论文总字数：30719字

摘 要

无刷直流电机作为一种新型永磁电机，因其结构简单、调速范围宽等优点，正被逐步应用于精密仪器控制、工业生产以及军事等领域，因此，对于无刷直流电机的调速控制系统理论的研究也就具有现实意义。本文简单的介绍了无刷直流电机的研究背景和研究意义，以及无刷直流电机的基本结构和工作原理，分析无刷直流电机转矩脉动产生的原因，并给出抑制转矩脉动的方法，着重的探究无刷直流电机的空间矢量控制方法，给出了两种利用低分辨率位置传感器的霍尔信号估测电机转子的算法，利用Matlab Simulink得出仿真结果，并且对两种算法仿真结果进行比较，取各自算法的优点，给出改进后的算法模块，仿真结果表明，改进后的算法精度更高。在硬件控制电路上，以TI公司生产的TMS320F2812芯片为核心，同样采用空间矢量控制方法，调制六路SVPWM信号实现对电机的驱动。

关键词：无刷直流电机；SVPWM；霍尔信号；Matlab Simulink；TMS320F2812

Abstract

Brushless DC Motor(BLDCM) is a new permanent magnet motor. It has been gradually applied in precision instrument control, industrial production, military and other fields owing to its simple structure and wide speed range. Therefore, making a research on the control theory of BLDCM is of great practical significance. A brief introduction of the research background and significance of the BLDCM was made in this thesis. The causes that result in torque ripple of BLDCM were analyzed and Space vector pulse width modulation (SVPWM) of BLDCM technology was used to suppress the torque ripple. According to the Hall signals of three low-resolution position sensors, two estimating algorithms were adopted to reckon the rotor position. Furthermore, the above-mentioned algorithms were compared considering the location accuracy on the basis of the Matlab Simulink simulation results. A new estimating algorithm which integrated the advantages of the two above-mentioned algorithms was proposed. In the aspect of the hardware, TMS320F2812 was used as the core control chip in this system to adopt the space vector modulation method and generate six SVPWM signals to drive BLDCM.

