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】的内容，可以使用淘豆网的站内搜索功能，选择自己适合的文档，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此文档到您的设备，方便您编辑和打印。:..要无刷直流电机用电子换向代替了机械电刷与换向器,具有可靠性高、体积小、重量轻和出力大等优点。但是由于位置传感器的存在,使传统无刷直流电机的应用范围得到了限制。本课题以无刷直流电机为被控对象,采用无位置传感器的控制方法,设计了基于TMS320F2812DSP的无刷直流电机控制系统,并对此展开了深入系统的研究。本文首先简单介绍了无刷直流电机的结构及其工作原理,说明了无刷直流电机微分方程的建立过程,并简单介绍了常用的无位置传感器的控制方法一反电势法,了解了反电势法控制的原理并分析了反电势的特性。然后针对常用的反电势法的实现方法一端电压法进行研究,详细介绍了无位置传感器下电机的启动技术,采用最有效的三段式启动法对电机进行启动。确定控制系统的算法,为下一步仿真打下基础。本设计在MATLAB/SMⅡ,INK的仿真环境下搭建了仿真模型,在传统PID控制方法下设计了抗积分饱和的PID控制。通过对仿真结果的分析,验证了控制系统的可行性。根据控制系统的设计方案,完成了基于TMS320F2812DSP控制器为核心的电机控制系统的硬件设计,包括电源电路、驱动逆变电路、信号检测电路以及过流保护电路的设计,并对所有的电路模块进行了详细的论述。最后介绍了系统的软件结构,详细介绍了电机转速以及换相时刻点的计算方法。关键词:无刷直流电机;无位置传感器;反电势;三段式启动;TMS320F2812:..Abstractmutationreplacethemechanicalbrushmutator,hastheadvantagesofhighreliability,smallvolume,lightweight,,,usethemethodofsensorlesscontrol,designthecontrolsystemofbrushlessDCmotorbasedonTMS320F2812DSP,andcarriedoutin-,thispapersimpleintroducedthestructureandworkp血cipleofthebrushlessDCmotor,demonstratestheprocessofestablishbrushlessDCmotor’Sdifferentialcommonlycontrol--theequations,andsimpleintroducedtheusedsensorlessbackelectromotiveforce,--commonlyterminalvoltagemethod,detailintroductionthesensorlessbrushlessDCmotorstart-uptechnology,—stephealgorithmofcontrolsystem,.,thecontrolsystemhardwarecircuitisdesigned,whichusedtheTMS320F2812DSPControllerasthecore,includingpowercircuit,driveinvertercircuit,,:BLDCM;Sensorless;BackEMF;Three-stepstartup;TMS320F2812:..目录第一章绪论………………………………………………………………………………………………………..………………………………………………………………………………………………………………一5第二章无刷直流电机的结构及数学模型……………………………………………….………………………………………………………………………………………………………………………………………….:………………………..-…………………………“反电势”法的控制原理及特性分析…………………………………………………………………………………………………………………15第三章无位置传感器的反电势检测法及启动技术研究…………………………。…………………………………………………………………...…………………………………………..………………………………………………………….…………………………………………………….………………………………………………………….