无位置传感器BLDC控制系统关键技术研究与仿真-开题报告

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名： 学 号：学 院 、 系 ： 信息与通信工程学院 、电气工程系专 业 ： 电气工程及其自动化设 计 题 目 ： 无位置 传感器 BLDC 控制系统关 键 技 术 研 究 与 仿 真指 导 教 师 : 2013 年 3 月 10 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述：文 献 综 述1.1 课题研究背景及意义电机作为机电能量转换装置，其应用遍及国民经济的各个领域以及人们的正常生活中。它主要有同步电机、异步电机与直流电机三种。直流电机具有运行速率高和调速性能好等诸多优点，因此被广泛应用于各种调速系统中，但传统的有刷直流电机是以机械换向方法进行换向，存在相对的机械摩擦，由此带来噪声、火花及寿命短等弱点。相比而言，无刷直流电机的结构是以电力电子电路取代传统的有刷直流电机的电刷，既具有直流电机运行效率高，调速性能好等优点，同时也有交流电机运行结构简单、可靠、维护简单等优点，是一种高性能、高可靠性的机电一体化产品 12。为了实现永磁无刷直流电机控制系统的研究，需要知道电机转子的位置信号和速度信号。通过位置信号确定转子磁极位置，然后控制定子绕组的换向。通常，转子位置信号由一个光电式霍尔传感器给出，而传感器的存在给永磁无刷直流电机的应用带来不便：（1）为了安放传感器而增加的电机体积和成本；（2)传感器连线太多；（3）高温低温，污浊空气等环境及振动会降低传感器的可靠性；（4）传感器的安装精度直接影响电机的运行性能，相对增加了生产工艺的难度。近年来，随着半导体技术的快速进步与永磁材料的新发现，高性能、低成本的永磁无刷直流电机已成为调速系统的领军力量，它有巨大的开发潜质和广阔的应用前景，对我国国民经济的发展具有十分重要的意义。针对位置传感器带来的不利影响，近一二十年来，永磁无刷直流电机的无位置传感器控制一直是国内外的研究热点，也是直流电机控制器的发展方向 3。1.2 国内外研究的发展历程及现状1.2.1 国内外研究发展历程长期以来，直流电机因其优良的特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但普通的直流电机由于需要机械换向和电刷，可靠性差，需要经常维护，且换向时产生电磁干扰，噪声大，从而影响了直流电机在控制系统中的应用。为了克服机械换向带来的缺点，人们进行了长期的探索后，以电子换向取代机械换向的永磁无刷直流电机应用而生。而后经过人们多年的努力，随着许多的新型高性能半导体功率器件（如GTR,MOSFET,IGBT等）相继出现，以及高性能永磁材料的问世，均为无刷直流电机控制系统的广泛应用奠定了坚实的基础。我国永磁无刷直流电机的研制工作始于上世纪70年代初期，主要集中在一些科研院所和高等院校。1987年，在北京举办的联邦德国金属加工设备展览会，SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁同步伺服系统和驱动器，掀起了研制开发和技术引进的热潮。而认识到传感器的存在给永磁无刷直流电机的应用带来不便，所以掀起了人们对无位置传感器永磁无刷直流电机研究的高潮 34。1.2.2 课题研究现状近年来，由于使用位置传感器带来了诸多问题，无位置传感器永磁无刷直流电机的研究可谓是炙手可热，而关于无位置传感器的转子位置检测引起了人们的极大兴趣。目前，我国国内对无位置传感器永磁无刷直流电机控制做了较多的研究工作，如沈建新等人提出了利用如绕组端电压检测转子位置的方法；陈剑、陆云波等人提出的通过检测反电势中的三次谐波来获得转子位置的方法；哈尔滨工业大学的张福恩教授把反电势法应用于洗衣机电机的无传感器控制，取得了满意的效果 6。多年来，人们提出了许多实用方案，基本上可以归纳成五个方面：端电压法、电流法、磁链法、状态观测器法和人工智能方法。前三种方法的研究已相对比较成熟，并得到一定范围的应用，而人工智能方法估计转子位置的研究尚处于起步阶段。以下对上述方法进行简单介绍。端电压法是通过对电机绕组端电压的检测和处理来获得转子位置信号，它又有直接反电势法和反电势积分法；电流检测法是根据无刷直流电机相电流信号来估计转子位置信息，有直接相电流检测法、相电流变化率法和续流二极管法；磁链法有磁链函数法和转子磁链三次谐波法两种；状态观测器法又称为Kalman滤波法，它精简了转自位置和转子速度的单步预测，但其控制精度和运行范围要受到电压、电流检测精度的影响；人工智能技术具备一定的智能行为，能够产生合适的求解问题的响应。神经网络是人工智能控制途径之一，具有很强的自适应和自学习能力，但目前这种方法还不太成熟，它需要知道电机的初始磁链向量 78。1.3 本课题相关理论综述永磁无刷直流电机(BLDCM)是随着电力电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型电机。它的基本原理是借助转子位置信号，通过驱动电路驱动逆变电路的功率开关元件，使电枢绕组按照一定的顺序导通，从而电机气隙中产生旋转磁场，拖动永磁体转动。