開題報告-無位置傳感器bldc驅(qū)動系統(tǒng)的變負(fù)載他控特性研究

1、<p>　　本科畢業(yè)論文（設(shè)計）</p><p><b>　　開 題 報 告</b></p><p>　論文題目無位置傳感器BLDC驅(qū)動系統(tǒng)的變負(fù)載他控特性研究 </p><p>　班 級</p><p>　姓 名</p><p>　院（系）</p><p&g

2、t;　導(dǎo) 師</p><p>　開題時間</p><p>　　1．課題研究的目的和意義</p><p>　　永磁式同步電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高，和直流電機(jī)相比，它沒有直流電機(jī)的換向器和電刷等缺點。和其他類型交流電動機(jī)相比，它由于沒有勵磁電流，因而效率高，功率因數(shù)高，力矩慣量比較大，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測、控制性能好；但

3、它與異步電機(jī)相比，也有成本高、起動困難等缺點。和普通同步電動機(jī)相比，它省去了勵磁裝置，簡化了結(jié)構(gòu)，提高了效率。永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動態(tài)性能、大范圍的調(diào)速或定位控制，因此永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。近些年，人們對它的研究也越來越感興趣，在醫(yī)療器械、化工、輕紡、數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、計算機(jī)外設(shè)、儀器儀表、微型汽車和 電動自行車等領(lǐng)域中都獲得應(yīng)用。 永磁電機(jī)有節(jié)能效果，體積小、重量輕、可

4、實現(xiàn)直接驅(qū)動且維修費用低廉，在許多領(lǐng)域里有明顯的競爭優(yōu)勢。近年來，永磁電機(jī)在國外發(fā)展迅速，已在采暖通風(fēng)（HEVAC）、汽車、機(jī)車車輛、艦船電傳動、風(fēng)力發(fā)電、伺服驅(qū)動、航空航天、石油機(jī)械、工程機(jī)械、國防等領(lǐng)域得到應(yīng)用，功率從幾千瓦到數(shù)兆瓦，在其中一些領(lǐng)域已形成規(guī)模生產(chǎn)（如：HEVAC,伺服驅(qū)動等）。</p><p>　　盡管永磁同步電動機(jī)的控制技術(shù)得到了很大的發(fā)展，各種控制技術(shù)的應(yīng)用也在逐步成熟，比如SVPWM、D

5、TC、SVM、DTC自適應(yīng)方法等都在實際中得到應(yīng)用。然而，在實際應(yīng)用中，各種控制策略都存在著一定的不足，如低速特性不夠理想，過分依賴于電機(jī)的參數(shù)等等。因此，對控制策略中存在的問題進(jìn)行研究就有著十分重大的意義。</p><p><b>　　2．國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　永磁同步電動機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，主要由電機(jī)本體，位置檢測技術(shù)，功率逆變器和

6、相關(guān)功率開關(guān)組成，它的發(fā)展與永磁材料、電力電子技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)和檢測技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。這些相關(guān)技術(shù)是極具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d技術(shù)，必將在21世紀(jì)蓬勃發(fā)展，為永磁同步電動機(jī)的發(fā)展提供不竭的動力。下面從每一部分來分析永磁同步電動機(jī)的研究現(xiàn)狀。</p><p>　　2.1 永磁同步電動機(jī)</p><p>　　電機(jī)本體作為永磁無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的核心部分，它的好壞直接決定整個控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。在電

7、機(jī)本體設(shè)計中，應(yīng)通過合理設(shè)計，使反電動勢波形逼近理想波形。在PMSM中，電機(jī)的反電動勢的形狀基本是正弦的，其正弦的純度取決于永磁材料充磁的質(zhì)量。如果永磁鐵在轉(zhuǎn)子中的放置正確，純正弦的氣隙密度是可以得到的。因為實際上定子繞組不會精確正弦分布，因此其氣隙密度也只能是近似正弦。</p><p>　　PMSM電機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和永磁體的安裝方法對電機(jī)的性能影響很大。、面貼式永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、轉(zhuǎn)動慣量小，在工業(yè)上