……………………………………………………………………………………………………….…………………………………_.……...……一:……………………………………………………………………………….………………………………………………………………………………………………………………………………………24第四章基于MATLAB的控制系统仿真……………………………………………。……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….……………………………………………….…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………32第五章系统硬件设计……………………………………………………………………。33:..………………………………………………………………….…………………………………………….………………………………………………………….…………………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………….…………………………………………..…………………………………………..………………………………………………………………….………………………………………………..…………………………………………………………..………………………………………………………….……………………………………………………………………….48第六章系统软件设计…………………………………………………………………..………………………………………………………….………………………………………………………………….………………………………………………………..…………………………………………………..…………………………………………………………………….……………………………………………………………………….……………………………………………………….……………………………………………………………..……………………………………………………………………….56总结和展望…………………………………………………………………………………57参考文献……………………………………………………………………………………59攻读学位期间的研究成果………………………………………………………………。631i!眨谢……………………………………………………………………………………………………………………ti5学位论文独创性声明……………………………………………………………………67:..,作为机电能量转换装置的电机,经过长远的发展,它的应用领域已经延伸到现代社会生活和国民经济的各个方面。70年代以后,随着新型电力电子器件的迅猛发展,各种类型的电机应运而生,如直流电机、开关磁阻电机、同步电机以及异步电机等各种类型的电机。无刷直流电机是近年来随着微处理器技术、新型电力电子器件、新型控制理论的发展,以及低成本、高磁能永磁材料的出现而发展起来的一种新型直流电机。永磁无刷直流电机用电子换向代替了机械电刷与换向器,具有可靠性高、体积小、重量轻和出力大等优点,被广泛应用于对动静态性能有较高要求的场合。然而现在常用的直流电机都是采用机械换相,这就导致了电刷跟机体之间的机械摩擦,缩短了电机寿命,还容易产生噪声、无线电干扰和电火花等问题,这就使得直流电机的应用范围在很大程度上得到了限制【l】。在有刷直流电机的基础上发展起来的无刷直流电机(BrushlessDCMotor,BLDCM)以法拉第电磁感应为理论基础。19世纪初,人们提出用整流管代替电机的换相装置,为无刷直流电机的诞生提供了条件。但是在当时只处于发展初期的电力电子器件,并不能找到理想的电机换相器件,使得直流无刷电机停留在理论研究阶段【2J。到了1955年美国的哈里森等人用晶体管换相线路代替机械电刷换相,这就形成了最初的无刷直流电机。然而这种电机却也存在着许多弊端,比如晶体管的功耗比较大;当电机转子静止的时侯,绕组内产生的电动势为零,功率组无法馈电等。但随着半导体电力电子技术的向前发展,经过研究者们多年的努力,终于找到了用位置传感器和电子换相装置来代替机械电刷换相的方法【3114]151。在此以后,经过科学家们的反复的实验,终于在1962年研制成功了借助霍尔传感器实现换相的无刷直流电机,翻开了无刷直流电机发展的新篇章。在上个世纪70年代,随着磁敏二极管的出现,借助磁敏二极管实现换相的无刷直流电机也研制成功。此后,随着新型高性能半导体功率器件和高性能永磁材料的相继问世,电力电子工业迅猛发展,这就使得无刷直流电机的应用领域得到广泛的扩展。