无位置BLDC电机控制器及测试系统的设计和实现

发布时间：2017-10-05 10:11

本文关键词：无位置BLDC电机控制器及测试系统的设计和实现

【摘要】：BLDC电机由于其良好的调速性能,控制方法灵活,效率高,起动转矩大,使用寿命长,越来越广泛应用于计算机,军事,汽车,家电等领域。在传统直流无刷电机控制系统中,转子位置信号通常都是采用霍尔传感器或者光电传感器来获取转。既增加了系统的额外成本,又降低了稳定性,并且受位置传感器精度影响。这些问题都限制了BLDC电机的应用范围。近年来围绕着电机无位置传感器控制的控制技术得到了国内外许多学者的关注,也产生了许多相关理论和方法,拓展BLDC电机的应用场合。基于以上背景,本文以直流无刷电机为控制对象,使用转子luenberger观测器理论研究和设计一种无位置传感器的BLDC电机矢量控制系统。同时利用控制器内置的异步通讯模块实现与PC机上下位机的通讯和数据交换工作,设计与实现一种无位置电机矢量控制器及其测试系统,对于电机控制器的应用与推广有着实际的意义。具体内容如下：1)介绍了电机无位置传感器控制技术的发展背景及几种常用的位置估计算法,并建立BLDC电机的数学模型,提出luenberger观测器的应用与直流无刷电机无位置传感器控制技术。2)软件设计与实现,给出了各部分的流程图,包括系统中断,位置估计,开环启动,PID控制器等各部分的详细实现过程。3)硬件设计与实现,本文采样STM32F103芯片作为微控制器搭建控制器的硬件平台,另外还包括电源电路,调速电路,驱动电路,各种保护电路等。4)测试系统上位机的软件与硬件的设计实现。仿真和实验结果表明,本文设计的无位置传感器算法理论正确可行,结构简单,效果好,对实际的电机控制系统具有指导意义。
【关键词】：永磁同步电机 电压空间矢量调制 luenberger观测器 UART通讯
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM33
【目录】：

摘要5-6
ABSTRACT6-11
第一章绪论11-14
1.1 研究工作背景分析11
1.2 国内外发展现状及趋势11-12
1.3 论文的意义12
1.4 本文的主要工作12-13
1.5 论文的章节组织结构13-14
第二章相关背景技术介绍14-27
2.1 永磁同步电机控制系统简介14-15
2.2 正弦波电机的系统控制方案15-16
2.2.1 直接转矩控制技术15-16
2.2.2 矢量控制技术16
2.3 电机无位置传感器控制策略16-19
2.4 BLDC电机的矢量控制19-26
2.4.1 luenberger观测器的设计22-23
2.4.2 luenberger观测器在BLDC电机矢量控制中应用23-26
2.5 本章小结26-27
第三章控制器及其测试系统需求分析27-32
3.1 电机控制器的设计需求分析27-29
3.1.1 电机控制器自检功能需求27-28
3.1.2 电机控制器停机功能需求28
3.1.3 电机控制器启动功能需求28
3.1.4 电机控制器运行功能需求28-29
3.1.5 控制器故障停机功能需求29
3.2 综合测试系统设计需求分析29-31
3.2.1 测试目标的负载设计需求29-30
3.2.2 测试输出信号精度设计要求30
3.2.3 上位机测试系统的功能要求30-31
3.3 本章小结31-32
第四章控制系统的软件仿真32-48
4.1 仿真模型32-33
4.2 电压空间矢量原理33-39
4.3 仿真结果分析39-47
4.3.1 空载调速阶跃39-40
4.3.2 加载启动40-42
4.3.3 抗干扰测试42-45
4.3.4 低速测试45-47
4.4 本章小结47-48
第五章系统硬件设计与实现48-56
5.1 芯片简介48-49
5.2 基于STM32F103RB的BLDC电机矢量控制器的硬件设计49-54
5.2.1 电源电路50-51
5.2.2 电机调速电路51
5.2.3 电流采样电路51-52
5.2.4 驱动电路52-53
5.2.5 过流保护电路53-54
5.2.6 欠压保护电路54
5.3 测试系统上位机接口电路54-55
5.4 本章小结55-56
第六章系统软件设计与实现56-70
6.1 系统程序主状态机56
6.2 主程序介绍56-57
6.3 系统中断介绍57-60
6.3.1 系统定时器中断57-58
6.3.2 ADC-DMA中断58-60
6.4 位置估计60-61
6.5 开环启动61-63
6.6 PID控制算法63-65
6.7 电流滤波算法65-66
6.8 循环控制66-67
6.9 测试系统上位机软件设计与实现67-69
6.10 本章小结69-70
第七章实验结果分析70-80
7.1 实验平台的搭建70-71
7.2 电机启动实验71-72
7.3 稳态运行实验72-74
7.4 调速实验74-76
7.5 干扰实验76
7.6 电流响应实验76-78
7.7 测试系统通讯连接实验78-79
7.8 本章小结79-80
第八章结论和展望80-81
8.1 项目实现现状与成果80
8.2 项目实现特色与技术创新80
8.3 项目设计的不足与展望80-81
致谢81-82
参考文献82-84

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