8、得到了廣泛應(yīng)用。另外，這種類型的電機(jī)易于優(yōu)化設(shè)計，可將氣隙磁場設(shè)計成近似正弦分布，從而減小磁場諧波及其負(fù)面效應(yīng)，提高電機(jī)的運(yùn)行性能。插入式永磁同步電機(jī)可以充分利用轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不對稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)的功率密度，使得電機(jī)的動態(tài)性能較面貼式有所改善，制造也較方便，所以常被傳動系統(tǒng)中的永磁同步電機(jī)采用，缺點是漏磁系數(shù)和制造成本較面貼式都大。內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，能有效地避免永磁體失磁。采用內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電

9、機(jī)動、靜態(tài)性能好，廣泛應(yīng)用在動態(tài)性能要求高的交流調(diào)速傳動系統(tǒng)中，缺點是轉(zhuǎn)子漏磁系數(shù)最大。對于采用稀土永磁材料的電機(jī)來說，由于永磁材料的相對回復(fù)磁導(dǎo)率接近，所以,面貼式永磁同步電機(jī)在電磁性能上屬于隱極永磁同步電機(jī)而插入式永磁同步電機(jī)相鄰兩永磁磁極間有著磁導(dǎo)率很大的鐵磁材料，故在電磁性能上屬于凸極永磁同步電機(jī)，內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)在電磁性能上也屬于凸極永磁同步電機(jī)，且凸極率更高。</p><p>　　除此之外，PMSM

10、的結(jié)構(gòu)特點之一是轉(zhuǎn)子由永磁材料組成，因此，永磁材料性能的優(yōu)劣將直接影響PMSM的磁路尺寸，電機(jī)本體體積，成本及功能指標(biāo)和運(yùn)行特性等。所以加快永磁材料工業(yè)的發(fā)展，研究開發(fā)出更高性能比的永磁材料，對進(jìn)一步推動PMSM朝著高性能，多品種方向發(fā)展具有重要意義。</p><p><b>　　2.2 逆變器</b></p><p>　　電力電子器件是現(xiàn)代PMSM發(fā)展的支柱。電力電

11、子技術(shù)自20世紀(jì)50年代后期誕生以來，發(fā)展速度很快,特別是70年代后期，各種高速全控型器件先后問世，使電力電子技術(shù)朝著全控化、集成化、高頻化和多功能化方向發(fā)展，為逆變器實現(xiàn)智能化、高頻化和小型化等創(chuàng)造了條件。在交流電機(jī)控制系統(tǒng)的功率變換電路大部分采用三相電壓型PWM逆變器。在PWM技術(shù)中采用功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)，開關(guān)頻率可達(dá)10KHz以上，電磁噪聲和電流波形都得到了改善。這些為PMSM的整流電

12、路和逆變電路性能的提高開辟了道路。</p><p>　　2.3 無位置傳感器轉(zhuǎn)子位子檢測技術(shù)</p><p>　　無位置傳感器控制方式常用的方法有反電動勢法(Back-EMF)、定子三次諧波檢測法、定子電感法、續(xù)流二極管電流通路檢測法、磁鏈估計法和狀態(tài)觀測器法等。磁鏈估計法、狀態(tài)觀測器法建立在電機(jī)參數(shù)精確預(yù)知的條件下，實際情況往往難以滿足要求；反電動勢法由于實用有效且容易實現(xiàn)而得到廣泛應(yīng)用

13、。</p><p>　　2.4 永磁同步電動機(jī)的控制策略</p><p>　　任何電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩都是由主磁場和電樞磁場相互作用產(chǎn)生的。直流電動機(jī)的主磁場和電樞磁場在空間互差90°，因此可以獨立調(diào)節(jié)；交流電機(jī)的主磁場和電樞磁場互不垂直，互相影響。因此，長期以來，交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制性能較差。經(jīng)過長期研究，目前的交流電機(jī)控制有恒壓頻比控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等方案。</p

14、><p>　　2.4.1 恒壓頻比控制</p><p>　　恒壓頻比控制是一種開環(huán)控制。它根據(jù)系統(tǒng)的給定，利用空間矢量脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)化為期望的輸出電壓uout進(jìn)行控制，使電動機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。在一些動態(tài)性能要求不高的場所，由于開環(huán)變壓變頻控制方式簡單，至今仍普遍用于一般的調(diào)速系統(tǒng)中，但因其依據(jù)電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型，無法獲得理想的動態(tài)控制性能，因此必須依據(jù)電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。永磁同步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)

