无传感器无刷直流电动机控制系统的研究与实现

摘要

无刷直流电动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,在许多领域获得广泛应用。传统的无刷直流电动机大多以霍尔传感元件为位置传感器,但由于在某些场合无法安置霍尔传感器,且霍尔传感器连线众多,降低了可靠性,促使人们对无位置传感器无刷直流电动机展开了研究。本文侧重于微处理器(MCU技术在无位置传感器无刷直流电机(BLDCM)控制系统中的具体应用,通过对系统设计过程中存在的主要问题进行分析与研究,给出了相应的解决方法。主要研究内容包括:
　　 (1)无位置传感器无刷直流电机的起动是无位置传感器无刷直流电机控制中的难点。传统的“三段式起动”法由于在起动时不能准确换相,在实际应用中不能让人满意。针对这个问题,本文研究了小功率无位置传感器无刷直流电机的起动方法。由于电机在起动过程中实现了准闭环起动,所以电机起动时不受负载变化、电机变化和外界扰动的影响。
　　 (2)针对传统的反电动势过零点检测方法存在的不足,提出了一种新的反电动势过零点检测方法。软、硬件相结合的过零点检测原理较好的实现了对反电动势波中PWM斩波的滤除。
　　 (3)设计了速度、位置检测的双闭环调速系统。利用相邻过零点之间间隔时间来计算电机转速,解决了电机转速的测量问题。将普通PID控制算法、积分分离PID控制算法和单神经元PID控制算法进行了比较,通过仿真试验对上述算法进行了对比。
　　 (4)为了实现电机的准确换相,考虑到电机绕组的电感效应,本文中的无位置传感器无刷直流电机的换相时间并不是传统上的反电动势过零点后延时300电角度,而是加入了提前角修正。
　　 (5)通过实测电机起动波形、对比反电动势波形与比较器输出波形验证了系统设计的合理性和运行的正确性。通过实测电机转速数据说明了电机调速系统的性能满足设计要求。
　　 论文最后分析了此次设计中存在的问题和不足,为后续的研究工作指明了方向。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 无刷直流电动机的发展历史及现状

1.2 无刷直流电动机的无位置传感器控制方法概述

1.3 无刷直流电动机调速系统的研究动向

1.4 本课题的主要任务及论文的内容安排

1.4.1 本课题的主要任务

1.4.2 论文的内容安排

第二章 无刷直流电动机系统的原理

2.1 无刷直流电动机的结构

2.2 无刷直流电动机的工作原理

2.3 无刷直流电动机的数学模型

2.4 三相无刷直流电动机星形连接全桥驱动原理

2.5 本章小结

第三章 无传感器无刷直流电动机控制系统关键技术研究

3.1 无位置传感器无刷直流电动机的起动

3.1.1 常规三段式起动技术

3.1.2 检测电感变化的转子定位技术原理

3.1.3 小功率无位置传感器无刷直流电动机的起动方法

3.2 无刷直流电动机无位置传感器控制中磁极位置的检测方法

3.2.1 常用的反电动势过零点检测方法的分析及问题

3.2.2 一种有效的反电动势过零点检测方法

3.3 无传感器无刷直流电动机调速控制方法研究

3.3.1 闭环调速方案设计

3.3.2 闭环调速系统中PID控制器的研究

3.4 本章小结

第四章 无传感器无刷直流电机控制系统的硬件设计及实现

4.1 控制系统总体硬件结构

4.2 C8051F310单片机概述

4.3 功率逆变器及其驱动电路设计

4.3.1 功率MOSFET特点及选型

4.3.2 功率MOSFET驱动电路设计

4.5 反电动势检测电路设计

4.6 电源模块

4.8 无传感器无刷直流电机控制系统的硬件实现

4.9 本章小结

第五章 系统软件设计及实现

5.1 软件整体设计综述

5.2 主程序设计

5.3 功能服务子程序设计

5.3.1 电机起动服务子程序

5.3.2 同步运行阶段的闭环调速控制

5.3.3 过流欠压高温保护服务子程序

5.4 中断服务子程序

5.4.1 C8051F310中断系统

5.4.2 定时器中断服务子程序

5.5 通信卡和BLDC控制系统的通信设计

5.5.1 帧格式定义

5.5.2 通信卡设置参数

5.6 本章小结

第六章 实验与结论

6.1 试验条件说明

6.2 试验波形与结果分析

6.2.1 无传感器无刷直流电动机起动试验情况

6.2.2 PWM斩波对反电动势波的干扰以及解决情况

6.2.3 调速性能测试

6.3 本章小结

第七章 全文总结

致谢

参考文献

附录 :攻读硕士研究生期间发表的论文