无刷直流电机无位置传感器控制策略研究及其代码自动实现

摘要

无刷直流电机采用电子换相机构取代传统直流电机的机械式换相电刷，在保留直流电机良好的调速性能外克服了因机械式换相器导致的寿命短和不易维护等缺陷。此外，因为采用永磁体转子，无刷直流电机又具有体积小、重量情和功率密度高等优点，正在越来越多的领域中得到应用。进一步拓展无刷直流电机的应用范围需要采用无位置传感器控制技术克服外置式位置传感器的各种弊端，因此近三十年来，无位置传感器控制技术一直是无刷直流电机的研究热点。 本文结合无刷直流电机的研究历史与现状，概括了无刷直流电机无位置传感器控制技术的现有水平。针对基于虚拟中性点电位的无位置传感器控制策略从理论和实践两个方面进行了较为详尽的探讨。 (1)本文首先对120°电角度导通PWM调制控制方式下电流续流过程对逆变器输出端电压的影响进行深入的理论分析，在此基础上利用仿真工具MATLAB/Simulink开发了无刷直流电机数值仿真平台，并通过对比仿真结果与实验波形验证了数值仿真平台的准确性和可靠性。为进一步研究无位置传感器控制策略及其代码自动实现打下基础。 (2)深入分析了120°电角度导通PWM调制控制方式下，如何通过并联于电机定子星型绕组的一个星型电阻网络中性点(虚拟中性点)相对逆变器直流侧中点的电压信号(虚拟中性点信号)来提取换相信息；对换相过程和PWM调制对虚拟中性点信号的影响作了较为深入的理论分析和推导，并通过数值仿真和实验运行验证了理论分析结果。 (3)详细介绍了如何利用MATLAB/RTW实时代码工作空间将控制器的Simulink仿真模型自动实现为针对英飞凌XC164CS微控制器的嵌入式系统C代码并编译下载，并将其成功应用到无刷直流电机无位置传感器闭环控制系统的开发中。通过开发XC164CS微控制器外设驱动模块库，解决了RTW对英飞凌16位微控制器．XC164CS支持不足的问题。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2无刷直流电机的结构概述

1.3无刷直流电机的应用现状

1.4无刷直流电机的研究现状

1.5课题背景

1.6论文主要研究内容

第2章无刷直流电机的数学模型及其仿真平台的开发

2.1无刷直流电机运行原理

2.2无刷直流电机的调速方法

2.3无刷直流电机的数学模型

2.3.1永磁电机本体数学模型的推导

2.3.2 PWM调制方式的分类

2.3.3 H_on-L_pwm调制方式下电压源逆变器数学模型的推导

2.4基于MATLAB／Simulink的无刷直流电机仿真平台的开发

2.4.1引言

2.4.2 MATLAB/Simulink仿真工具简介

2.4.3 Simulink系统函数(S函数)简介

2.4.4基于MATLAB/Simulink的无刷直流电机仿真平台

2.4.5无刷直流电机本体的仿真模型

2.4.6换相控制系统仿真模型

2.4.7基于多变量开关函数的逆变器仿真模型

2.5数值仿真平台的运行结果

2.6本章小结

第3章基于虚拟中性点电位的无位置传感器无刷直流电机控制策略研究

3.1概述

3.2基于虚拟中性点电位的转子位置检测技术的理论分析

3.3基于虚拟中性点电位的无位置传感器控制策略中的几个关键问题研究

3.3.1无位置传感器换相信号检测调理电路的设计

3.3.2换相信号检测调理电路的误差分析及对无刷直流电机效率和电磁转矩的影响

3.3.3无刷直流电机的它控起动

3.4数值仿真结果

3.5实验结果

3.6本章小结

第4章基于XC164CS微控制器及MATLAB／RTW工具的无位置传感器闭环控制策略代码自动实现

4.1引言

4.2嵌入式系统控制策略代码自动实现的原理

4.3自动生成代码的架构

4.4高性能16位微控制器XC164CS简介

4.5 XC164微控制器外围设备底层驱动模块的开发

4.5.1引论

4.5.2底层设备模块的开发原理

4.5.3模拟/数字转换器(A/D Conversion Unit)模块的开发

4.6无刷直流电机无位置传感器转速—电流双闭环控制策略

4.6.1引论

4.6.2电流测量

4.6.3转速测量

4.7无位置传感器转速—电流双闭环控制策略的代码自动实现

4.7.1搭建闭环控制策略的Simulink模型

4.7.2设置控制系统的采样频率

4.7.3配置算法接口变量的数据属性

4.7.4配置RTW选项

4.7.5修改Tasking编译器引导文件

4.7.6代码优化

4.8实验结果

4.8.1底层设备驱动模块有效性的验证

4.8.2由算法仿真模型自动生成的代码有效性的验证

4.8.3代码自动实现的转速—电流双闭环控制策略运行结果

4.9本章小结

第5章无刷直流电机无位置传感器调速系统硬件设计

5.1控制系统整体硬件结构简介

5.2逆变器集成三相功率驱动芯片TLE6280GP关键问题分析

5.2.1 TLE6280GP的主要功能介绍

5.2.2上桥臂功率开关自举驱动原理

5.2.3 TLE6280GP的驱动原理

5.2.4自举电容参数选择

5.2.5自举驱动方式在逆变器两两导通控制方式下的应用问题

5.3逆变器散热设计

5.3.1功率半导体器件散热设计的原理

5.3.2功率MOSFET的散热设计

5.3.3逆变器控制电路稳压器的散热设计

5.4本章小结

第6章总结与展望

致谢

参考文献

附录 部分软件源代码及硬件电路原理图

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果