在Mannesmann公司推出MAC无刷直流电机及其驱动系统以后,无刷直流电机才真正进入实用阶段。在此之后国际上在无刷直流电机方面也展开了更深入积极的研究,先后成功研制了两种不同类型的直流无刷电机——梯形波/方波和正弦波。上世纪末,随着计算机控制理论技术飞速发展,单片机、CPLD、FPGA以及DSP等微处理器控制芯片得到了快速发展,指令运算速度和程序存储空间都有大幅度的提高,从而进一步推动了无刷直流电机的发展【2】。目前,应用最广泛的是以DSP:..青岛大学硕士学位论文为主要控制芯片的控制系统,它的运算速度快,成本价格低。美国11公司出品的DSP芯片,其内部具有强大的电机控制单元,TMS320F28xx系列芯片的时钟频率最高可达150MHz,可以实现高性能的复杂控制算法,这些都为实现高品质的无刷直流电机控制系统提供了有力保障[6-1。另外,一些比较完善的、先进的控制方法和策略,例如模糊控制、自抗扰控制、滑模变结构控制、自适应控制以及神经网络控制等【.卜12】,也不断的被应用在无刷直流电机控制系统中。这些控制方法在一定程度上提高了控制系统的转矩波动抑制、稳态响应以及系统抗干扰性等方面的性能,扩大了无刷直流电机系统的应用范围。,具有可靠性高、体积小、重量轻和出力大等优点,广泛应用于对动静态性能有较高要求的场合,但是无刷直流电机在运行时转矩会产生波动,使系统的控制特性降低并且影响到驱动系统的可靠性,随之而来的是振动、谐振以及噪声等各种外部表现。因此如何减小甚至消除转矩脉动就成为无刷直流电机控制系统的突出问题,成为无刷直流电机的研究热点之一。现代生产过程对成本的控制和系统性能的可靠性有着苛刻的要求,这就使得人们越来越关注新的无刷直流电机的控制方式。无位置传感器无刷直流电机的控制方法可以使电机的运行性能得到进一步的改善,因此无位置传感器技术也是近年研究的热点问题之一。控制方面,传统的无刷直流电机控制系统采用经典的PID控制方法。随着现代智能控制理论的发展,为了提高控制系能,将智能控制理论应用到控制系统中来,也是一个有意义的探索方向。综合来看,抑制转矩脉动和无位置传感器技术是目前无刷直流电机的研究热点。此外,电磁兼容在应用电路中已日益受到人们的重视,国内外学者对无刷直流电机的电磁干扰问题也已开始进行深入研究。,即电机转子位置直接检测法。无位置传感器控制技术主要是通过电机内容易获取的电压或电流等信号,经过一定的运算处理,得到转子位置信号,也称为转子位置间接检测法。目前国内外常用的转子位置间接检测方法主要有:反电势法、电感法、磁链法、续流二极管法以及观测器估计法等。由于反电势法实现方便、原理简单,因此得到了广泛的应用。在文献【13】中,作者对反电势法进行了全面的分析,但他们研究发现该方法在电机低速运行时容易2:..第一章绪论引入噪声,造成较大的控制误差。20世纪80年代后期,电机转子位置检测方法呈现出多元化发展的状态。在文献【141中,作者提出了利用检测电机的相电流来检测电机转子的位置,用到的原理就是相电流与定子磁链相位相同,相电流的变化就能反映出电机转子的位置。文献【151中,作者提出了一种更具有创造性的检测方法——续流二极管法,该方法通过检测并联在MOSFET驱动三极管上的二极管的导通状态来得出转子的位置。虽然该方法改善了无刷直流电机的低速性能,获得了更宽的调速范围(45~2300r/min),但是它需要使用六条检测电路,使硬件设计变的更加复杂,而且该方法要使逆变器中的开关管在120。的导通期间,前半调制后半段开通的方式工作,控制起来更加困难。文献【16]中作者通过检测电机端电压反电势中的三次谐波来检测转子的位置。但是该方法适应范围小,只适用于Y型连接的方波电机。文献【17]介绍了一种新的三次谐波法来检测转子位置,文中将检测到的方波输入至IJDSP的I/O口,利用DSP强大的数据处理功能,提出了用软件准确估计换向时刻的方法,简化了硬件电路。通过实验测试,该方法不仅动静态特性好,而且对转子位置的估算也比较准确;但是由于检测到的三次谐波在电机低速运行时会严重畸变,转子的位置就不能通过该方法得到准确估计。上世纪末还有人提出利用状态观测器和卡尔曼滤波法来检测电机转子的位置【l引,但是这种方法需要大量的计算,受当时条件所限,没能引起人们的足够重视。近十几年来,随着单片机性能的提高和DSP产品的更新换代,这种方法获得了突飞猛进的发展。智能控制方法的迅速发展也促进了电机控制水平的不断提高,文献【19]、[201、121】中,模糊控制和神经网络控制等先进算法的应用,使无位置传感器控制方法的精度大幅度高。