直流无刷电机无位置传感器控制系统的设计与实现

发布时间：2017-09-30 13:27

  本文关键词：直流无刷电机无位置传感器控制系统的设计与实现

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【摘要】：近年来,直流无刷电机(Brushless Direct Current Motor, BLDCM)因其节能、噪音小、结构紧凑、寿命长等特点在电机应用领域得到广泛应用。但在很多电机应用领域中,大多采用有位置传感器的直流无刷电机或有刷电机。有位置传感器无刷电机因位置传感器提高了应用成本,增加了电机故障率；而有刷电机需要定期维护,运行过程中存在很大电磁干扰,且效率较低。因此,使用无位置传感器直流无刷电机,对提高电机应用的效率、寿命和降低应用成本方面具有重要意义。基于此,本文主要设计实现了一个直流无刷电机无位置传感器控制系统。该控制系统基于STM32F051平台,并在传统的反电势过零法基础上做了两处改进：为了保证启动可靠,优化实现了一种“定位-二次加速”启动方法,此方法不需要设计复杂的加速曲线,对负载变化适应性强；为了实现高速运行,去掉滤波电容,使用九电阻法进行过零点检测,避免了高速运行时过零点相移对换向的影响。经过对本系统的分析和测试表明,本文设计的控制器启动过程平稳可靠,对磁极数大于4对的电机,观察不到抖动现象；支持的最高电气转速可达到210,000 rpm；具有恒速和恒流的控制功能；工作电压范围为9V-24 V,峰值电流20 A；具有过流及过温保护等功能：并已通过了2000小时的老化测试。本文设计的控制系统可直接满足手持吸尘器电机应用,并对航模、船模、风机、风扇等应用都有一定的实用价值。
【关键词】：直流无刷电机 无位置传感器控制 反电势法 启动方法 高速 STM32F051
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM33;TP273
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 课题背景与意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-12
• 1.2.1 无位置传感器控制方法10-11
• 1.2.2 转子初始位置检测方法和启动方法11-12
• 1.3 研究内容与设计指标12-13
• 1.3.1 主要内容12-13
• 1.3.2 设计要求和指标13
• 1.4 论文结构13-15
• 第二章 BLDCM控制系统的基本原理15-31
• 2.1 直流无刷电机的基本结构15-17
• 2.1.1 电机本体的结构15-16
• 2.1.2 转子位置辨识模块16-17
• 2.1.3 电子换向模块17
• 2.2 直流无刷电机的运行原理17-21
• 2.2.1 直流无刷电机的控制结构17-18
• 2.2.2 直流无刷电机的运行原理18-21
• 2.3 直流无刷电机的数学模型21-24
• 2.3.1 稳态数学模型22-23
• 2.3.2 动态数学模型23-24
• 2.4 直流无刷电机的PWM调速原理24-27
• 2.4.1 PWM调速原理24-25
• 2.4.2 常见PWM调制方式25-27
• 2.5 无位置传感器控制方案分析27-29
• 2.5.1 手持吸尘器类电机的应用特点分析27
• 2.5.2 常用无位置传感器控制方法分析27-29
• 2.6 本章小结29-31
• 第三章 基于反电势过零法的BLDCM控制系统的设计31-49
• 3.1 反电势法的控制原理31-35
• 3.1.1 反电势法基本控制原理31-32
• 3.1.2 启动方法分析和选择32-33
• 3.1.3 转子位置检测方法分析和选择33-35
• 3.2 基于反电势过零法的启动方案35-38
• 3.2.1 三段式启动算法35-36
• 3.2.2 基于三段式启动算法的改进36-38
• 3.3 基于反电势过零法的转子位置检测方案38-44
• 3.3.1 转子位置检测电路的工作原理38-39
• 3.3.2 九电阻法转子位置检测方案39-40
• 3.3.3 九电阻法的转子位置信号的特点40-42
• 3.3.4 九电阻法的转子位置信号检测时机选择42-44
• 3.4 转子位置检测的抗干扰方案44-48
• 3.4.1 比较器模块方案44-45
• 3.4.2 逆变模块的方案45-46
• 3.4.3 驱动模块的方案46-48
• 3.5 本章小结48-49
• 第四章 基于STM32F051的BLDCM控制系统的软硬件实现49-65
• 4.1 BLDCM控制系统的整体结构49-50
• 4.1.1 系统整体硬件结构49-50
• 4.1.2 系统整体工作流程50
• 4.2 BLDCM控制系统的硬件实现50-56
• 4.2.1 STM32F051主控芯片51
• 4.2.2 位置检测模块的实现51-52
• 4.2.3 驱动、逆变模块的实现52-54
• 4.2.4 电压及电流检测模块的实现54-55
• 4.2.5 电源模块的实现55-56
• 4.3 BLDCM控制系统的PCB实现56-57
• 4.4 BLDCM控制系统的软件实现57-64
• 4.4.1 启动算法的实现57-59
• 4.4.2 过零检测方法的实现59-61
• 4.4.3 转速闭环控制的实现61-62
• 4.4.4 电流闭环控制的实现62-63
• 4.4.5 算法中的重要参数及确定依据63-64
• 4.5 本章小结64-65
• 第五章 系统的调试与测试65-77
• 5.1 系统调试65-66
• 5.1.1 硬件调试65-66
• 5.1.2 软件调试66
• 5.2 系统测试及结果分析66-75
• 5.2.1 电机启动测试66-69
• 5.2.2 最大转速测试69-70
• 5.2.3 恒电流、恒转速测试70-71
• 5.2.4 工作电压范围及相关保护功能测试71-72
• 5.2.5 电机运行效率分析72-74
• 5.2.6 测试总结74-75
• 5.3 本章小结75-77
• 第六章 总结与展望77-79
• 6.1 总结77
• 6.2 展望77-79
• 参考文献79-83
• 致谢83-85
• 研究生期间发表的论文及成果85-87
• 附录87-89

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本文编号：948472