15、學(xué)模型為非線性、多變量，它含有ω與id或iq的乘積項，因此要得到精確的動態(tài)控制性能，必須對ω和id，iq解耦。近年來，研究各種非線性控制器用于解決永磁同步電動機(jī)的非線性特性。</p><p>　　2.4.2 矢量控制</p><p>　　矢量控制亦稱磁場定向控制(FOC),其基本思想是在普通的三相交流電動機(jī)上設(shè)法模擬直流電動機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律，在磁場定向坐標(biāo)上，將電流矢量分解成為產(chǎn)生磁通的勵

16、磁電分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，并使得兩個分量互相垂直，彼此獨立，然后分別進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，從原理和特性上就和直流電動機(jī)相似了。因此矢量控制的關(guān)鍵仍是對電流矢量的幅值和空間位置（頻率和相位）的控制。其本質(zhì)是:通過坐標(biāo)變換實現(xiàn)模擬直流電機(jī)的控制方法來對永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制,其實現(xiàn)步驟如下： </p><p>　　一、根據(jù)磁勢和功率不變的原則通過正交變換,將三相靜止坐標(biāo)變換成二相靜止坐標(biāo)

17、，也就是 Clarke 變換，將三相的電流先轉(zhuǎn)變到靜止坐標(biāo)系，再通過旋轉(zhuǎn)變換將二相靜止坐標(biāo)變成二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，也就是 Park 變換，Park 變換中定子電流矢量被分解成按轉(zhuǎn)子磁場定向的 2 個直流分量 id、iq(其中 id 為勵磁電流分量,iq 為轉(zhuǎn)矩電流分量)。 </p><p>　　二、通

18、過控制器對其速度電流環(huán)進(jìn)行控制,控制 id 就相當(dāng)于控制磁通,而控制 iq 就相當(dāng)于控制轉(zhuǎn)矩。Iq 調(diào)節(jié)參考量是由速度控制器給出，經(jīng)過電流環(huán)調(diào)節(jié)后得出其 d，q 軸上的電壓分量即 ud 和 uq。. </p><p>　　三、控制量 ud 和 uq 通過 

19、Park 逆變換。 </p><p>　　四、根據(jù)SVPWM 空間矢量合成方法實現(xiàn)矢量控制量輸出，達(dá)到矢量控制的目的。</p><p>　　2.4.3 直接轉(zhuǎn)矩控制</p><p>　　矢量控制方案是一種有效的交流伺服電動機(jī)控制方案。但因其需要復(fù)雜的矢量旋轉(zhuǎn)變換，而且電動機(jī)的機(jī)械常數(shù)低于電磁常數(shù)，所以不能迅速地響應(yīng)矢量控制中的轉(zhuǎn)矩。針對

20、矢量控制的這一缺點，德國學(xué)者Depenbrock于上世紀(jì)80年代提出了一種具有快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性的控制方案，即直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)。該控制方案摒棄了矢量控制中解耦的控制思想及電流反饋環(huán)節(jié)，采取定子磁鏈定向的方法，利用離散的兩點式控制直接對電動機(jī)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快等優(yōu)點。DTC最早用于感應(yīng)電動機(jī)，1997年L Zhong等人對DTC算法進(jìn)行改造，將其用于永磁同步電動機(jī)控制，目前已有相關(guān)的仿真和實驗研究。&l

21、t;/p><p>　　DTC方法實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的雙閉環(huán)控制。在得到電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩值后，即可對永磁同步電動機(jī)進(jìn)行DTC。圖2給出永磁同步電機(jī)的DTC方案結(jié)構(gòu)框圖。它由永磁同步電動機(jī)、逆變器、轉(zhuǎn)矩估算、磁鏈估算及電壓矢量切換開關(guān)表等環(huán)節(jié)組成，其中ud，uq，id，iq為靜止(d，q)坐標(biāo)系下電壓、電流分量。</p><p>　　雖然，對DTC的研究已取得了很大的進(jìn)展，但在理論和實踐上還不夠成熟

22、，例如：低速性能、帶負(fù)載能力等，而且它對實時性要求高，計算量大。</p><p>　　2.4.4 解耦控制</p><p>　　永磁同步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型經(jīng)坐標(biāo)變換后，id，id之間仍存在耦合，不能實現(xiàn)對id和iq的獨立調(diào)節(jié)。若想使永磁同步電動機(jī)獲得良好的動、靜態(tài)性能，就必須解決id，iq的解耦問題。若能控制id恒為0，則可簡化永磁同步電動機(jī)的狀態(tài)方程式為：</p><p&

