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电动车用无刷直流电机无位置传感器控制的研究

作　者: 梅营
导　师: 潘再平
学　校: 浙江大学
专　业: 电机与电器
关键词: 无刷直流电机无位置传感器控制电动车反电势过零电感法滤波深度调节能量回馈制动
分类号: TM33
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

由于电力驱动具有节能环保以及方便快捷的优点,各类电动交通工具(包括电动自行车、电动轮椅、电动汽车、电力机车等)得到了越来越广泛的应用。永磁无刷直流电机(BLDCM)凭借其结构简单、运行效率高、调速性能好以及维护方便等一系列优点,成为电动车领域的主流驱动电机。传统无刷直流电机驱动系统都需要安装位置传感器以提供换相信号,但位置传感器会增加系统成本、尺寸和维护难度。在电动车领域中采用无位置传感器控制技术不仅可以省去位置传感器的费用,减小电机尺寸,节省空间,还可以简化电动车系统复杂性,避免传感器故障引起的换相错误,并使装配和维护更加方便。无刷直流电机无位置传感器控制在电动车领域具有广阔的应用前景。论文详细介绍了无刷直流电机的运行原理及数学模型,在对反电势过零检测法无位置传感器控制的原理研究的基础上,设计了反电势过零检测电路,并设计了新颖的可调滤波深度电路来解决反电势过零检测中的相移补偿问题。由于在零速或低速时电机反电势为零或很小,基于反电势的控制方法都需要特殊的起动技术,本文在分析常有起动方法的优缺点以及电动车起动的特殊要求后,提出了一种新的基于电感法的起动方法—转子位置闭环起动法,该起动方法包括转子零初始位置检测、转子位置闭环加速以及切换至反电势法运行三个步骤,经验证,该起动方法具有更优良的起动性能,不同负载条件下都能平稳起动,不易失步,无反转,特别适用于电动车应用场合。同时,本文还针对电动车应用的实际需求,设计了起动转矩优化的策略,调速以及能量回馈制动的控制方案。最后,设计了低成本的、以HCS08单片机为核心的无刷直流电机无位置传感器控制系统的硬件系统,满足电动车应用的需要。在Codewarrior集成开发环境下完成了整个无刷直流电机无位置传感器控制系统的软件设计。实验证明,所设计的软硬件系统能完成无刷直流电机无位置传感器起动及运行控制功能,实现电动车用无刷直流电机的无位置传感器控制起动与运行。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
ABSTRACT  6-7
目录  7-9
第一章绪论  9-19
  1.1 课题研究的背景和意义  9-10
  1.2 无刷直流电机控制技术的研究现状与发展趋势  10-17
    1.2.1 带位置传感器的无刷直流电机控制  11-12
    1.2.2 无位置传感器的无刷直流电机控制  12-15
    1.2.3 两种控制方法的比较  15-17
  1.3 本文主要内容和结构安排  17-19
第二章 "反电势法"无刷直流电机无位置传感器控制技术  19-43
  2.1 无刷直流电机的工作原理  19-26
    2.1.1 无刷直流电机控制系统的基本组成  19-20
    2.1.2 无刷直流电机的基本原理  20-24
    2.1.3 无刷直流电机的数学模型  24-26
  2.2 "反电势法"无位置传感器控制  26-37
    2.2.1 反电势过零法(Back-EMF zero cross)的基本原理  26-27
    2.2.2 反电势的提取  27-30
    2.2.3 反电势过零检测方法分析  30-33
    2.2.4 滤波及相移电路设计  33-37
  2.3 反电势法的位置检测误差与补偿  37-42
    2.3.1 转子位置检测误差的理论分析  37-39
    2.3.2 误差补偿的实施  39-41
    2.3.3 实验验证  41-42
  2.4 本章小结  42-43
第三章无刷直流电机无位置传感器的起动技术研究  43-59
  3.1 无位置传感器起动过程的一般理论  43-44
  3.2 外同步驱动方式的无位置传感器起动方法  44-49
    3.2.1 三段式起动  44-46
    3.2.2 预定位起动  46-47
    3.2.3 升频升压同步起动  47-48
    3.2.4 结论  48-49
  3.3 基于电感法的转子位置闭环起动  49-58
    3.3.1 电感法的基本原理  49-51
    3.3.2 检测电压矢量  51-55
    3.3.3 转子初始位置检测  55-56
    3.3.4 转子位置闭环起动  56-58
  3.4 本章小结  58-59
第四章基于电动车应用的若干关键技术研究  59-69
  4.1 最大起动转矩的获得  59-61
    4.1.1 加速电压矢量对起动转矩的影响  59
    4.1.2 检测电压矢量对起动转矩的影响  59-60
    4.1.3 起动过程中的换相转矩脉动与噪声  60-61
  4.2 双闭环控制方案设计  61-64
    4.2.1 闭环调速方案  61-62
    4.2.2 转速测算  62
    4.2.3 电流检测  62-63
    4.2.4 电流调节器  63-64
  4.3 能量回馈制动技术  64-68
    4.3.1 低速能量回馈制动原理  64-67
    4.3.2 低速能量回馈制动控制方式  67-68
  4.4 本章小结  68-69
第五章无刷直流电机无位置传感器控制系统软硬件设计  69-85
  5.1 控制系统硬件设计  69-78
    5.1.1 MC9S08MP16单片机  70-71
    5.1.2 功率主回路电路  71-72
    5.1.3 功率管驱动电路  72-74
    5.1.4 反电势过零检测电路  74-75
    5.1.5 电流检测与过流保护电路  75-76
    5.1.6 电源电路  76
    5.1.7 电动车附加功能电路  76-78
  5.2 控制系统软件设计  78-83
    5.2.1 软件总体结构  79-81
    5.2.2 零速起动程序设计  81-82
    5.2.3 反电势法无位置传感器运行程序设计  82-83
  5.3 本章小结  83-85
第六章实验结果与分析  85-95
  6.1 实验系统  85-87
  6.2 实验结果及分析  87-94
    6.2.1 转子初始位置检测  87-89
    6.2.2 转子位置闭环起动  89-90
    6.2.3 "反电势法"无位置传感器运行  90-94
  6.3 本章小节  94-95
总结与展望  95-97
参考文献  97-100
攻读硕士学位期间发表论文  100

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