BLDCM无位置传感器起动控制方法研究

发布时间：2017-08-06 16:05

  本文关键词：BLDCM无位置传感器起动控制方法研究

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【摘要】：随着时代的变化,交流电机逐渐取代了直流电机,主要原因在于直流电机的电刷与换向器限制了它的发展,交流电机可分为异步电机和同步电机两大类,根据感应电动势的不同,同步电机又可分为直流无刷电机(Brushless DC Motor,以下可简称BLDCM)和永磁同步电机,前者的感应电动势波形为梯形波,后者的感应电动势波形为正弦波。由于BLDCM不仅具有结构简单、重量轻的特点,还有运行可靠、效率高等优点,在一些重要领域得到了广泛的发展,如航空航天、医疗设备、家用电器、电动车和机器人等。因此完善无刷直流电机各方面性能以及优化控制方法是现在国内外学者所研究的重点。在有位置传感器控制系统中,通过霍尔传感器的三个输出信号指导电机换相,但由于其应用条件受到限制,无位置传感器控制方法应用越来越广泛。无位置传感器控制系统中,检测准确的转子位置信号是实现电机正确换相和正常运行的关键,可通过反电势过零点的方法来检测转子的位置,本文采用检测各相端电压的方法来获得反电势,当反电势过零点时再延迟30°电角度就可得到电机换相点。目前基于反电势的无位置传感器控制方法在不断的完善,尽管如此,电机的起动问题一直是BLDCM领域的研究热点与难点。本文采用在三段式起动方法的基础上构建一个外同步开环起动装置,主要是由120°的触发器模块、时钟计时器和切换装置组成,通过仿真实验表明该起动方法能够很好的实现电机起动。本课题主要工作内容如下：首先,分析BLDCM的本体结构及其工作原理,同时也分析有位置和无位置传感器的控制方法及其优缺点,给出了BLDCM两两导通和三三导通模式下的工作过程,同时在分析BLDCM数学模型的基础上给出了转子位置检测的算法,并且将相关的数学模型转换成状态方程的形式,便于对BLDCM无位置传感器起动控制系统进行建模与仿真。然后,分析了基于反电势法的无位置传感器控制的起动方法,介绍了几种常见的起动方法并分析了它们各自具有的优缺点,重点分析了三段式起动方法的三个阶段,根据理论推导在传统的三段式起动法上进行了一定的改进,加速阶段通过不断地缩短换相时间来实现,若检测到位置信号,则进行多次重复检测,当检测到足够稳定的反电势过零点信号时,切换过程通过切换模块设定的阈值来实现,如果与设定值保持一致,就可从开环控制切换到闭环控制。最后再根据BLDCM相关的数学模型和状态方程在MATLAB/SIMULINK仿真环境下对无位置传感器起动控制系统进行建模与仿真,仿真结果表明电机各参数的波形符合理论分析,基于反电势的起动控制方法具有一定可行性和有效性,并且能够实现BLDCM的可靠起动。最后,通过DSP TMS320F28335的硬件实验平台对无位置传感器控制系统进行硬件电路设计,同时在CCS3.3软件开发环境下对其进行程序设计,通过硬件电路与软件程序设计相结合对整个控制系统进行参数计算与硬件仿真,最后通过示波器来显示参数的实时变化,对各参数波形进行动态分析,验证了基于反电势的起动方法在DSP实验平台上实现了电机的可靠起动。
【关键词】：无刷直流电机 无位置传感器控制 反电势 三段式起动 MATLAB/SIMULINK DSP TMS320F28335 CCS3.3
【学位授予单位】：安徽工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM33
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 概述12-22
• 1.1 课题背景及意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-18
• 1.2.1 检测转子位置的方法13-15
• 1.2.2 电机起动的方法15-18
• 1.3 国内外研究趋势18-19
• 1.4 本文主要研究内容与章节安排19-21
• 1.5 本章小结21-22
• 第2章 BLDCM本体结构、工作原理以及数学模型22-38
• 2.1 电机本体结构22-25
• 2.1.1 直流电机的结构22-23
• 2.1.2 无刷直流电机的本体结构23-25
• 2.2 无刷直流电机的工作原理25-30
• 2.2.1 无刷直流电机的导通方式26-27
• 2.2.2 转子的位置检测27-30
• 2.2.3 电子开关电路30
• 2.3 BLDCM的数学模型30-36
• 2.3.1 无刷直流电机的机电方程31-32
• 2.3.2 反电势法的数学模型32-35
• 2.3.3 状态空间方程式35-36
• 2.4 变频调速36-37
• 2.5 本章小结37-38
• 第3章 基于反电势法的BLDCM起动方法的仿真研究38-54
• 3.1 基于反电势法BLDCM控制系统38-39
• 3.2 BLDCM的起动方法研究39-43
• 3.2.1 升频升压同步起动过程39-40
• 3.2.2 短时脉冲起动过程40-41
• 3.2.3 三段式起动法的具体过程41-43
• 3.2.4 传统三段式起动存在的一些问题43
• 3.3 基于三段式起动法的改进43-48
• 3.3.1 改进起动法的理论推导43-46
• 3.3.2 改进起动法的实现过程46-47
• 3.3.3 改进起动法的控制原理框图47-48
• 3.4 电机起动控制系统仿真48-50
• 3.4.1 BLDCM起动控制系统仿真模型的建立49
• 3.4.2 BLDCM本体模块的构成49-50
• 3.4.3 触发信号与切换模块50
• 3.5 仿真结果分析50-53
• 3.6 本章小结53-54
• 第4章 BLDCM无位置传感器控制系统的硬件设计54-62
• 4.1 TMS320F28335的介绍54-55
• 4.2 控制系统总体方案的设计55
• 4.3 控制系统硬件电路的设计55-61
• 4.3.1 开关主电路55-56
• 4.3.2 驱动电路56-57
• 4.3.3 逆变桥电路57-58
• 4.3.4 反电势法位置检测电路58-60
• 4.3.5 光耦隔离电路60
• 4.3.6 电流检测电路60-61
• 4.4 本章小结61-62
• 第5章 BLDCM无位置传感器控制系统的软件设计62-72
• 5.1 CCS简要介绍62
• 5.2 系统程序的主要模块62-63
• 5.3 系统主程序63-64
• 5.4 系统起动程序64-65
• 5.5 中断处理程序65-67
• 5.6 转子位置检测程序67-68
• 5.7 实验结果与分析68-71
• 5.8 本章小结71-72
• 第6章 总结与展望72-75
• 6.1 总结72-73
• 6.2 展望73-75
• 参考文献75-79
• 攻读学位期间发表的学术论文目录79
• 攻读学位期间取得的科研成果目录79-80
• 致谢80

【参考文献】

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本文编号：630488