23、gt;　　此時，id與iq無耦合關(guān)系，Te=npψfiq，獨立調(diào)節(jié)iq可實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的線性化。實現(xiàn)id恒為0的解耦控制，可采用電壓型解耦和電流型解耦。前者是一種完全解耦控制方案，可用于對id，iq的完全解耦，但實現(xiàn)較為復(fù)雜；后者是一種近似解耦控制方案，控制原理是：適當(dāng)選取id環(huán)電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使其具有相當(dāng)?shù)脑鲆?，并始終使控制器的參考輸入指令id*=O，可得到id≈id*=0，iq≈iq*o，這樣就獲得了永磁同步電動機(jī)的近似解耦。雖然電流型

24、解耦控制方案不能完全解耦，但仍是一種行之有效的控制方法，只要采取較好的處理方式，也能得到高精度的轉(zhuǎn)矩控制。因此，工程上使用電流型解耦控制方案的較多。然而，電流型解耦控制只能實現(xiàn)電動機(jī)電流和轉(zhuǎn)速的靜態(tài)解耦，若實現(xiàn)動態(tài)耦合會影響電動機(jī)的控制精度。另外，電流型解耦控制通過使耦合項中的一項保持不變，會引入一個滯后的功率因數(shù)。</p><p>　　3. 本課題的研究內(nèi)容及技術(shù)方案</p><p>　

25、　本論文主要研究永磁同步電動機(jī)的矢量控制及其建模與仿真，主要使用MATLAB軟件進(jìn)行仿真。研究建模和仿真的關(guān)系，及仿真在實際應(yīng)用中的意義。以及永磁同步電動機(jī)在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，建立永磁同步電機(jī)矢量控制閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型，分析結(jié)果終結(jié)其優(yōu)缺點。</p><p>　　永磁同步電機(jī)矢量控制的實質(zhì)是對定子電流的控制來實現(xiàn)交流永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制。若使兩相d-q坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)子磁鏈同步旋轉(zhuǎn)，并進(jìn)一步將d軸取在轉(zhuǎn)子磁鏈方向

26、上，則轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)矩分別由定了電流的勵磁分量Isd，和轉(zhuǎn)矩分量Isq獨立控制。轉(zhuǎn)速在基速以下時，在定子電流給定的情況下，控制Id=0，可以更有效的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，這時電磁轉(zhuǎn)矩Te=1.5pnIqψf，電磁轉(zhuǎn)矩就隨著Iq的變化而變化。在控制系統(tǒng)只要控制Iq大小就能控制轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)矢量控制。當(dāng)轉(zhuǎn)了磁鏈幅值保持恒定時，系統(tǒng)可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子磁鏈的矢量控制。</p><p>　　研究永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)、運(yùn)行原理和工作特性，充

27、分利用實驗室已有條件，將理論與實際結(jié)合；</p><p>　　熟悉掌握實驗室永磁同步電機(jī)的硬件電路和軟件程序，力求能夠達(dá)到將設(shè)計的控制策略利用已有電機(jī)進(jìn)行驗證；</p><p>　　研究PMSM的數(shù)學(xué)模型，了解其性能的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)指標(biāo)及其影響因素，熟悉各種控制策略；</p><p>　　基于永磁同步電機(jī)的矢量控制原理，利用MATLAB仿真工具，建立了系統(tǒng)的仿真模型。根

28、據(jù)模塊化建模思想，將控制系統(tǒng)分割為各個功能獨立的子模塊。通過這些功能模塊的有機(jī)整合，可以在MATLAB/SIMULINK中搭建出永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，實現(xiàn)永磁同步電機(jī)矢量控制。觀察電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、定子線電流波形。</p><p>　　5）搭建硬件平臺，編寫和調(diào)試單片機(jī)程序，進(jìn)行實驗驗證；</p><p><b>　　4. 本設(shè)計的特色</b></

