基于霍尔传感器的车用电机控制系统设计及控制策略研究

摘要

伴随着各国汽车的保有量的不断增长，给全球带了巨大的能源消耗与严重的环境污染，以纯电动车为代表的新能源汽车成为了未来汽车的发展方向。电机控制系统取代了传统动力系统成为了新的动力源，使电机控制系统的研究成为了世界上各国关注的热点。　　相较于常见的旋转变压器，本文采用了霍尔传感器作为电机转子位置的传感器来实现对永磁同步电机的磁场定向控制，可以有效的降低控制系统的成本并在一定程度上兼顾控制性能。本文的主要内容如下：　　（1）介绍了永磁同步电机的坐标变换与三坐标系下的数学建模，分析了空间矢量脉宽调制技术及其实现方法。搭建了磁场定向控制仿真模型，并通过仿真验证了磁场定向控制能够在不同的情形下驱动电机按意图运转。　　（2）根据霍尔传感器的工作原理展开研究，分析基于平均速度与基于平均加速度的两种电机转子位置的估算方法，并在永磁同步电机控制模型的基础上继续搭建估算方法的模型，通过仿真验证了采用霍尔传感器实现磁场定向控制的可行性。　　（3）针对可能出现的霍尔故障，本文提出了一种在一路霍尔元件失效时对霍尔元件的故障类型进行检测并能继续驱动电机运转的容错策略，并通过实验验证了策略的可行性，提高了系统的鲁棒性。　　（4）对基于霍尔传感器的车用电机控制器进行了设计，分别从芯片选型、电路功能与原理图设计进行了详细的介绍，制作出了电机控制器成品，最后以此电机控制器为基础搭建实验平台，验证了本电机控制系统的可用性。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 电动车国内外发展现状

1.3 电机控制系统国内外发展现状

1.3.1 电机控制器的发展现状

1.3.2 电机控制策略国内外发展现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 永磁同步电机控制系统的建模与仿真

2.1 永磁同步电机的结构

2.2 永磁同步电机的坐标变换与数学模型

2.2.1 三相静止坐标系下的数学模型

2.2.2 两相静止坐标系下的数学模型

2.2.3 两相旋转坐标系下的数学模型

2.3 空间矢量脉宽调制技术

2.3.1 空间矢量表示

2.3.2 空间矢量脉宽调制原理

2.3.3 空间矢量脉宽调制合成

2.4 永磁同步电机控制系统建模

2.4.1 永磁同步电机控制系统的整体框图

2.4.2 坐标变换模块建模

2.4.3 空间矢量脉宽调制模块建模

2.5 电机控制系统仿真验证

2.6 本章小结

第3章 基于霍尔传感器的永磁同步电机控制策略

3.1 基于霍尔传感器的电机转子位置和速度估算

3.1.1 电机转子位置和速度估算原理

3.1.2 电机转子位置和速度估算建模

3.1.3 电机转子位置和速度估算仿真

3.2 基于霍尔传感器的电机启动与低速运转方案

3.3 霍尔故障检测与容错运行策略

3.3.1 霍尔故障检测与容错运行整体策略架构

3.3.2 霍尔故障检测策略

3.3.3 电机容错运行策略

3.3.4 霍尔故障检测与容错运行实验验证

3.4 本章小结

第4章 采用霍尔传感器的电机控制器设计及实验验证

4.1 电机控制器的总体架构

4.2 电机控制器控制板的设计

4.2.1 控制芯片及外围电路

4.2.2 电源供电电路

4.2.3 通讯电路

4.2.4 信号输入电路

4.2.5 信号输出电路

4.2.6 隔离电路

4.2.7 控制板成品图

4.3 电机控制器驱动板的设计

4.4 电机控制器功率板设计

4.5 实验验证

4.6 本章小结

结论

参考文献

致谢