Key words: BLDCM；SVPWM；Hall signal；Matlab Simulink；TMS320F2812

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 引言 1

1.1 课题的研究背景 1

1.2 课题的研究意义 1

1.3 课题的研究现状 1

1.4 本文工作 2

第二章 无刷直流电机结构和工作原理 3

2.1 无刷直流电机的基本组成 3

2.1.1 电动机本体 3

2.1.2 逆变器 3

2.1.3 位置传感器 3

2.2 无刷直流电机的数学模型 3

2.3 无刷直流电机的工作原理 5

2.4 无刷直流电机的转矩脉动抑制与矢量控制 7

2.4.1 无刷直流电机的转矩脉动 7

2.4.2 转矩脉动的抑制方法 7

2.4.3 矢量控制存在的技术难点 8

2.5 本章小结 8

第三章 无刷直流电机的控制策略 9

3.1 电压空间矢量PWM原理 9

3.1.1 电压空间矢量PWM控制原理 9

3.1.2 判断扇区 10

3.1.3 电压空间矢量PWM的法则推导 10

3.2 转子位置估算策略研究 12

3.2.1 基于低分辨率位置传感器的估算策略 12

3.2.2 位置传感器霍尔元件的位置信号 12

3.2.3 两种位置估算法的原理 13

3.2.4 两种位置估算法的仿真研究 14

3.2.5 改进算法三 19

3.3 本章小结 21

第四章 无刷直流电机的硬件设计 22

4.1 TMS320F2812简介 22

4.2无刷直流电机的硬件控制 23

4.2.1 驱动电路 23

4.2.2 稳压电路 23

4.2.3 通信电路 24

4.3 本章小结 24

第五章 无刷直流电机的矢量控制系统建模与仿真 25

5.1 无刷直流电机的矢量控制建模 25

5.2 无刷直流电机控制系统仿真结果 25

5.3 本章小结 27

第六章 总结 28

参考文献 29

致 谢 30

第一章 引言

1.1 课题的研究背景

人类进入20世纪后，随着功率半导体技术不断发展，高性能材料制造工艺不断改进，现代电力电子技术更加成熟，无刷直流电机作为电机产业的新星，因其优良特性使其备受关注，在日常生活中，我们使用最广泛的动力设备就是电动机，可以说，电机应用与我们的工作学习生活密切相关。目前，电动自行车已经基本上走进千家万户，以特斯拉为首的汽车公司更是在全球刮起了一股电动汽车热潮，而在这些交通工具往往离不开电机的参与，无刷直流电动机因其高性能而不断地被采用，无刷直流电机的转速调节方便，可靠性相对于其他电机来说很高，备受消费者的青睐，此外，在其他家用电器中也正在逐步采用无刷直流电机，例如除草机中采用的直流电机，洗衣机、吊扇中使用的单相异步电动机，以及空调冰箱中大量使用的变频驱动异步压缩机等等，这些电机都因自身的缺点而正在被无刷直流电机逐步取代。

无刷直流电机针对传统电机的缺点进行了一定的改进，无刷直流电机还具有机电转化效率高，损耗小，转速性能高，这些优点都使得无刷直流电机在要求节能高效的现代家用电器占据着优势，响应当今社会倡导的环保节能。在最近的几年里，日趋减少的不可再生资源石油、煤炭、天然气的储存量困扰着人类，节省节约逐渐成为了当今世界热度最高的话题之一，其实我们不仅仅要重视和节约自然资源，激增的人口数量以及人们生活质量的提高，家用电器越来越普及化，以及快速发展的经济，随之而来的就是我国的发电量已经不能够满足人们的日常生活的需要，现如今很多地方出现了用电荒，这将直接影响着人们的日常生活，所以，节约电能也是不容忽视的。而电动机作为主要耗电设备，我们只需对它进行更合理化的设计以及使用，可以节省大量的电能。因此，越来越多的人们将关注点转向电机的当前状况和发展前景，特别是具有高性能特点的无刷直流电机更是受到了科学家们和人们的追捧。

根据电机的气隙磁场分布及电枢电流波形的不同，无刷直流电机可以分为以下两种类型：一种是电枢电流为方波型的无刷直流电机BLDCM（Brushless DC Motor），主要是因为它的气隙磁场及电枢电流波形为梯形波，另一种是电枢电流为正弦波型的无刷直流电机，即永磁同步电机 PMSM（Permanent Magnet Synchronous Motor），主要是因为它的气隙磁场及电枢电流波形为正弦波^[4][12]。

1.2 课题的研究意义

无刷直流电机(BLDCM)首先在在结构上进行了独特的设计，克服了有刷直流电机容易产生不易换向、容易产生环火等等不足,无刷直流电机还具有散热方便、损耗小、输出转矩大的特点。传统的直流电机采用电刷以及换向器，而现代的BLDCM采用电子换向器，进一步提高了整个电机运行的可靠性，还降低了电机运行的噪声和简化其结构。

BLDCM的优点还有很多，比如无刷直流电机在启动时输出的电磁力矩大、电机的结构比较简单、功率体积比大、调速范围宽等，因此在家电、工业、玩具、汽车、医疗和航空等行业中得到了广泛的发展与运用。

长期以来，人类致力于异步电动机变频调速的研究，其实就是为了有效得控制电磁转矩达到控制转速的目的，而无刷直流电机具有调速范围宽﹑物理结构简单、占用空间小﹑机电转化率高和转速误差小等特点，这样无刷直流电机在调速领域的优势也就更加明显，因此产业界对于高性能电机的需求问题也就迎刃而解。

无刷直流电机因其简单的基本结构、调速范围宽、速度误差小，正被逐步应用于精密仪器控制、工业生产以及军事等领域，并逐步地取代传统的有刷直流电机控制系统。而且，我国的稀土资源种类十分齐全，并且全国的稀土总蕴含量世界第一，这些资源让我国在研究无刷直流电机时更具有优势，降低了成本。随着人类科学不断向前发展，材料科学技术不断进步，电力电子技术以及传感技术的不断完善，自动控制理论研究不断向前推进，BLDCM在控制调速系统中将会扮演越来越重要的角色。所以，针对无刷直流电机控制调速系统的研究也就越发具有现实意义。