随着转子的转动，转子位置信号以一定规律变化，从而控制电枢绕组的导通和截止，实现了永磁无刷直流电机的运转。无刷直流电机由定子绕组、永磁转子、逆变器、转子磁极位置检测器等组成。其转子采用永久磁铁，进行特殊的磁路设计，可获得梯形波的气隙磁场。定子采用整距集中绕组，通过功率控制器控制各项绕组的通断状态以供给电机方波电流。在本课题中，对转子位置的检测拟采用反电势三次谐波检测法。这种方法适用于120导通、绕组星形接法的 BLDCM 控制中。通过对电枢三相相电压的简单叠加，反电动势的基波分量以及其它一些高次谐波分量由于相位互差 120而相互抵消，而三次谐波分量由于同相而叠加，可以从中提取三次谐波分量。在任何转速及负载下，三次谐波分量与转子磁势总是保持一个恒定的相位差，并且不受逆变器变流干扰的影响。由于这些特性，使得用三次谐波法来检测转子的位置成为一种有效的方法 1417。为了更好的观察滤波器的效果，得出最佳参数值，可运用 MATLAB 仿真软件对位置检测电路进行仿真。MATLAB 软件是由美国 Math works 公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算系统，被誉为“巨人肩上的工具” 。它的应用非常广泛：在大学里，MATLAB 软件正在成为对数值、线性代数以及其它一些高等应用数学课程进行辅助教学的有力工具，而在工程技术界，MATLAB 软件也被用来构建与分析一些实际课题的数学模型 20。 参考文献：1 易继锴，江祥贤，侯媛彬.电气传动自动控制原理与设计M.北京:北京工业大学 出版社，19972 张琛.直流无刷电动机原理及应用M.北京：机械工业出版社，19943 牛海清，谢运祥.无刷直流电动机及其控制技术的发展J.微电机，2002,35（5）：3638 4 龚俊，陆国林.无刷直流电机在工业中的应用与发展J.微种电机，2000,（4）： 15-185 李现兵，黄娟，师宇杰，王广州.现代电力电子器件与现状J6 陆云波.基于三次谐波检测法的无刷直流电动机微机控制系统的研究D.西安：西安交通大学，20017 吕志勇，江建中.永磁无刷直流电机无位置传感器综述J.中小型电机，2000,4:33368 蒋金良，刘海清，谢运祥.“无刷直流电动机转子位置的估计方法”.微电机，2003，No.19 刘豹.现代控制及理论.北京：机械工业出版社，199210 王翼，王秀峰.现代控制论基础.北京：高等教育出版社，1995 11 于长官.现代控制理论及应用.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,200212 王永.“反电动势”无刷直流电机控制系统研究D.南京：东南大学，200413 雷浩.无位置传感器无刷直流电动机控制系统研究D.武汉：华中科技大学，200614 董富红，纪志，沈艳霞，吴定会.直流无刷电机定子三次谐波反电势的过零检测及其相位修正J.中小型电机，2003,30（4）：18-2115 Zhigan Wu,Genfu Zhou,Jianping Ying.High Dynamic Sensorless BLDCM Drive with Very Wide Speed Range.Delta Power Electronics Center,Shanghai,China16 Wei Kun,Lou Zhengli,ZHANG Zhongchao.Research On the Commutation Current Prediction Control in Brushless DC MotorC.Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition,2005:938-94217 张相军.直流无刷无位置传感器控制中反电势过零测算法及其修正J.电气传动，2001（2）：14-1618 Yen Shin Lai,Fu-San Shyu,Yung-Hsin Chang.Novel Sensorless PWM-controlledBLDCM Drives Without wing Position and Current Sensor.Filter and Center-TapVoltage 19 杨佩琪.“反电势法”无位置传感器无刷直流电机控制系统研究和实现D.南京：东南大学，200420 黄忠霖.控制系统 MATLAB 计算及仿真.北京：国防工业出版社，2001 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：2.1 本课题要解决的问题本课题通过设计无位置传感器永磁无刷直流电机的位置检测方法，然后在 MATLAB环境下对位置检测电路进行仿真分析，得出最合适的参数值，以此实现无刷直流电机的精确控制。在研究过程中，需要解决的问题有：（1）掌握无位置传感器永磁无刷直流电机的结构，工作原理（2）建立永磁无刷直流电机的数学模型（3）设计 BLDC 无位置传感器的位置检测方法并研究相应的电机启动方案与过程分析（4）学会运用 MATLAB 仿真软件，进行位置检测电路仿真 2.拟采用的研究手段本课题对无位置传感器转子位置的检测拟采用三次谐波检