但由于其复杂的算法跟较长的计算时间,相对于传统的控制方法而言,增加了控制成本。另外在以上的原理基础之上建立或者提出的关于转子位置的检测方法还有很多。国内对无位置传感器无刷直流电机间接转子位置检测方法的研究起步稍晚,其它方法的研究和应用也比较少见。,使电机在运行过程中不可避免的存在着转矩波动,从而产生振动和噪声等问题,影响整个系统的稳定性,降低电机的寿命,制约其在高精度场合的应用,因此如何抑制转矩波动成为无刷直流电机控制的突出问题。转矩波动的产生原因有很多,主要是由电机齿槽效应、磁通的畸变、定子绕组之间产生的电流脉动、电动势谐波以及电机气隙磁场发生畸变等lEEl,针对转矩波动产生的各种原因,国内外学者在这方面做了大量研究。在文献[23】中,作者详细分析了无刷直流电机转矩产生的原因,以及存在转3:..青岛大学硕士学位论文矩波动的必然性。Kuo,BC提出一种直接转矩控制方法,该方法主要针对反电势与电流相互作用和换流引起的转矩脉动,不加电流环,通过给定的转矩和上一步长的转矩,进而计算出需要的输出电压,该方法减少了磁链观测与控制环节124]。文献[25】通过改变直流母线斩波控制,保持非换相相电流的恒定,能有效抑制换相转矩脉动,但会使其拓扑结构复杂。Kim等人通过进一步研究,使其在低速时可通过控制非换相相电流的大小来调节换相转矩脉动【2引。文献1271提出利用定子谐波电流的最优权重的方法,通过电流调节器等装置的作用,有效的减少了由电磁转矩和齿槽转矩引起的转矩波动。文献[281提出通过调节电压型逆变器关断角来抑制无刷直流电机转矩波动的方法,该方法不仅适合恒压恒频系统,还适合变压变频系统。文献[291则提出了利用动态改变输入电压的方法,从而有效的实现了转矩波动的抑制。除此之外,国内学者也对无刷直流电机的转矩波动进行了大量的研究。文献[301针对电枢反应引起的转矩波动进行了分析,分别从换相控制和磁路设计两个方面提出了解决办法。文献【31】。文献[321针对不同的电机转速采用不同的抑制转矩脉动的方法,但该方法没有考虑PWM对系统的影响。文献[33】引入多种智能控制方法来实现对转矩脉动的抑制,但是控制算法复杂程度高,实现起来有困难。文献1341提出了一种基于神经网络且具有参数自适应调节功能的方法。该方法基于人工神经网络,采用误差反馈算法修正各个神经元的连接权值,同时对其中两个三层前馈式进行离线和在线训练。经过国内外诸多学者对无刷直流电机转矩波动抑制的研究分析,显著提高了其系统控制的性能。总而言之,引起无刷直流电机转矩波动的原因有很多、很复杂,要针对不同环境需要采取相应的控制方法。随着现代智能控制理论和电力电子器件的迅速发展,越来越多的先进方法被应用到无刷直流电机的控制上来。但是现有的转矩波动研究方法均是一些改善和补偿的方法,对转矩波动的影响并没有消除,因此针对转矩波动对电机的影响还要有更深入的研究。,电磁干扰问题在越来越多的实际应用场合得到关注。永磁无刷直流电机控制电路有强电跟弱电电路共存,既要提高其对外界的抗干扰能力也要防止其对外界产生干扰和辐射。特别是逆变器中高频率的开关管,更容易对控制电路产生干扰,此外地线也会产生干扰。因此对于器件问电磁干扰和电磁兼容的问题必须认真处理。要解决这个问题可以从电机本体设计和电子控制线路两方面考虑。本体方面,转子永磁材料的尺寸排列方式都应该合理,在降低电机成本的同时还要满足电机的各项性能指标。电子控制线路方面,保证强电驱动、弱合控制完全隔离,合理控制成本的前提下,认真处理强、弱电的分布状况;消除PWM高频脉冲对控制电路中其他4:..第一章绪论线路及器件的影响。,永磁直流无刷电机的理论分析和设计方法已经比较成熟,但在控制性能上难于达到理想的指标。本文以永磁无刷直流电机为研究对象,主要分析了无位置传感器控制策略,并采取反电势法来设计无刷直流电机的控制系统。采用11公司的TMS320LF2812DSP为主控芯片,搭建硬件系统。在吸取和借鉴国内外研究成果的基础上,进行以下几个方面的研究工作:开始简要阐述了本论文设计的背景和研究意义,介绍了无刷直流电机的发展状况,分析了当今国内外对无刷直流电机研究的热点。本论文设计则是在无位置传感器控制策略的基础上采用反电势法来设计无刷直流电机的控制系统,实现对无刷直流电机的控制。然后从无刷直流电机的结构入手,介绍了电机的基本工作原理,同时通过推导公式建立了电机的数学模型并进行详细分析。最后简单介绍了一下常用的无位置传感器的控制方法一反电势法,了解了反电势法控制的原理并分析了反电势的特性。接着重点介绍了反电势转子位置检测技术,并针对常用的实现方法一端电压法进行了研究。