哈工大开题报告-无位置传感器BLDC驱动系统的变负载他控特研究.doc

哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）开题报告 本科毕业论文（设计）开 题 报 告论文题目 无位置传感器BLDC驱动系统的变负载他控特性研究 班 级 姓 名 院（系） 导 师 开题时间 - 16 -1课题研究的目的和意义永磁式同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和其他类型交流电动机相比，它由于没有励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比较大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好；但它与异步电机相比，也有成本高、起动困难等缺点。和普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注。近些年，人们对它的研究也越来越感兴趣，在医疗器械、化工、轻纺、数控机床、工业机器人、计算机外设、仪器仪表、微型汽车和电动自行车等领域中都获得应用。 永磁电机有节能效果，体积小、重量轻、可实现直接驱动且维修费用低廉，在许多领域里有明显的竞争优势。近年来，永磁电机在国外发展迅速，已在采暖通风（HEVAC）、汽车、机车车辆、舰船电传动、风力发电、伺服驱动、航空航天、石油机械、工程机械、国防等领域得到应用，功率从几千瓦到数兆瓦，在其中一些领域已形成规模生产（如：HEVAC,伺服驱动等）。尽管永磁同步电动机的控制技术得到了很大的发展，各种控制技术的应用也在逐步成熟，比如SVPWM、DTC、SVM、DTC自适应方法等都在实际中得到应用。然而，在实际应用中，各种控制策略都存在着一定的不足，如低速特性不够理想，过分依赖于电机的参数等等。因此，对控制策略中存在的问题进行研究就有着十分重大的意义。2国内外研究现状永磁同步电动机是一种典型的机电一体化产品，主要由电机本体，位置检测技术，功率逆变器和相关功率开关组成，它的发展与永磁材料、电力电子技术、计算机控制技术和检测技术的发展密切相关。这些相关技术是极具发展潜力的新兴技术，必将在21世纪蓬勃发展，为永磁同步电动机的发展提供不竭的动力。下面从每一部分来分析永磁同步电动机的研究现状。2.1 永磁同步电动机电机本体作为永磁无刷直流电机控制系统的核心部分，它的好坏直接决定整个控制系统的优劣。在电机本体设计中，应通过合理设计，使反电动势波形逼近理想波形。在PMSM中，电机的反电动势的形状基本是正弦的，其正弦的纯度取决于永磁材料充磁的质量。如果永磁铁在转子中的放置正确，纯正弦的气隙密度是可以得到的。因为实际上定子绕组不会精确正弦分布，因此其气隙密度也只能是近似正弦。PMSM电机转子的结构和永磁体的安装方法对电机的性能影响很大。、面贴式永磁同步电机结构简单、制造方便、转动惯量小，在工业上得到了广泛应用。另外，这种类型的电机易于优化设计，可将气隙磁场设计成近似正弦分布，从而减小磁场谐波及其负面效应，提高电机的运行性能。插入式永磁同步电机可以充分利用转子磁路结构不对称性所产生的磁阻转矩，提高电机的功率密度，使得电机的动态性能较面贴式有所改善，制造也较方便，所以常被传动系统中的永磁同步电机采用，缺点是漏磁系数和制造成本较面贴式都大。内嵌式永磁同步电机的永磁体位于转子内部，能有效地避免永磁体失磁。采用内嵌式转子结构的永磁同步电机动、静态性能好，广泛应用在动态性能要求高的交流调速传动系统中，缺点是转子漏磁系数最大。对于采用稀土永磁材料的电机来说，由于永磁材料的相对回复磁导率接近，所以,面贴式永磁同步电机在电磁性能上属于隐极永磁同步电机而插入式永磁同步电机相邻两永磁磁极间有着磁导率很大的铁磁材料，故在电磁性能上属于凸极永磁同步电机，内嵌式永磁同步电机在电磁性能上也属于凸极永磁同步电机，且凸极率更高。除此之外，PMSM的结构特点之一是转子由永磁材料组成，因此，永磁材料性能的优劣将直接影响PMSM的磁路尺寸，电机本体体积，成本及功能指标和运行特性等。所以加快永磁材料工业的发展，研究开发出更高性能比的永磁材料，对进一步推动PMSM朝着高性能，多品种方向发展具有重要意义。2.2 逆变器电力电子器件是现代PMSM发展的支柱。电力电子技术自20世纪50年代后期诞生以来，发展速度很快,特别是70年代后期，各种高速全控型器件先后问世，使电力电子技术朝着全控化、集成化、高频化和多功能化方向发展，为逆变器实现智能化、高频化和小型化等创造了条件。在交流电机控制系统的功率变换电路大部分采用三相电压型PWM逆变器。在PWM技术中采用功率场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极性晶体管(IGBT)，开关频率可达10KHz以上，电磁噪声和电流波形都得到了改善。这些为PMSM的整流电路和逆变电路性能的提高开辟了道路。2.3 无位置传感器转子位子检测技术 无位置传感器控制方式常用的方法有反电动势法(Back-EMF)、定子三次谐波检测法、定子电感法、续流二极管电流通路检测法、磁链估计法和状态观测器法等。