电动汽车无刷直流电机控制系统研究

发布时间：2017-09-23 22:08

  本文关键词：电动汽车无刷直流电机控制系统研究

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【摘要】：随着能源危机和环境污染的加剧,新能源汽车逐渐走进人们的视野。新能源汽车种类很多,而电动汽车做为新能源汽车的一种,被广泛使用与发展。由于无刷直流电机(BLDCM)具有调速范围宽、价格低、结构简单、方波驱动易于实现等特点而广泛应用于各种领域。然而,方波驱动BLDCM时,换相电流不能突变,会产生很大的转矩脉动,同时位置传感器的存在会使电机结构复杂化,并且如果传感器精度达不到要求会导致系统运行可靠性降低,这些缺点从很大程度上限制了BLDCM在电动汽车领域的应用。本文主要针对BLDCM驱动控制系统进行了设计与研究。首先,本文比较了BLDCM和永磁同步电机(PMSM)结构上的差异,针对BLDCM在方波驱动方式下转矩脉动大的问题,深入中析了转矩脉动产生的原因,并尝试将适用于PMSM的正弦波驱动方法运用到BLDCM驱动控制系统中,本文采用了基于空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)的矢量控制策略来实现BLDCM的正弦波驱动控制,构建了BLDCM矢量控制系统,通过与方波驱动控制方法进行仿真对比,验证了矢量控制策略能够有效削弱转矩脉动,实现电机的低转矩纹波、小噪音和高效率的运行效果。然后,为了提高BLDCM矢量控制的性能,本文将矢量控制系统中的传统转速PID控制器用模糊PID控制器所单替,通过两种控制器的仿真对比,得出了系统运用转速模糊PID控制器之后抗干扰特性更强,电机相电流波形更加接近理想状态,并且转矩脉动进一步削弱。最后,本文运用反电动势滑模观测器(SMO)来实现BLDCM的无位置传感器控制,并提出了一种改进的控制函数对传统SMO进行了改进。通过与传统SMO进行仿真对比,验证了改进的SMO能够准确地估计BLDCM的反电动势,有效地削弱抖振,无需额外增加低通滤波器,简化了系统结构。另外,本文在硬件设计上采用TI公司的TMS320F28035做为系统的控制核心,同时设计了DSP最小系统、USB转串口电路、CAN通信接口电路、D/A转换电路、驱动电路、逆变电路、采样电路、数字隔离电路、故障指示电路等外围电路。在软件设计上,使用CCS5.1实现了程序的编写与调试,设计了主程序、中断程序、滑模观测器程序和SCI程序等,实现了BLDCM无位置传感器矢量控制。
【关键词】：无刷直流电机 矢量控制 模糊PID 无位置传感器控制 滑模观测器 TMS320F28035
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U469.72
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-23
• 1.1 课题研究背景及意义11-12
• 1.2 电动汽车驱动系统的发展现状12-16
• 1.2.1 电动汽车驱动系统的组成12-14
• 1.2.2 电动汽车驱动系统布置形式的发展现状14-16
• 1.3 电动汽车电机控制技术国内外研究现状16-20
• 1.3.1 无刷直流电机控制策略的发展现状17-18
• 1.3.2 无刷直流电机智能控制技术的发展现状18-19
• 1.3.3 无刷直流电机无位置传感器控制技术的发展现状19-20
• 1.4 本文主要研究内容20-21
• 1.5 本章小结21-23
• 2 无刷直流电机的组成结构与数学模型23-29
• 2.1 无刷直流电机的组成结构及工作原理23-24
• 2.2 无刷直流电机与永磁同步电机的结构比较24-26
• 2.3 无刷直流电机的数学模型26-28
• 2.4 本章小结28-29
• 3 无刷直流电机控制策略的研究29-47
• 3.1 无刷直流电机方波电流驱动控制29-30
• 3.2 无刷直流电机矢量控制30-36
• 3.2.1 矢量控制的坐标变换30-33
• 3.2.2 电压空间矢量脉宽调制技术33-35
• 3.2.3 无刷直流电机矢量控制系统设计35-36
• 3.3 无刷直流电机矢量控制系统的建模与仿真36-46
• 3.3.1 无刷直流电机本体建模36-39
• 3.3.2 SVPWM建模39-43
• 3.3.3 无刷直流电机矢量控制系统的建模43
• 3.3.4 仿真波形中析与对比43-46
• 3.4 本章小结46-47
• 4 无刷直流电机模糊PID控制器47-57
• 4.1 传统PID控制器47-48
• 4.2 模糊PID控制器48-51
• 4.3 基于模糊PID控制器的无刷直流电机矢量控制的建模与仿真51-55
• 4.3.1 转速模糊PID控制器的建模51-52
• 4.3.2 仿真波形中析与对比52-55
• 4.4 本章小结55-57
• 5 无刷直流电机矢量控制系统的无位置传感器控制57-69
• 5.1 滑模变结构原理57-58
• 5.2 改进的滑模观测器58-62
• 5.2.1 改进的控制函数58-59
• 5.2.2 改进的滑模观测器的设计方法59-60
• 5.2.3 滑模增益k值的选取60-61
• 5.2.4 无刷直流电机改进滑模观测器矢量控制系统总体设计61-62
• 5.3 无刷直流电机滑模观测器矢量控制系统的建模与仿真62-66
• 5.3.1 改进滑模观测器的建模62-63
• 5.3.2 基于滑模观测器的无刷直流电机矢量控制系统的建模63
• 5.3.3 仿真波形中析与对比63-66
• 5.4 本章小结66-69
• 6 电动汽车无刷直流电机控制系统总体设计69-83
• 6.1 控制系统的硬件设计69-77
• 6.1.1 DSP最小系统电路71
• 6.1.2 USB转串口电路71-73
• 6.1.3 电源电路73
• 6.1.4 CAN通信接口电路73-74
• 6.1.5 D/A转换电路74
• 6.1.6 驱动电路74-75
• 6.1.7 逆变电路及采样电路75-76
• 6.1.8 数字隔离电路76
• 6.1.9 故障指示电路76-77
• 6.2 控制系统的软件设计77-80
• 6.2.1 主程序设计77-78
• 6.2.2 中断程序设计78-79
• 6.2.3 滑模观测器程序设计79-80
• 6.2.4 SCI程序设计80
• 6.3 本章小结80-83
• 7 实验调试与结果中析83-91
• 7.1 实验平台83-85
• 7.2 电流采样电路实验中析85
• 7.3 PWM实验的调试与中析85-88
• 7.4 滑模观测器实验中析88-89
• 7.5 上位机实验89
• 7.6 本章小结89-91
• 8 总结与展望91-93
• 参考文献93-99
• 作者简历99-101
• 学位论文数据集101

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