无刷直流电动机及其控制系统的研究毕业论文.doc

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无刷直流电动机及其控制系统的研究

无刷直流电动机及其控制系统的研究

摘要

无刷直流电动机具有高效、高控制精度、高转矩密度、低噪声的特点，通过合理设计磁路结构能够获得较高的弱磁性能，可以成为各类工具首选驱动机。

本文在介绍电动汽车中电动机及其控制系统应用现状和性能要求的基础上。

首先分析了无刷直流电机的结构特点，重点研究了无刷直流电机最大转矩/电流比控制算法，并构建了Matlab/Simulink环境下无刷直流电机控制系统的仿真模型。

最后，根据无刷直流电机控制系统的仿真结果，设计了无刷直流电机直接转矩控制系统的硬件和软件，其中，硬件控制系统主要包括三相全桥逆变电路、功率驱动电路、转子位置检测电路以及功率器件的保护电路等。

该系统最大特点是以电子换向线路替代了由换向器和电刷组成的机械式换向结构，使传感器可以借助DSP的强大功能获取转子位置信号，克服了机械位置传感器的存在给无刷直流电机所带来的诸多不利影响。

关键词：

电动汽车，无刷直流电动机，直接转矩控制，Matlab仿真

BrushlessDCmotoranditscontrolsystem

Abstract

ThebrushlessDCmotorwithhighefficiency,highcontrolaccuracy,hightorquedensity,low-noisecharacteristics,throughtherationaldesignofmagneticcircuitstructuretoobtainahigherweakmagneticenergy,varioustoolscanbeadrivingmachineofchoice.

Onthebasisoftheintroductionofelectricvehicles,electricmotoranditscontrolsystemapplicationstatusandperformancerequirements.FirstanalyzethestructuralcharacteristicsofthebrushlessDCmotor,focusingonbrushlessDCmotortorque/currentcontrolalgorithm,andconstructasimulationmodelofthebrushlessDCmotorcontrolsysteminMatlab/Simulinkenvironment.

Finally,accordingtothesimulationresultsofthebrushlessDCmotorcontrolsystem,designofabrushlessDCmotordirecttorquecontrolsystemhardwareandsoftware,whichthehardwarecontrolsystemmainlyconsistsofthree-phasefull-bridgeinvertercircuit,drivecircuit,therotorpositiondetectioncircuitandpowerdeviceprotectioncircuit.Thesystemischaracterizedbyelectronicallycommutatedlineinsteadofthemechanicalcommutatorandbrushchangetothestructure,sothatsensorscanmakeuseofthepowerfulfeaturesoftheDSPtoobtaintherotorpositionsignals,toovercometheexistenceofthemechanicalpositionsensorstothebrushlessmanyadverseeffectsbroughtaboutbytheDCmotor.

Keywords:

electricvehicles,brushlessDCmotor,directtorquecontrol,Matlabsimulation.

无刷直流电动机及其控制系统的研究

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原创性声明

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所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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作者签名：

