无刷直流电机双闭环串级控制系统仿真毕业论文.docx

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无刷直流电机双闭环串级控制系统仿真毕业论文

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摘要

无刷直流电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，在许多领域已得到了广泛的应用，特别是电动车用直流电机的应用上。

采用无位置传感器控制技术之后，不但可以降低电机的制造成本，而且使得无刷直流电机的使用寿命以及维修简便性都有了大大提高。

目前，无刷直流电机无位置传感器控制已成为无刷直流电机控制技术的发展方向。

本文纵观了无刷直流电动机及其控制技术的兴起、发展与现状，概括了无刷直流电动机无位置传感器控制技术的现有水平及存在的问题。

以研制、开发电动车用无刷直流电机无位置传感器控制器为依托，针对其无位置传感器控制技术中的两个关键问题——转子位置信息检测和零起动问题，提出并设计了新的更适用的转子位置信息检测硬件检测电路和零起动硬件电路。

从理论和实践两个方面对这些问题展开了较为全面的研究和讨论。

（1）针对传统无位置传感器控制策略计算量大、可靠性不高、30°软件延时等缺点，基于无刷直流电机反电势过零检测的原理，分析了三相端电压与中性点的关系，提出了一种可完全替换3相霍尔位置传感器的硬件设计方案，实现了无刷直流电机的无传感器运行。

（2）利用硬件RC滤波电路对检测到的反电势过零点时刻进行30°电角度延时，针对由于电机的速度变化会使得30°电角度延时的不准确，从而导致逆变器换相不准确，引起电机的失步的问题，提出了在硬件电路中设计相位自补偿电路的想法，克服了以往传统方法相位补偿不准确的问题，提高了系统的稳定性和可靠性。

（3）对已有的各种电机零起动方案利弊进行分析，结合实际应用的需要，综合成本、实现难易程度等各方面因素的考虑，本课题提出了新的“三段式”零起动方案，并设计零起动硬件电路。

对各个阶段中的一些关键问题——转子预定位过程中PWM控制输出的频率选择、电机旋转方向的选择和电机由抖动转向自控运行状态等问题进行了详细的分析，确定了具体的实施方案。

（4）推导并分析了无刷直流电机的动态数学模型及其控制特性，基于Matlab/Simulink建立了BLDCM（BrushlessDirectCurrentMotor）控制系统的模块化仿真模型，并对该模型进行了转速、电流双闭环串级控制系统的仿真。

仿真结果表明：

波形能较为理想的反映电机的动静态特性分析。

本文设计了以美国Cypress公司的PSoCTM为控制芯片的无刷直流电机无位置传感器控制系统，搭建了样机平台进行实验验证，实验证明：

本控制系统具有结构简单，适应性强等优点。

关键词：

无刷直流电机，无传感器控制，转子位置信息检测，零起动

ABSTRACT

BrushlessDCmotorwithpermanentmagnetexcitation,inwhichelectricalcommutatorisusedinsteadofmechanical,hasthesamegoodcharacteristicsofspeedcontrolastraditionalDCmotor.BrushlessDCmotorshavefoundwideapplicationduetotheirhighpowerdensityandeaseofcontrol.Moreover,themachineshavehighefficiencyoverwidespeedrange.Usingsensorlesscontrolnotonlyreducethemanufacturingcostofthemotor,butalsoextendthelifeofthemotor.Atpresent,sensorlesscontrolhasbecomeadevelopmenttrendofcontroltechniqueforbrushlessDCmotors.

Thisdissertationmakesacomprehensiveviewoftherising,developmentandpresentsituationofcontroltechniqueforbrushlessDCmotor,andsummarizesthepresentlevelandshortagesofsensorlesscontroltechnique.Dependingontheresearchanddevelopmentofsensorlesscontrollerusedinelectricbicycleconcentrateonthetwokeypoint——rotorpositiondetection,startingmethod，thisdissertationresearchesanddiscussesthefollowingproblemsintheoryandpractice:

（1）Basedontheprincipleofbackelectromotiveforce（EMF）zero-crossingtestinginbrushlessdcmotor（BLDCM）,andanalyzedtherelationshipbetweenthethree-phasevoltageandneutralvoltage.Putforwardakindofhardwaredesignwhichcancompletelyreplacehallpositionsensorinordertoovercometheshortcomingsoftraditionalsensorlesscontrolstrategies,suchaslargeamountofcalculation,lowreliability,and30°softwaredelays.