磁链估计法、状态观测器法建立在电机参数精确预知的条件下，实际情况往往难以满足要求；反电动势法由于实用有效且容易实现而得到广泛应用。2.4 永磁同步电动机的控制策略 任何电动机的电磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互作用产生的。直流电动机的主磁场和电枢磁场在空间互差90，因此可以独立调节；交流电机的主磁场和电枢磁场互不垂直，互相影响。因此，长期以来，交流电动机的转矩控制性能较差。经过长期研究，目前的交流电机控制有恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制等方案。2.4.1 恒压频比控制恒压频比控制是一种开环控制。它根据系统的给定，利用空间矢量脉宽调制转化为期望的输出电压uout进行控制，使电动机以一定的转速运转。在一些动态性能要求不高的场所，由于开环变压变频控制方式简单，至今仍普遍用于一般的调速系统中，但因其依据电动机的稳态模型，无法获得理想的动态控制性能，因此必须依据电动机的动态数学模型。永磁同步电动机的动态数学模型为非线性、多变量，它含有与id或iq的乘积项，因此要得到精确的动态控制性能，必须对和id，iq解耦。近年来，研究各种非线性控制器用于解决永磁同步电动机的非线性特性。2.4.2 矢量控制矢量控制亦称磁场定向控制(FOC),其基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成为产生磁通的励磁电分量和产生转矩的转矩电流分量，并使得两个分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。这样交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就和直流电动机相似了。因此矢量控制的关键仍是对电流矢量的幅值和空间位置（频率和相位）的控制。其本质是:通过坐标变换实现模拟直流电机的控制方法来对永磁同步电机进行控制,其实现步骤如下：一、根据磁势和功率不变的原则通过正交变换,将三相静止坐标变换成二相静止坐标，也就是Clarke变换，将三相的电流先转变到静止坐标系，再通过旋转变换将二相静止坐标变成二相旋转坐标，也就是Park变换，Park变换中定子电流矢量被分解成按转子磁场定向的2个直流分量id、iq(其中id为励磁电流分量,iq为转矩电流分量)。二、通过控制器对其速度电流环进行控制,控制id就相当于控制磁通,而控制iq就相当于控制转矩。Iq调节参考量是由速度控制器给出，经过电流环调节后得出其d，q轴上的电压分量即ud和uq。.三、控制量ud和uq通过Park逆变换。四、根据SVPWM空间矢量合成方法实现矢量控制量输出，达到矢量控制的目的。2.4.3 直接转矩控制矢量控制方案是一种有效的交流伺服电动机控制方案。但因其需要复杂的矢量旋转变换，而且电动机的机械常数低于电磁常数，所以不能迅速地响应矢量控制中的转矩。针对矢量控制的这一缺点，德国学者Depenbrock于上世纪80年代提出了一种具有快速转矩响应特性的控制方案，即直接转矩控制(DTC)。该控制方案摒弃了矢量控制中解耦的控制思想及电流反馈环节，采取定子磁链定向的方法，利用离散的两点式控制直接对电动机的定子磁链和转矩进行调节，具有结构简单，转矩响应快等优点。DTC最早用于感应电动机，1997年L Zhong等人对DTC算法进行改造，将其用于永磁同步电动机控制，目前已有相关的仿真和实验研究。DTC方法实现磁链和转矩的双闭环控制。在得到电动机的磁链和转矩值后，即可对永磁同步电动机进行DTC。图2给出永磁同步电机的DTC方案结构框图。它由永磁同步电动机、逆变器、转矩估算、磁链估算及电压矢量切换开关表等环节组成，其中ud，uq，id，iq为静止(d，q)坐标系下电压、电流分量。虽然，对DTC的研究已取得了很大的进展，但在理论和实践上还不够成熟，例如：低速性能、带负载能力等，而且它对实时性要求高，计算量大。2.4.4 解耦控制永磁同步电动机数学模型经坐标变换后，id，id之间仍存在耦合，不能实现对id和iq的独立调节。若想使永磁同步电动机获得良好的动、静态性能，就必须解决id，iq的解耦问题。若能控制id恒为0，则可简化永磁同步电动机的状态方程式为：此时，id与iq无耦合关系，Te=npfiq，独立调节iq可实现转矩的线性化。实现id恒为0的解耦控制，可采用电压型解耦和电流型解耦。前者是一种完全解耦控制方案，可用于对id，iq的完全解耦，但实现较为复杂；后者是一种近似解耦控制方案，控制原理是：适当选取id环电流调节器的参数，使其具有相当的增益，并始终使控制器的参考输入指令id*=O，可得到idid*=0，iqiq*o，这样就获得了永磁同步电动机的近似解耦。虽然电流型解耦控制方案不能完全解耦，但仍是一种行之有效的控制方法，只要采取较好的处理方式，也能得到高精度的转矩控制。因此，工程上使用电流型解耦控制方案的较多。然而，电流型解耦控制只能实现电动机电流和转速的静态解耦，若实现动态耦合会影响电动机的控制精度。另外，电流型解耦控制通过使耦合项中的一项保持不变，会引入一个滞后的功率因数。3. 本课题的研究内容及技术方案 本论文主要研究永磁同步电动机的矢量控制及其建模与仿真，主要使用MATLAB软件进行仿真。