无位置传感器无刷直流电机矢量控制系统设计与研究

摘要

无刷直流电机结构简单，运行效率高，调速性能好，广泛应用于军事、工业、民用等领域。无刷直流电机的反电动势波形一般为梯形波。实际应用中，为削弱齿槽转矩，常采用定子斜槽、分数槽，合理设计磁极形状等方法。这种结构的无刷直流电机反电动势波形接近正弦波，相比于传统的120°方波控制，采用正弦波控制时电机转矩更平稳，噪声更小。
　　无刷直流电机正弦波控制的关键是获取准确的转子位置和转速。在高温、高腐蚀性的场合，位置传感器可靠性低。本文研究无位置传感器无刷直流电机的矢量控制技术，针对电机启动、启动到平滑运行的切换、转子位置和转子转速的估算等问题，进行仿真和实验研究。
　　在分析恒压频比启动方法的基础上，为有效防止转子失步和定子绕组过流，采用速度开环-电流闭环的启动方法。提出一种基于电流幅值递减的切换方法，逐渐减小给定角度与实际角度之差，实现最佳切换。电机运行在中高速区，采用滑模观测器估算转子位置和转速，实现对电机的双闭环控制。
　　在理论分析的基础上，设计了无位置传感器无刷直流电机矢量控制系统的硬件和软件。系统硬件电路主要包括电源电路、驱动电路、逆变电路、电流采样电路和调理电路。系统软件主要包括主程序、电机转子位置和转子速度计算子程序、AD采样中断服务子程序、SCI通信中断子程序及定时器中断子程序等。
　　最后，基于搭建的实验平台，对无位置传感器无刷直流电机矢量控制系统进行实验研究。实验结果表明，电机在空载和负载情况下均能可靠运行，验证了方案的可行性。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 无刷直流电机正弦波驱动研究现状

1．2．1 正弦波脉宽调制(SPWM)方法

1．2．2 空间电压矢量调制(SVPWM)方法

1．3 无利直流电机位置检测技术

1．3．1 有位置传感器的位置检测方法

1．3．2 无位置传感器的位置检测方法

1．4 本文主要研究内容

第二章 无刷直流电机运行原理及其数学模型

2．1 引言

2．2 BLDCM的组成及其驱动方式

2．3 无刷直流电机运行原理

2．3．1 方波控制

2．3．2 正弦波控制

2．4 无刷直流电机数学模型

2．5 总结

第三章 矢量控制原理及无位置控制技术研究

3．1 引言

3．2 无刷直流电机矢量控制简介

3．2．1 空间电压矢量脉宽调制分析

3．2．2 SVWPM算法的实现

3．3 有霍尔时转子位置估算策略研究

3．3．1 基于低分辨率位置传感器的位置估算策略

3．3．2 位置估算法的仿真研究

3．4 无位置传感器无刷直流电机启动算法

3．4．1 恒压频比启动

3．4．2 电流闭环启动

3．4．3 状态切换分析

3．5 基于滑模观测器的无刷直流电机矢量控制

3．5．1 滑模变结构简介

3．5．2 改进型滑模算法

3．5．3 滑模观测器的设计

3．5．4 滑模观测器仿真模型的建立

3．6 本章小结

第四章 控制系统设计

4．1 引言

4．2 控制系统硬件设计

4．2．1 控制芯片TMS320F2812介绍

4．2．2 电源转换电路

4．2．3 主功率逆变电路

4．2．4 通信电路

4．2．5 电流检测／调理电路

4．3 控制系统软件设计

4．3．1 主程序模块

4．3．2 PWM中断模块

4．3．3 电流采样模块

4．3．4 滑模算法

4．3．5 通信中断模块

4．3．6 上位机界面

4．4 本章小结

第五章 实验与结果分析

5．1 引言

5．2 控制系统介绍

5．3 系统调试

5．3．1 矢量控制实验分析

5．3．2 采样电路实验分析

5．3．3 滑模观测器位置估算效果

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 课题展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文