　　　　　日　期：

目录

第一章绪论 3

第2章无刷直流电机的工作原理 4

2.1无刷直流电机的基本组成及工作原理 4

2.1.1基本组成 4

2.1.2无刷直流电机的工作原理 5

2.2无刷直流电动机的运行特性 7

2.2.1机械特性 7

2.4无刷直流电动机的转矩脉动[ 9

第3章无刷直流电机的主电路的工作方式 10

3.1星形连接三相半桥式主电路 10

3.2星形连接三相桥式主电路 12

3.3角形连接三相桥式主电路 14

3.1无刷直流电机的控制策略 16

第四章基于直接转矩的无刷直流电机控制仿真 20

4.1无刷直流电动机id=0控制 20

4.1.1仿真模型介绍 20

4.1.2模块介绍 22

4.1.3id=0控制仿真结果 23

4.2无刷直流电动机最大转矩/电流比控制 27

4.2.1仿真模型介绍 27

4.3根据MTPA原理计算Tem对应的控制电流iq、id 32

4.3.1Matlab源程序 32

4.3.2运行结果 33

4.4MTPA控制的仿真结果 34

4.3.1电机空载 34

4.3.2电机负载Tf=2N·m 35

4.3.3负载在0.6S突然由原来的2N·m变到4N·m 36

4.3.4转速在0.6S突然由原来的200rad/s变到400rad/s 37

4.3.5电机制动时，能量回收 38

4.4MTPA与id=0仿真结果对比、分析 39

4.4.1结果对比 39

4.4.2结果分析 40

4.5本章小结 40

5.1无刷直流电机的基本硬件组成 41

5.1.1DSP控制器 42

5.1.3控制电路 44

5.1.4转子位置检测电路 47

5.2数字控制系统的软件设计 48

5.2.1整体设计论述 48

5.2.2换相检测和开环起动的软件实现 49

1.换相点的软件实现 49

2.电机旋转的正、反向控制 50

5.2.3主要子程序 51

1.转子转速调节子程序 51

2.换相服务子程序 52

52

5.2.4PWM周期中断子程序（PWMISR） 55

5.2.5ADC转换中断服务子程序（ADCISR） 55

第六章结论 60

参考文献 60

第一章绪论

近二十多年来，电力电子技术、计算机技术、控制理论以及新材料技术都得到了迅速的发展，所有这些都推动着电机控制技术的发展、进步。

新材料技术的发展，例如稀土永磁材料Nd-Fe-B、磁性复合材料的出现，给电机设计插上了翅膀，各种新型、高效、特种电机层出不穷。

我们国家稀土资源十分丰富，近年来，永磁电机的研究十分活跃。

采用永磁材料激磁，特别是采用高性能稀土永磁材料，可大大提高电动机效率，缩小电机体积。

据不完全统计，500W以下的直流微电机中，永磁电机占92%，而10W以下永磁电机占99%。

而在无刷化方面，主要是发展无刷直流BLDC（BrushlessDC）电机，以提高产品的可靠性和寿命。

而电力电子技术、计算机技术和控制理论的发展更使得电机调速技术得到很快的发展。

新的电力电子器件，高性能的数字集成电路以及先进的控制理论的应用，使得控制部件功能日益完善，所需的控制器件数目愈来愈少，控制器件的体积也日益减小，控制器的可靠性提高而成本日益降低。

从而使得电机的应用不再局限于传统的工业领域。

而在商业，家用电器、声像设备、电动自行车、汽车、机器人、数控机床、雷达和各种军用武器随动系统等领域也得到广泛应用。

当前，电子产品正经历着从模拟到数字的转化，在这场数字化的革命当中，DSP（DigitalSignalProcessor）器件适时而动，取得了飞速的发展。

今天，DSP己经成为通信、计算机、网络、工业控制以及家用电器等电子产品中不可或缺的基础器件。

由于DSP具有较强的计算能力和较好的实时性，使得算法复杂的现代控制理论能够在实际中得到很好的应用，特别是实时性要求很高的系统，也可以通过DSP实现复杂的智能控制算法。

在电力传动这个实时性要求很高的领域，DSP的应用越来越多，例如机器人，机械手等工业自动化系统；火炮位置伺服等军用设备；洗衣机，空调等家用电器设备；电动自行车等交通工具都用到了DSP控制器电力传动方案。

DSP技术的提高和CPU相似，已经成为决定电子产品更新换代的决定因素之一。

用DSP进行电力传动系统的设计，是未来电力传动系统实现数字化，智能化的发展方向。

本课题是自选研究课题，旨在研制一套基于DSP的无刷直流电机调速系统，主要工作如下：

（1）研究无刷直流电动机的运行原理和控制方式，针对控制对象——具有正弦波反电动势的15kW无刷电机选择合适的控制方案。

（2）设计无刷直流电机控制器的硬件电路，包括电源电路、功率电路、电流检测电路、电压检测电路、位置检测电路、电流斩波电路、驱动电路、DSP外围电路、DSP和单片机通信电路以及显示电路等。

（3）根据无刷直流电机的控制策略，介绍无刷直流电动机在横转矩区的id=0和MTPA控制策略，并在Matlab/simulink环境下，构建了电机控制模型，对两种控制策略的仿真结果进行了分析和对比。

最后，选择和确定了本系统相应的控制策略。

（4）通过实验和仿真结果，设计无刷直流电机直接转矩控制系统的硬件和软件。

实现数据采集及显示；跟踪转子位置，输出相通断信号至功率变换器决定对应的开关器件的开断；根据转子位置信号计算速度值；实现电流斩波控制；进行转速环和电流环PI调节；实现电机正反转运行以及DSP与单片机通信等。

第2章无刷直流电机的工作原理

2.1无刷直流电机的基本组成及工作原理

2.1.1基本组成

图2-1无刷直流电动机的结构原理图

无刷直流电动机的结构原理如图2-1所示。

它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关电路控制