基于霍尔传感器的无刷直流电机矢量控制系统设计与研究

摘要

无刷直流电机(Brushless DC Motor，BLDCM)是一种随着新型永磁材料、电力电子技术等技术的广泛应用而迅速发展的新型永磁电机。BLDCM结合了直流与交流电机的优点，结构简单、效率高且具有良好的调速性能，因而在家电、汽车和航空航天等领域获得了广泛应用。
　　由于成本要求，传统的无刷直流电机控制系统多以三相霍尔元件作为位置传感器，并采用与离散位置信号对应的六状态方波控制方法。这种控制方法虽简单易行，但要求电机的反电动势为标准梯形波。而实际上，由于制造上的原因，电机反电动势平顶部分往往很难达到120°电角度，同时，为减小电机齿槽转矩，电机本体设计中经常采用斜极、斜槽等方法。这些都使得无刷直流电机的反电动势波形更接近正弦。对于这种准正弦波无刷直流电机，采用方波控制方法会引起较大的电流和转矩脉动。针对这种问题，本文提出了基于霍尔传感器的正弦波无刷直流电机的矢量控制方法以改善电机的控制性能。
　　论文首先推导正弦波无刷直流电机的数学模型，一次为基础建立其矢量控制系统，并详细阐述该系统中基于霍尔位置传感器的转子位置估测方法，具体分析霍尔安装偏差与霍尔元件输出特性等对估测精度的影响，提出提高估测精度的改进方法。
　　其次，针对该电机控制系统，构建基于dsPIC30F4011的无刷直流电机控制系统实验平台，完成相应的软硬件设计。实验平台的软件系统包括单片机矢量控制程序设计和上位机程序的编写。硬件系统包括电机驱动功率电路、单片机外围电路、信号采集与调理电路和串口通信电路等。为了给控制系统的弱电电路供电，本文将设计基于TOP222Y的两路输出开关电源，并完成高频变压器的设计和制作。同时，为提高系统的输入功率因数，本文将设计基于IR1155的Boost型PFC作为控制系统的前级电路。
　　最后，基于设计的实验平台对无刷直流电机矢量控制系统进行实验研究。实验包括电机的静态和动态性能测试以及PFC性能测试。实验结果表明，采用矢量控制方法的无刷直流电机控制系统具有较好的稳态与动态性能，从而证明本文所设计系统的正确性和有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 课题的研究背景及意义

1．3 无刷直流电机正弦化控制技术研究现状

1．3 论文的内容与结构安排

第2章 无刷直流电机的数学模型及其矢量控制方法

2．1 引言

2．2 无刷直流电机的数学模型

2．3 矢量控制理论

2．3．1 矢量控制的基本思想

2．3．2 矢量控制中的坐标变换

2．3．3 矢量控制的常用策略

2．4 电压空间矢量脉宽调制原理

2．5 无刷直流电机的矢量控制系统

2．6 本章小结

第3章 基于低精度位置传感器的转子位置估测方法

3．1 引言

3．2 霍尔位置传感器及其安装

3．3 基于霍尔位置传感器的转子位置估测方法

3．3．1 基于霍尔扇区平均角速度的转子位置估测方法

3．3．2 考虑角加速度的转子位置估计方法

3．4 转子位置估测方法的改进

3．4．1 考虑角加速度的转子位置估测改进方法

3．4．2 转子位置估测的增量式方法

3．4．3 换相时转子位置角平滑校正方法

3．4．4 霍尔扇区边界的校正

3．5 错误位置信号的鉴别和基于单开关霍尔位置传感方法

3．5．1 错误位置信号的鉴别

3．5．2 基于单开关霍尔位置传感方法

3．6 本章小结

第4章 基于dsPIC单片机的电机控制系统设计

4．1 引言

4．2 控制系统硬件设计

4．2．1 dsPIC30F4011单片机介绍

4．2．2 逆变电路设计

4．2．3 信号采集与调理电路设计

4．2．4 串口通信电路设计

4．3 前级功率因数校正电路设计

4．3．1 功率因数校正的基本慨念

4．3．2 功率因数矫正的实现方法

4．3．3 基于IR1155的有源PFC设计

4．4 开关电源设计

4．4．1 反激式开关电源的工作原理

4．4．2 TOP222Y芯片简介

4．4．3 反激变压器的设计

4．4．4 开关电源反馈电路设计

4．5 控制系统软件设计

4．5．1 主程序设计

4．5．2 电平变化中断子程序

4．5．3 PWM中断子程序

4．5．4 AD中断子程序

4．5．5 SVPWM的软件实现

4．5．6 上位机通信程序

4．6 本章小结

第5章 实验调试与分析

5．1 引言

5．2 稳态性能测试

5．3 动态性能测试

5．4 PFC性能测试

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间的研究成果