低速电动车无刷直流电机控制系统设计

摘要

基于全球能源的匮乏与环境持续增长的劣势，电动汽车的兴起为汽车产业的发展带来了新的曙光。在电动车的整车系统当中，电动机和其控制系统起着不可或缺的作用，它们的研究和优化也是世界上的汽车厂家一直所关注的热点。本课题选择三相12槽8极无刷直流电动机(BLDCM)作为样机，它具有控制精准、散热良好以及构成简单等特性，是一种高效节能的电动车驱动电机，因此，论文提出了一种基于低速电动车的永磁直流无刷电机控制系统，主要的论述如下:
　　1)文章对直流无刷电机及其驱动控制系统的当前发展状况作了阐述，简介了其本体构成，分析了其工作原理和运行特性，对电机的本体设计进行了简单叙述;
　　2)对无刷直流电机几种常用的控制手段作了对比，为了削减转矩脉动，针对直接转矩控制(DTC)方法作了重点概述。以直流无刷电机直接转矩控制的策略原理和数学方程作为基本依据，搭建了矩阵实验室中Simulink功能下的性能测试模型;
　　3)为了实现电动车运行的稳定性能，无刷直流电机的控制器核心芯片选用的是ST公司生产的STM32F051微型单片机，基于此芯片构建了电机驱动系统，并列举了无刷直流电机控制器的部分主要硬件电路;
　　4)搭建了测功机实验平台，对课题组共同研制的样机进行了测功机试验，把实际测量得到的波形与前面的模拟仿真作了对比，结果表明，该无刷直流电机直接转矩控制模型的性能与实际使用的电机的运行性能符合。
　　综上所述，文章把无刷直流电机驱动系统作为研究对象，提出了一种直接转矩控制的策略方案。该策略方案为有利于无刷直流电机的优化设计，并为研究无刷直流电动机驱动控制系统提供了更多的理论依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景与研究意义

1．2 电动车国内外发展现状

1．2．1 国外电动车发展状况

1．2．2 国内电动车发展状况

1．3 电动车驱动技术的发展

1．4 无刷直流电机简介

1．5 课题研究内容

第2章 无刷直流电机的工作原理及数学模型

2．1 无刷直流电机的基本结构

2．1．1 电机本体

2．1．2 位置检测电路

2．1．3 电子换相电路

2．2 无刷直流电机的基本工作原理

2．3 无刷直流电机的数学模型构成

2．3．1 电压公式

2．3．2 转矩和运动方程

2．3．3 状态方程

2．4 永磁无刷直流电机的控制

2．5 永磁无刷直流电机的转矩脉动分析

2．6 本章小结

第3章 无刷直流电机本体选型

3．1 无刷直流电机本体选型的整体方案

3．1．1 工作方式的选择

3．1．2 方波电动机与普通电动机的选择

3．2 电磁负荷选取

3．3 极数和槽数的确定

3．4 定子绕组嵌线形式

3．5 主要尺寸的确定

3．6 工作特性曲线

3．7 直流无刷电机设计的特点和参数归纳

3．8 本章小结

第4章 无刷直流电机的直接转矩控制原理

4．1 直接转矩控制概述

4．2 无刷直流电机直接转矩控制实现原理

4．2．1 磁链观测实现原理

4．2．2 转矩观测实现原理

4．2．3 磁链与转矩调节

4．2．4 电压矢量选择开发表

4．3 定子磁链分区表和开关表的实现

4．4 无磁链反馈无刷直流电机DTC的实现

4．4．1 无磁链反馈无刷直流电机DTC的空间电压矢量选择

4．4．2 无刷直流电机位置信号和单位反电势的关系

4．5 本章小结

第5章 无刷直流电机的直接转矩控制系统仿真

5．1 无刷直流电机本体的建模仿真

5．1．1 反电势模拟模块

5．1．2 电压模拟模块

5．1．3 转子位置检测模块

5．2 无刷直流电机驱动系统模拟仿真

5．2．1 速度控制环节

5．2．2 转矩滞环环节

5．2．3 电压空间矢量选择环节

5．2．4 三相电压逆变器环节

5．3 直流无刷电机模拟仿真结果

5．4 本章小结

第6章 无刷直流电机的驱动器设计

6．1 系统硬件介绍

6．1．1 微控制器的选择

6．1．2 控制器电源

6．1．3 位置检测电路

6．1．4 驱动环节

6．1．5 电流检测

6．1．6 过流保护

6．1．7 欠压保护电路

6．1．8 刹车控制电路

6．2 驱动器软件设计

6．2．1 系统整体流程图实现

6．2．2 主程序设计

6．2．3 中断程序设计

6．2．4 系统部分功能在软件中的实现

6．2．5 软件的抗干扰设计

6．3 本章小结

第7章 电机控制系统实验测量

7．1 电机实验平台

7．2 电机空载运行

7．3 电机负载运行

7．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文

致谢