研究建模和仿真的关系，及仿真在实际应用中的意义。以及永磁同步电动机在不同坐标系下的数学模型，建立永磁同步电机矢量控制闭环系统仿真模型，分析结果终结其优缺点。永磁同步电机矢量控制的实质是对定子电流的控制来实现交流永磁同步电机的转矩控制。若使两相d-q坐标系与转子磁链同步旋转，并进一步将d轴取在转子磁链方向上，则转子磁链与转矩分别由定了电流的励磁分量Isd，和转矩分量Isq独立控制。转速在基速以下时，在定子电流给定的情况下，控制Id=0，可以更有效的产生转矩，这时电磁转矩Te=1.5pnIqf，电磁转矩就随着Iq的变化而变化。在控制系统只要控制Iq大小就能控制转矩，实现矢量控制。当转了磁链幅值保持恒定时，系统可实现对转矩与转子磁链的矢量控制。1） 研究永磁同步电机的控制系统、运行原理和工作特性，充分利用实验室已有条件，将理论与实际结合；2） 熟悉掌握实验室永磁同步电机的硬件电路和软件程序，力求能够达到将设计的控制策略利用已有电机进行验证；3） 研究PMSM的数学模型，了解其性能的动态和稳态指标及其影响因素，熟悉各种控制策略；4） 基于永磁同步电机的矢量控制原理，利用MATLAB仿真工具，建立了系统的仿真模型。根据模块化建模思想，将控制系统分割为各个功能独立的子模块。通过这些功能模块的有机整合，可以在MATLAB/SIMULINK中搭建出永磁同步电机控制系统的仿真模型，实现永磁同步电机矢量控制。观察电机的转速、电磁转矩、定子线电流波形。5）搭建硬件平台，编写和调试单片机程序，进行实验验证；4. 本设计的特色1）本设计建立在对永磁同步电动机的深入分析基础上，永磁同步电机驱动系统是目前新能能源车辆的主流驱动系统，矢量控制可以满足系统的动态特性要求。针对特定车型用的永磁同步电机，建立矢量控制仿真模型，研究系统的各项动态指标与控制算法的关系。2）矢量控制是永磁同步电机研究的难点和热点。而随着永磁同步电机应用范围的日益扩大，对其期望性能的要求也逐步提高，所以对其控制系统进行深入仿真研究也对实际电机的控制策略设计具有指导性意义；3）本设计不止建立在MATLAB/SIMULINK仿真平台上，而且可以充分利用实验室条件进行试验验证。5. 进度安排第1周至第3周：查阅相关资料，翻译外文资料，熟悉软件，撰写开题报告；第4周：开题答辩；第5周至第12周：对定负载下电机起动进行深入分析基础上，建立变负载下的他控模型；第13周至第15周：对变负载下的他控模型进行分析和实验验证；第16周至18周： 撰写毕业设计论文，复查设计内容，准备答辩。6. 参考文献1 王磊：无位置传感器无刷直流电机启动方法的研究 西南交通大学硕士学位论文 2010.62 许鹏，曹建波，曹秉刚：无位置传感器直流无刷电机软件起动 电机与控制学报 Vol.13 No.5 2009.93 汤长波，顾敏明，潘海鹏：无位置传感器无刷直流电机启动方法研究 浙江理工大学学报 Vol.28 No.6 2011.114 孟伟光，李愧树，熊浩 无位置传感器无刷直流电机的起动控制原理与研究 防爆电机 Vol.45. No.2 2010.25 夏长亮，方红伟 永磁无刷直流电机及其控制 电工技术学报 Vol.27 No.3 2012.36 杨滔，李泉峰，昕晓光，吕征宇 无传感器无刷直流电机变负载运行的控制方法 浙江大学学报（工学版） Vol.46 No.5 2012.57 K wang-Woon Lee, Dae-Kyong Kim and Byung-Taek Kim: A Novel Starting Method of the Surface Permannet-Magnet BLDC Motors Without Postion Sensor for Reciprocating Compressor IEEE TRANSACUION ON INDUSTRY APPLICATION Vol.44 No.1 2008.18 沈建新，吕晓春，杜军红，陈永校 无位置传感器无刷直流电机三段式起动技术的深入分析 微特电机设计分析 1998.29 刘明基，王强，邹继斌，张豫 韩晓明 电动势换向无刷直流电机的预定位方式起动 理 论研究 1998.810 Ming Lu, Yaohua Lee A Novel Starting Method of Sensorless BLDC for Large Inertia Systems 2011 International Conference on Electronic&Mechanical Engineering and Information Technology 2011.811 林明耀，刘文勇，周谷庆 无位置传感器无刷直流电机短时脉冲定位加速方法 Vol26. No.9 2011.9 12 夏长亮 无刷直流电机控制系统 科学出版社 200913 Kai-Shen Kan, Ying-Yu Tzou Adaptive Soft Starting Method with Current Limit Strategy for Sensorless BLDC motors IEEE Trans. Power Electron. 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