新型无位置传感器无刷直流电机优化控制系统研究

摘要

无刷直流电机凭借其简单可靠、高效节能的优越性能，被广泛地应用于各个领域。而针对电机位置传感器使用的弊端，无位置传感器控制方式逐渐成为了一个很重要的研究方向。基于这种情况，本文从无刷直流电机的工作原理和数学模型入手，重点研究了无位置传感器的优化控制策略，并设计了系统实物来对其进行测试验证。
　　首先，针对反电势过零检测算法相位滞后和调速范围窄的问题，提出了一种新型的位置信号检测和相位补偿算法。该方法以FPGA中丰富的硬件资源为基础，利用数字信号处理领域中的CORDIC和FIPS理论，实现了电机全速范围内的相位补偿，提高了位置信号的检测精度和测量范围。
　　其次，本文还详细介绍了“三段式”同步起动算法的工作过程，通过对加速起动运行特性的分析，提出了一种以恒加速起动为设计原则，在线迭代递推计算换相时间的控制方案。同时，为了减小定子电阻压降和负载扰动的影响，将该方法与闭环反馈调节方式相结合，进一步地改善了起动过程的转矩控制效果，抑制了转速在起动过程中不规则的变化。
　　最后，完成了直流无刷电机驱动器硬件电路设计。采用硬件模块化设计方法，在Altera公司的CycloneII系列FPGA上，利用VHDL硬件描述语言，编写了电机驱动系统的的各部分模块程序，主要包括A/D转换接口模块、中值平均滤波模块、开环起动模块、反电势过零检测模块、人机交互接口模块、转速锁相环调节模块、电流PI调节模块以及PWM调制模块等几大部分。实验结果表明，本文开发研制的无位置传感器无刷直流电机控制策略具有优良的控制性能，系统的可靠性高，便于集成到专用的电机驱动芯片中，具有一定的实用价值。

目录

第1章 绪 论

1.1课题背景及研究意义

1.2无位置传感器无刷直流电机驱动技术研究现状及分析

1.3本课题主要研究内容

第2章 无刷直流电机工作原理及位置检测方法

2.1无刷直流电机的组成

2.2无刷直流电机的工作原理

2.3无刷直流电机的数学模型

2.4无位置传感器转子位置检测方法

2.5本章小结

第3章 无位置传感器无刷直流电机优化控制策略

3.1反电势过零检测算法误差原因分析及校正

3.2反电势过零检测相位补偿算法

3.3起动控制策略

3.4 基于锁相环的转速控制原理

3.5本章小结

第4章 驱动系统的硬件设计

4.1驱动系统总体设计方案

4.2功率驱动电路设计

4.3电压电流调理电路设计

4.4 FPGA主控电路设计

4.5电源电路的设计

4.6硬件电路抗干扰设计

4.7本章小结

第5章 驱动系统的软件设计

5.1 FPGA内部逻辑总体结构

5.2 A/D模数转换接口模块

5.3中值平均滤波模块

5.4反电势过零检测模块

5.5锁相环转速调节模块

5.6电流PI调节模块

5.7 PWM调制模块

5.8开环起动模块

5.9本章小结

第6章 实验结果及分析

6.1系统实验平台

6.2系统实验波形

6.3驱动器性能分析

6.4本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及所取得成果

声明

致谢