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无刷直流电机双闭环串级控制系统仿真.doc
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无刷直流电机双闭环串级控制系统仿真.doc
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I
摘要
无刷直流电机利用电子换相代替机械换相,不但具有直流电动机的调速性能,
而且体积小、效率高,在许多领域已得到了广泛的应用,特别是电动车用直流电
机的应用上。采用无位置传感器控制技术之后,不但可以降低电机的制造成本,
而且使得无刷直流电机的使用寿命以及维修简便性都有了大大提高。目前,无刷
直流电机无位置传感器控制已成为无刷直流电机控制技术的发展方向。
本文纵观了无刷直流电动机及其控制技术的兴起、发展与现状,概括了无刷
直流电动机无位置传感器控制技术的现有水平及存在的问题。以研制、开发电动
车用无刷直流电机无位置传感器控制器为依托,针对其无位置传感器控制技术中
的两个关键问题——转子位置信息检测和零起动问题,提出并设计了新的更适用
的转子位置信息检测硬件检测电路和零起动硬件电路。从理论和实践两个方面对
这些问题展开了较为全面的研究和讨论。
(1)针对传统无位置传感器控制策略计算量大、可靠性不高、30°软件延时
等缺点,基于无刷直流电机反电势过零检测的原理,分析了三相端电压与中性点
的关系,提出了一种可完全替换3相霍尔位置传感器的硬件设计方案,实现了无
刷直流电机的无传感器运行。
(2)利用硬件RC滤波电路对检测到的反电势过零点时刻进行30°电角度延
时,针对由于电机的速度变化会使得30°电角度延时的不准确,从而导致逆变器
换相不准确,引起电机的失步的问题,提出了在硬件电路中设计相位自补偿电路
的想法,克服了以往传统方法相位补偿不准确的问题,提高了系统的稳定性和可
靠性。
(3)对已有的各种电机零起动方案利弊进行分析,结合实际应用的需要,
综合成本、实现难易程度等各方面因素的考虑,本课题提出了新的“三段式”零
起动方案,并设计零起动硬件电路。对各个阶段中的一些关键问题——转子预定
位过程中 PWM 控制输出的频率选择、电机旋转方向的选择和电机由抖动转向自
控运行状态等问题进行了详细的分析,确定了具体的实施方案。
(4)推导并分析了无刷直流电机的动态数学模型及其控制特性,基于
II
Matlab/Simulink 建立了 BLDCM(Brushless Direct Current Motor)控制系统的模块
化仿真模型,并对该模型进行了转速、电流双闭环串级控制系统的仿真。仿真结
果表明:波形能较为理想的反映电机的动静态特性分析。
本文设计了以美国 Cypress 公司的 PSoC
TM
为控制芯片的无刷直流电机无位
置传感器控制系统,搭建了样机平台进行实验验证,实验证明:本控制系统具有
结构简单,适应性强等优点。
关键词:无刷直流电机,无传感器控制,转子位置信息检测,零起动
III
ABSTRACT
Brushless DC motor with permanent magnet excitation, in which electrical
commutator is used instead of mechanical , has the same good characteristics of speed
control as traditional DC motor. Brushless DC motors have found wide application
due to their high power density and ease of control. Moreover, the machines have
high efficiency over wide speed range. Using sensorless control not only reduce the
manufacturing cost of the motor, but also extend the life of the motor. At present,
sensorless control has become a development trend of control technique for brushless
DC motors.
This dissertation makes a comprehensive view of the rising, development and
present situation of control technique for brushless DC motor, and summarizes the
present level and shortages of sensorless control technique. Depending on the research
and development of sensorless controller used in electric bicycle concentrate on the
two key point——rotor position detection, starting method
,
this dissertation
researches and discusses the following problems in theory and practice:
(1) Based on the principle of back electromotive force(EMF) zero-crossing
testing in brushless dc motor(BLDCM), and analyzed the relationship between the
three-phase voltage and neutral voltage. Put forward a kind of hardware design which
can completely replace hall position sensor in order to overcome the shortcomings of
traditional sensorless control strategies, such as large amount of calculation, low
reliability, and 30° software delays.
(2) When using the RC filter circuit the detected back EMF zero crossing point
for 30 ° electrical degrees dela
y.
A phase compensation circuit was designed to
overcome the problems that the phase compensation is not accurate and the system
can not efficiently run because of the changes in motor speed.
(3) integrate the cost, the needs of practical application and other factors to
consider, propose a new "three-stage" starting programs, and hardware circuit of
IV
zero-start was designed. Conducted a detailed analysis on some key issuses such as
frequency of the PWM control output for the rotor pre-position, the direction of motor
rotation and the controlled synchronous switching of the motor.
(4) The dynamic model of brushless DC motor is investigated, and the modular
simulation model depend on the Matlab/Simulink was established, and simulated with
Double-loop cascade control. The simulation waveform shows that the system has
good dynamic and static characteristics.
This desertation gives a design of motor control system based on PSoC
TM
manufactured by Cypress in US, and built a prototype platform. The experimental
result proved that this BLDCM control system have broad prospects for application
with its simplicity and suitability.
KEY WORDS: Brushless DC motor, sensorless control, rotor position detection,
zero starting
V
目 录
摘 要 ..........................................................................................................................I
ABSTRACT.................................................................................................................III
目 录.........................................................................................................................V
第一章 绪论................................................................................................................1
1.1 课题背景和意义..............................................................................................1
1.2 电动车用直流电机研究的发展历程与现状现状..........................................2
1.2.1 无刷直流电机技术的发展.....................................................................2
1.2.2 无传感器技术研究的发展历程............................................................3
1.2.3 无传感器技术的研究现状..............................................................................5
1.3 本文研究的主要内容......................................................................................8
第二章 无刷直流电机工作原理及建模仿真............................................................9
2.1 无刷直流电机的组成结构及控制原理..........................................................9
2.1.1 无刷直流电机控制系统的组织结构............................................................9
2.1.2 无刷直流电机的控制原理..............................................................................9
2.2 无刷直流电机特性分析................................................................................12
2.2.1 无刷直流电机等效电路......................................................................12
2.2.2 无刷直流电机基本方程......................................................................13
2.2.3 无刷直流电机稳态分析......................................................................15
2.2.4 无刷直流电机动态分析 ................................................................................17
2.3 无刷直流电机双闭环串级控制系统仿真....................................................20
2.3.1 BLDCM 本体模块 ................................................................................21
2.3.2 参考电流模块......................................................................................23
2.3.3 电流滞环控制模块..............................................................................24
2.3.4 速度控制模块......................................................................................25
2.3.5 三相电压逆变模块..............................................................................25
2.3.6 转矩计算模块......................................................................................26
2.3.7 仿真结果及仿真结果分析 ...........................................................................27
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