29、p><p>　　1）本設(shè)計建立在對永磁同步電動機(jī)的深入分析基礎(chǔ)上，永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是目前新能能源車輛的主流驅(qū)動系統(tǒng)，矢量控制可以滿足系統(tǒng)的動態(tài)特性要求。針對特定車型用的永磁同步電機(jī)，建立矢量控制仿真模型，研究系統(tǒng)的各項動態(tài)指標(biāo)與控制算法的關(guān)系。</p><p>　　2）矢量控制是永磁同步電機(jī)研究的難點和熱點。而隨著永磁同步電機(jī)應(yīng)用范圍的日益擴(kuò)大，對其期望性能的要求也逐步提高，所以對其控制系

30、統(tǒng)進(jìn)行深入仿真研究也對實際電機(jī)的控制策略設(shè)計具有指導(dǎo)性意義；</p><p>　　3）本設(shè)計不止建立在MATLAB/SIMULINK仿真平臺上，而且可以充分利用實驗室條件進(jìn)行試驗驗證。</p><p><b>　　5. 進(jìn)度安排</b></p><p>　　第1周至第3周：查閱相關(guān)資料，翻譯外文資料，熟悉軟件，撰寫開題報告；</p>

31、<p><b>　　第4周：開題答辯；</b></p><p>　　第5周至第12周：對定負(fù)載下電機(jī)起動進(jìn)行深入分析基礎(chǔ)上，建立變負(fù)載下的他控模型；</p><p>　　第13周至第15周：對變負(fù)載下的他控模型進(jìn)行分析和實驗驗證；</p><p>　　第16周至18周： 撰寫畢業(yè)設(shè)計論文，復(fù)查設(shè)計內(nèi)容，準(zhǔn)備答辯。</p>

32、;<p><b>　　6. 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 王磊：無位置傳感器無刷直流電機(jī)啟動方法的研究 西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 2010.6</p><p>　　[2] 許鵬，曹建波，曹秉剛：無位置傳感器直流無刷電機(jī)軟件起動 電機(jī)與控制學(xué)報 Vol.13 No.5 2009.9</p><p>　　[3

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42、a Brushless DC(BLDC) Motor/Generator Drive in Electric and Hybrid Electric Vehicles IEEE 2006</p><p>　　[18] 王迎發(fā)，夏長亮，陳煒 基于模糊規(guī)則的無刷直流電機(jī)起動策略 中國電機(jī)工程學(xué)報 Vol.29 No.30 2009.8 </p><p>　　[19] 楊瑞坤，陳長興，徐浩翔

43、 基于母線電流脈動的無刷直流電機(jī)斷相故障診斷法 空軍工程大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版） Vol.9 No.5 2008.8</p><p>　　[20] 馬瑞卿，劉衛(wèi)國 無刷直流電機(jī)控制中幾個技術(shù)問題分析 </p><p>　　[21] 王冉冉，劉玉慶 無位置傳感器無刷直流電機(jī)起動的比較與研究 伺服技術(shù) 1001-6848 2003</p><p>　　[22] 史婷

44、娜，吳曙光，方孜同 無位置傳感器永磁無刷直流電機(jī)的起動控制研究 中國電機(jī)工程學(xué)報 Vol.29 No.6 2009.2 </p><p>　　[23] 李強(qiáng)，林明耀，李海文，楊沛琪 無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)及其起動分析 伺服技術(shù) 1001-6848 2003</p><p>　　[24] 曹建波，曹秉剛，王斌，許鵬 電動車用無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制研究 西安交通大學(xué)學(xué)

45、報 Vol.45 No.5 2008.5</p><p>　　[25] 江國棟 無刷直流電機(jī)啟動特性分析 南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)報 Vol.10 No.2 2010.1</p><p>　　[26] 鄧燦，張森林 一種新的無刷直流電機(jī)啟動方法 伺服技術(shù) 1001-6828 2002</p><p>　　[27] 劉玉慶，王冉冉 基于DSP的永磁無刷直流電機(jī)起動策略

46、 山東大學(xué)學(xué)報 Vol.34 No.1 2004.2 </p><p>　　[28] 羅隆福，楊艷，吳素平 BLDCM無位置傳感器換向檢測和開環(huán)啟動的軟件實現(xiàn) 驅(qū)動控制 1004-7018 2002.5</p><p>　　開題報告檢查組意見：（以下空4~6行文字）</p><p><b>　　組長（簽字）：</b></p>