低转矩脉动无位置传感器BLDCM控制方法研究

摘要

近年来，由于电力电子技术、逆变器控制技术和新型永磁材料的发展，无刷直流电机(Brushless Direct Current Motor，BLDCM)已广泛应用于许多工作中。然而，BLDCM的位置传感器增大了电机成本和体积，也降低了控制系统的可靠性。BLDCM运行时的固有缺点是存在转矩脉动。因此，无位置传感器控制技术和转矩脉动的抑制技术具有重要的理论研究价值。本文主要对BLDCM的无位置传感器控制系统进行研究，进一步实现BLDCM低转矩脉动的运行。 首先，本文介绍了国内外BLDCM无位置传感器控制转子位置检测方法和起动方法的研究现状，介绍了国内外BLDCM转矩脉动抑制的主要方法。针对无位置传感器BLDCM的转子初始位置检测、加速起动以及基于端电压的转子位置检测下自同步运行的工作原理进行详细介绍，并在此基础上在Matlab/Simulink中搭建仿真模型。 其次，由于无位置传感器控制的方式下电磁转矩波动的大小与转子位置检测的准确程度存在密切关系，所以，针对基于端电压法的无位置传感器控制方法存在换相误差的问题，通过采用‘90°-α’的延时补偿策略实现对滤波电路造成的转子位置检测滞后问题进行了补偿。针对其他的造成电机转子检测误差的因素，通过分析转子位置检测的误差引起的相电流变化的特点，提出了以换相点前后30°范围内非换相相电流积分相等为目标，将换相点前后的非换相相电流30°范围的积分差值当作反馈量，通过PI调节来校正换相信号的相位，并在两者的基础上提出了一种校正无位置换相信号误差的闭环校正方法，通过仿真验证该校正方法的有效性。 然后，通过比较BLDCM两两导通的常用的五种PWM调制方式的分析，得到使BLDCM换相转矩脉动最小的PWM调制方式。在系统的换相区转矩脉动抑制的方面，针对电机换相区间开通时期的上升电流的速度和关断时期的下降电流的速度不一致的问题，提出了在功率变换器的主电路的直流侧增加基于SEPIC变换器的新型电压切换电路，通过对其控制方法的分析，当进入换相区时使直流母线供电电压等于四倍的电机反电势，通过仿真验证了抑制换相区转矩脉动的有效性。 最后，设计了基于FPGA的BLDCM控制系统，包括硬件电路和软件控制模块的设计，搭建实验平台并进行调试。实验所得结果证明了以FPGA作为控制器的控制系统的可行性和有效性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景与研究

1．2BLDCM的发展概况

1．3无位置传感器技术控制研究现状

1．3．1无位置传感器转子位置检测方法研究现状

1．3．2无位置传感器控制下的起动方法研究现状

1．4国内外关于BLDCM转矩脉动抑制的研究现状

1．5本课题主要研究内容

第2章BLDCM工作原理及无位置传感器控制

2．1．1BLDCM系统结构

2．2．2BLDCM工作的基本原理

2．2BLDCM的数学模型

2．3．1无位置传感器的起动原理

2．3．2基于端电压检测的无位置传感器工作原理

2．3．3无位置传感器调速系统的仿真模型

2．3．4仿真结果分析

2．4本章小结

第3章无位置传感器精确换相控制

3．1转子位置辨识误差对电磁转矩的影响

3．2影响换相精度因素的分析

3．2．1滤波电路的影响

3．2．2其他引起转子位置检测误差的因素

3．3基于端电压的精确换相控制系统

3．3．1滤波电路产生的换相位置误差补偿的方法

3．3．2转子位置检测误差引起的相电流波形变化

3．3．3换相误差校正方法

3．3．4无位置传感器换相闭环校正策略

3．4仿真分析及研究

3．5本章小结

第4章BLDCM转矩脉动抑制策略

4．1产生BLDCM的转矩脉动的因素

4．2．1不同PWM调制策略的介绍

4．2．2对于换相过程不同调制方式分析

4．2．3调制方法的选择

4．3一种新型的抑制换相转矩脉动方法

4．3．1换相转矩脉动的产生和抑制原理

4．3．2基于SEPIC变换器的新型电压切换电路拓扑结构原理

4．3．3换相转矩脉动抑制策略的实现

4．3．4仿真验证

4．4本章小结

第5章基于FPGA的控制系统实现

5．1硬件整体控制系统结构

5．2控制电路组成与设计

5．2．1微处理器EP3C16Q240简介

5．2．2 FPGA的最小系统

5．3功率驱动和检测电路

5．3．1智能功率模块IPM

5．3．2光耦隔离模块

5．3．3电流检测模块

5．3．4端电压检测模块

5．3．5基于SEPIC变换器的新型电压切换电路

5．4软件功能控制模块设计

5．4．1时钟模块

5．4．2PI调节模块

5．4．3 PWM生成模块

5．4．4换相模块

5．4．5转速计算模块

5．4．6控制电压切换电路模块

5．5实验结果分析

5．6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文和取得的科研成果

致谢