接着详细介绍了无位置传感器下电机的启动技术,采用最有效的三段式启动法对电机进行启动。最后确定控制系统的算法,为下一步仿真打下基础。仿真阶段,在传统PID基础上设计了抗积分饱和的PID控制,并在SIMULINK仿真环境下搭建了仿真模型,通过对仿真结果的分析,验证了控制系统的可行性。然后根据控制系统的设计方案,完成了基于TMS320F2812DSP控制器为核心的电机控制系统的硬件设计,包括电源电路、驱动逆变电路、信号检测电路以及过流保护电路的设计。并对所有的电路模块进行了详细的论述。硬件完成后,在硬件的基础上介绍了系统的软件结构,详细介绍了电机转速以及换相时刻点的计算方法,讲解了系统主要程序的设计流程。最后针对本课题的主要研究工作做了进一步总结,并分析了其中的不足,以及将来工作需要解决的问题。5:..青岛大学硕士学位论文6:..第二章无刷直流电机的结构及数学模型第二章无刷直流电机的结构及数学模型本章详细介绍了无刷直流电机基本结构及其组成部分,并以三相桥式Y型电机为例,给出无刷直流电机的数学模型及推导过程。,它主要由三部分组成——电动机本体、转子位置检测传感器以及电子开关线路。外部的直流电源通过电机的电子开关线路来向电动机的定子的绕组供电,转子的位置由转子位置传感器检测,并根据检测到的转子的位置信号来控制开关管的导通与关断,从而自动控制电机绕组通电与断电,实现自动换相。,无刷直流电机本体主要由包含电枢绕组的定子和带有永磁极的转子两部分组成【2J,。定子结构与普通的感应电机或同步电机相似。定子绕组可制作成多相(Oi相,三相,四相不等,常用的为三相绕组),电枢绕组可以△接和Y接,考虑到性能和成本,目前应用较多的是Y接、三相对称且无中性点引出的接法。转子部分是由永磁体按照一定的极对数(2p=2,7:..青岛大学硕士学位论文4,…)镶嵌在铁芯表面或内部构成。常见的转子结构主要有三种,第一种是将瓦型稀土永磁体粘贴在转子表面的表面粘贴式磁极,第二种是将矩形永磁体嵌入铁芯内部的内嵌式磁极,第三种是环形磁极,即将整体稀土永磁环套在铁芯上。,作为转子位置跟踪器,没有了它就不能检测转子磁极的位置,从而无法为电子开关线路提供正确的换相信息。也就是说,位置传感器将感应到的转子的位置信号转换成能够控制定子绕组换相的电信号。这样随着转子位置的不断变化,电枢绕组中的电流也会按照一定的次序变化,在气隙中形成步进式的旋转磁场,进而驱动转子不断的连续旋转。位置传感器的种类较多,目前在无刷直流电机中的位置传感器主要有:电磁式,磁敏式和光电式等,每种传感器均有其自己的特点。电磁式传感器结构可靠,输出信号强,但是体积过大,工艺复杂,增大了电机成本。光电式传感器虽然体积小、性能稳定,但是耐震性差,对环境要求高。磁敏式传感器基本工作原理为霍尔效应和磁阻效应,由于其结构简单、体积小、灵敏度高、成本低等特点,是比较常用的一种【231。因此,在无刷直流电机控制系统中霍尔位置传感器是最常见的转子位置检测装置。需要说明的是本论文所研究的是没有位置传感器的无刷直流电机控制系统,但无论是否使用位置传感器,都必须获取电机的转子位置信息,只是实现的方式不同而己。,用来控制电动机定子上各相绕组通电的时间和顺序,一般可以分为全桥式和半桥式两种。无刷直流电机中最早应用的开关电路器件大多是晶闸管,借助于反电动势过零导通或关断。随着新型可关断全控型器件的发展,开关频率低的晶闸管逐渐被MOSFET和IGBT所取代。电子开关线路主要组成部分有功率逻辑开关单元和处理位置传感器信号单元。控制电路的核心单元是功率逻辑开关单元,它将按照一定逻辑关系给无刷直流电机定子上的绕组分配电源功率,从而使电机产生连续不断的转矩。位置传感器检测到的位置信号经过一定的逻辑处理,控制功率逻辑开关单元,进而确定各项绕组的导通顺序和导通时间。,通过电刷换相使主磁场和电枢磁场的方向始终保持互相垂直,从而产生最大转矩,驱动电机不停运转口51。而无刷直流电机利用电子开关电路取代了传统直流电机的电刷,其工作原理与有刷电机相同,即直流电8:..第二章无刷直流电机的结构及数学模型源通过电子换相线路向电机绕组供电,由位置传感器检测转子位置信号,经控制电路逻辑处理后,触发电子换相线路中的功率元件导通、关断,控制功率开关电路换相,使电机转子的转角与功率开关电路的导通组态同步,这样,电枢磁场就与永磁磁场相互作用,持续不断的产生转矩,使电机连续运转。无刷直流电机转子按一定极对数(2p=2,4,…)组成,按照定子电枢绕组的相数可分为单相或多相,按根据控制电路的结构可分为半桥、全桥、C—Dump、H桥和四开关等多种方式,根据电机绕组的结构可以有△接和