（2）WhenusingtheRCfiltercircuitthedetectedbackEMFzerocrossingpointfor30°electricaldegreesdelay.Aphasecompensationcircuitwasdesignedtoovercometheproblemsthatthephasecompensationisnotaccurateandthesystemcannotefficientlyrunbecauseofthechangesinmotorspeed.

（3）integratethecost,theneedsofpracticalapplicationandotherfactorstoconsider,proposeanew"three-stage"startingprograms,andhardwarecircuitofzero-startwasdesigned.ConductedadetailedanalysisonsomekeyissusessuchasfrequencyofthePWMcontroloutputfortherotorpre-position,thedirectionofmotorrotationandthecontrolledsynchronousswitchingofthemotor.

（4）ThedynamicmodelofbrushlessDCmotorisinvestigated,andthemodularsimulationmodeldependontheMatlab/Simulinkwasestablished,andsimulatedwithDouble-loopcascadecontrol.Thesimulationwaveformshowsthatthesystemhasgooddynamicandstaticcharacteristics.

ThisdesertationgivesadesignofmotorcontrolsystembasedonPSoCTMmanufacturedbyCypressinUS,andbuiltaprototypeplatform.TheexperimentalresultprovedthatthisBLDCMcontrolsystemhavebroadprospectsforapplicationwithitssimplicityandsuitability.

KEYWORDS:

BrushlessDCmotor,sensorlesscontrol,rotorpositiondetection,zerostarting

第一章绪论

1.1课题的背景和意义

随着社会的发展，我国汽车工业发展迅速，2009年我国汽车产销量突破1300万辆，同比增长创历年最高，中国成为世界第一汽车生产和消费国。

2010年我国汽车产销量双双突破1800万辆，不仅蝉联世界第一，且创全球历史新高。

而汽车工业的发展给我们的生活带来巨大变化的同时，人类也面临着石油危机、环境污染和交通堵塞等问题的困扰[1]。

随着经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，作为汽车主要能源的石油的需求一直持续大幅度上升。

根据海关总署的统计数据，2008年中国石油净进口量已超过2亿吨，占石油消费总量的52%。

据专家预测，未来中国的石油和天然气供应将出现更大的供需缺口，预计到2011年，中国的石油需求总量将达到4.5亿吨，到2020年达到6.1亿吨。

石油供应缺口分别超过2.5亿吨和4.1亿吨[2]。

目前为止，交通拥堵已经成为制约我国经济发展所面临的严重问题之一。

因此，在石油危机、环境污染和交通拥堵的强大压力下，节能减排、提高能源的利用效率已经成为我国当前社会的一项重要任务，解决城市交通问题也迫在眉睫。

而在此环境下，电动自行车以其小巧方便、节能、环保、占地面积小等特点，在我国深受广大消费者特别是工薪阶层、工人和农民的喜爱和欢迎，得到了迅速发展。

据不完全统计，2010年中国的电动车生产厂商已近2000家，配件厂商超过2400家，电动车行业从业人员达100万以上，国内电动车产量2250万辆，全年出口500多万辆，实现产值约700亿元。

目前，中国轻型电动车产销量占全球的90％以上，已成为全球最大的电动车生产、消费和出口国。

预计到2015年，全国轻型电动自行车的保有量将达4000万辆，出口量将达800万辆，总产值将达到1500多亿元[4-6]。

电动车之所以得到迅速发展，是由于电动车具有显著的优点。

首先，在同样的道路上骑行自行车单位时间内可通过人的数量要比乘坐小轿车多很多；其次，电动自行车每天的耗电为1千瓦时左右，相对于汽车的高能耗来说，电动自行车可以称得上是节能的、绿色无污染的交通工具；第三，电动自行车摆脱了单纯对石油的依赖，而电力的来源途径很多，如核能、太阳能、风力、水力、氢动力（燃料电池）等等。

另外电动自行车还有一个特性，就是可以在晚上利用电力“谷底”时间充电，可以大幅度提高了电力资源的利用效率。

因此电动自行车行业的