3.2 电机本体参数对续流导通角的影响
• 2.4 减小续流导通角的方法
• 2.4.1 续流回路串接耗能电阻
• 2.4.2 续流导通角可控的变流器拓扑
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于转子磁链过零点的无位置传感器控制
• 3.1 续流过程对位置估算的影响
• 3.2 转子磁链计算模型
• 3.3 基于转子磁链过零点的换相逻辑
• 3.3.1 基于反电势过零点的换相逻辑
• 3.3.2 基于转子磁链过零点的换相逻辑
• 3.4 转子磁链模型的参数计算
• 3.4.1 转子磁链模型中电感含义
• 3.4.2 电感的二维有限元计算
• 3.5 无位置传感器控制系统仿真
• 3.6 本章小结
• 第4章 换相时刻计算误差分析
• 4.1 转子磁链计算误差分析
• 4.2 磁链计算误差模型
• 4.3 电感分量随饱和变化的分析
• 4.4 基于Flux-Simulink 联合仿真的误差研究
• 4.5 本章小结
• 第5章 无位置传感器控制系统的实验验证
• 5.1 硬件设计
• 5.1.1 电压电流检测部分
• 5.1.2 功率驱动部分
• 5.1.3 数字控制部分
• 5.2 软件设计
• 5.2.1 磁链计算模块
• 5.2.2 速度计算模块
• 5.3 实验结果及分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