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无刷直流电机控制器及控制算法研究

作　者: 张海亮
导　师: 刘敬彪
学　校: 杭州电子科技大学
专　业: 电路与系统
关键词: 无刷直流电机 无位置传感器 反电动势 双闭环控制 PWM调制
分类号: TM33
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


无刷直流电机具有调速性能好、体积小、效率高等优点，目前已经在很多领域得到了广泛的应用。传统的无刷直流电机控制采用位置传感器提供转子位置信息，但安装位置传感器会带来许多弊端，另外在一些特殊应用场合，传感器也不适合使用。采用无位置传感器控制技术不仅克服了带位置传感器的诸多弊病，还进一步拓宽了无刷直流电机的应用领域。本文主要研究无刷直流电机的无位置传感器控制技术，并设计研制了一套无刷直流电机无位置传感器控制系统。首先，本文介绍了课题的背景和研究意义，并总结了当前无刷直流电机研究现状和将来的发展趋势。然后对无刷直流电机的基本结构、工作原理、数学模型等理论进行了详细的分析和论述，为电机的控制提供理论依据。接下来，本文对无位置传感器控制技术中的关键技术进行了重点阐述和分析，包括位置检测技术、启动技术和双闭环控制策略。首先详细分析了采用反电动势法的位置检测原理，重点阐述了端电压方式检测转子位置的原理，同时给出了反电动势过零点的硬件实现电路。针对无位置传感器控制下电机启动困难的问题，介绍了几种常用的启动方法及各自的优缺点，并在系统软件设计部分提出了一种改进后的预定位启动方法。为了获得良好的调速性能，控制系统采用转速、电流双闭环调速策略，在介绍双闭环调速原理基础上，结合电机的数学模型，利用MATLAB/Simulink建立双闭环调速系统仿真模型，对双闭环调速策略进行了研究，验证了双闭环调速方案的可行性，同时为软件调试PID参数提供参考。最后，选择合适的方案设计了无刷直流电机控制器，并进行了实验调试。在硬件电路设计部分，阐述了硬件设计整体方案，并详细介绍了各主要电路的设计，同时给出了器件选型依据和重要元器件的参数选择方法。硬件系统以STM32单片机为主控芯片，利用智能功率模块FSBB30CH60设计的功率逆变电路，可支持直流电压300V，电流最大15A的无刷直流电机驱动应用。基于反电动势理论设计的位置检测电路简单可靠，配合软件可以准确捕获反电动势过零点信号，提供转子位置信息。在系统软件设计部分，首先介绍了软件设计的总体框架和分模块设计的思路，然后分小节详细介绍了各个模块的软件实现，包括软件控制电机启动、转子位置检测信号捕获、H_PWM-L_ON调制方式、电机转速计算、电流电压信号采样以及双闭环PID控制实现。实验结果表明设计的转子位置检测系统可以准确检测反电动势过零点信号，进而保证电机的正确换相和稳定运行。控制系统可以控制无刷直流电机顺利启动，可以实现电机的无级调速，同时可以实时监控电机的运行状态，包括转速、电流、电压。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章 绪论  10-15
  1.1 课题研究背景及意义  10-11
  1.2 无刷直流电机研究现状及发展趋势  11-14
  1.3 课题的主要研究内容  14-15
第2章 无刷直流电机的结构及工作原理  15-23
  2.1 无刷直流电机的基本结构  15-16
  2.2 无刷直流电机的工作原理  16-18
  2.3 无刷直流电机数学模型及特性分析  18-23
    2.3.1 电磁特性分析  18-20
    2.3.2 无刷直流电机数学模型  20-21
    2.3.3 无刷直流电机特性分析  21-23
第3章 无刷直流电机无位置传感器控制技术  23-37
  3.1 反电动势法介绍  23-27
    3.1.1 反电动势法基本原理  23-24
    3.1.2 端电压检测法介绍  24-27
  3.2 反电动势法下的电机启动策略  27-28
  3.3 双闭环控制策略  28-37
    3.3.1 PID调节器原理  29-30
    3.3.2 双闭环调速原理  30-33
    3.3.3 双闭环调速系统设计与仿真  33-37
第4章 硬件系统设计  37-51
  4.1 硬件系统整体设计方案  37
  4.2 控制芯片的选型  37-40
    4.2.1 常用微处理器介绍  37-38
    4.2.2 STM32 单片机介绍  38-40
  4.3 智能功率模块FSBB30CH60 介绍  40-42
  4.4 硬件电路设计  42-51
    4.4.1 MCU主控模块电路  42-44
    4.4.2 IPM功率模块电路  44-46
    4.4.3 反电动势位置检测电路  46-47
    4.4.4 信号采集电路  47-49
    4.4.5 电源电路设计  49-51
第5章 软件系统设计  51-65
  5.1 软件设计总体框架与思路  51-52
  5.2 电机启动过程软件流程图及分析  52-53
  5.3 转子位置检测程序  53-55
  5.4 PWM调制方式及换相软件实现  55-59
    5.4.1 PWM调制方式选择与实现  55-57
    5.4.2 电机换相软件实现  57-59
  5.5 电机转速的计算与软件实现  59-60
  5.6 信号采样与A/D转换  60-62
  5.7 双闭环控制策略研究及软件实现  62-65
第6章 控制系统的调试与结果分析  65-71
  6.1 实验设备及调试方法介绍  65-68
  6.2 实验结果与分析  68-70
  6.3 实验结论  70-71
第7章 总结  71-73
致谢  73-74
参考文献  74-78
附录  78-79
详细摘要  79-84

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电机 > 直流电机
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