1.3 课题的研究现状

无刷直流电机在电机本体结构上做了一定的改进，无刷直流电动机的转子多采用高磁能积的稀土钕铁硼材料制成的永磁体^[5]。无刷直流电机的机电转化率高，高效区域面积大，输出的转矩大，启动转矩大，功率因数接近1，整个系统效率大于90%，不管在何种情况下，永磁无刷直流电机的转子的转速都是同步速，交流流频电机主要是利用改变供电电源的频率来进行电机的调速，而无刷直流电机主要是利用改变电机的转速来达到变频的目的，由于无刷直流电机转子速度为同步速，转子磁场与定子磁场相对静止，因此电机的转子既不会产生铜耗，也不会产生铁耗。无刷直流电机的优点在于低电压特性良好，很强的转矩过载特性，在电机刚启动时输出转矩大、电枢电流小。

无刷直流电机也叫直流变频电机，主要是因为无刷直流电机不仅保留传统有刷直流电机的某些优点，同时通过无刷直流电机的逆变器开关管切换来调节的电机端电压频率，无刷直流电机的带负载能力强，电机在低转速情况下，电磁转矩较大，电机转速平稳。当同步电机采用调节电源频率来调节电机转速时，如果启动时负载很大，此时需要给电枢绕组外加启动绕组，而采用自控式运行的无刷直流电机不存在给电枢绕组外加启动绕组的问题，即使负载突变，电机转速仍维持稳态运行。

在无刷直流电机的控制方法中，正弦波控制方式最为常见，以产生正弦的相电压为目的，无刷直流电机的正弦波控制方式可分为简易正弦矢量控制和复杂矢量控制，简易正弦控制方式中最为常见的是正弦脉宽调制以及空间矢量控制两种。

1.4 本文工作

本文主要是对无刷直流电机有位置控制调速系统的研究，在做仿真与实验之前，主要对无刷直流电机的原理、结构、特性等进行了解，查阅相关论文等文献，对整个系统的框架有了初步的认识。本文主要着重于采用空间矢量控制方法，系统采用三闭环控制，利用霍尔元件作为转子位置传感器，估测电机转子转速以及位置角，进而对无刷直流电机进行调速控制。在硬件电路上，介绍了TI公司的TMS320F2812芯片，以及介绍无刷直流电机调速系统的外围电路的原理图设计，具体工作如下。

1. 是绪论，主要讨论了课题的研究背景、现状以及意义。
2. 是无刷直流电机结构以及工作原理，主要介绍本文采用三三导通的工作方式，推导无刷直流电机的数学模型表达式，探究无刷直流电机转矩脉动产生的原因并给出抑制转矩脉动的意见。
3. 是无刷直流电机的控制策略，分为两大部分，第一部分详细介绍了空间矢量控制方法，给出步骤，第二部分主要研究转子位置估测算法，在原有两种算法的基础上，比较两种算法的优缺点，给出改进后的算法。
4. 是无刷直流电机的软硬件控制，给出无刷直流电机软硬件控制结构框图，并详细研究其中的三个典型电路。
5. 是无刷直流电机的实验仿真，得出仿真结果，并对仿真结果进行分析。
6. 是总结，总结全文所做的工作，指出有哪些优点与缺点。

第二章 无刷直流电机结构和工作原理

2.1 无刷直流电机的基本组成

近几年来，现代电力电子技术得到不断提高，材料科学不断发展，作为一种新型特种电机，无刷直流电机也得到了迅速发展，无刷直流电机作为典型的机电一体化产品，集永磁电机、微处理器、功率变换器、检测元件、控制软件和硬件为一体，无刷直流电机在结构上大体可由三部分构成，分别是电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分^[5]，其原理图如图2-1所示。

图2-1无刷直流电机的原理图

2.1.1 电动机本体

电动机本体采用普通的反装式永磁电机，主要是由定转子构成，电机定子绕组通常作为电枢绕组，转子选择永磁体材料作为主体，在外部结构上与永磁同步电机转子相类似，电机转子产生的气隙磁场波形为梯形波，电机本体结构牢固可靠。

多相对称绕组采用串联或者并联的方式嵌放在电动机的定子槽中，线圈可采用集中式布线也可以采用分布式布线，电枢绕组接成星形或者三角形，在两相、三相、四相电机中，其中以三相电机最为常见，定子槽沿着圆周轴向开凿并且相互绝缘，线圈绕组均匀分布在定子槽中。为了避免定子齿同转子磁极相互对齐产生电磁力相互吸引，进而导致电机转子无切向电磁力而停转，因此在无刷直流电机中，电枢绕组的接线方式通常采用分数槽绕组接线。

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