【正文】 特別感謝我同組的同學，他們對本課題做了不少工作，給予我不少的幫助。劉老師不僅在學業(yè)上給我以精心指導，同時還在思想、生活上給我以無微不至的關懷，在此謹向劉老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。他嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。 致 謝 首先，我要感謝我的班導，他嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的榜樣，給了起到了指明燈的作用；姚老師獨特的教學方式和結合實際的思路使我了解了專業(yè)與實際生產的聯(lián)系，讓我對專業(yè)有了興趣并為我的畢業(yè)設計打下了基礎。 ④通過本文的理論分析可知，轉子位置檢測誤差會引起無刷直流電機發(fā)生換相超前和滯后。同時對于系統(tǒng)的控制算法，PI 調節(jié)器在一些對電流或轉速的控制要求不是太精確的應用場合，可以滿足系統(tǒng)的控制精度和響應速度。本論文研究中完成的工作主要有以下幾個方面： ①設計了本控制系統(tǒng)的總體方案，并介紹了起動方法和控制方法的選擇與確定等幾個關鍵環(huán)節(jié)。因此展開對無位置傳感器無刷直流電機控制這一課題的相關研究，具有良好的應用價值和前景。 總 結 無刷直流電機是當今最高效率的調速電機。 在動態(tài)過程中，電流環(huán)保證母線電流不超過允許值，因而不希望電流有超調或超調越小越好。 在保證閉環(huán)控制系統(tǒng)響應速度的同時一方面降低了設計對速度控制要求較低的控制系統(tǒng)的復雜性，節(jié)約了成本和開發(fā)時間；另一方面又可以對起動時和運行過程中較大的電流尖峰進行限制。將這兩者結合，可以構造出性能比較完善的新型控制結構。在工業(yè)上獲得廣泛應用的傳統(tǒng) PID 控制器，有算法簡單、參數(shù)調整方便、魯棒性強和抗高頻干擾強的優(yōu)點。但在系統(tǒng)綜合要求較高的情況下，單環(huán)控制系統(tǒng)很難通過改變控制系數(shù)的辦法同時滿足系統(tǒng)的魯棒性、快速性和精準性等多方面的要求。因此對于一個傳動系統(tǒng)來說，存在一個給定升頻的問題，即要使電機達到較高的轉速，需要對定子磁場進行升頻控制，使得定子磁場旋轉速度漸進增加，從而逐步將電機牽入較高轉速。然后依次開通下一對主開關管即可起動電機。在本系統(tǒng)中，三相主開關依次導通 120186。定轉子磁勢的夾角大小決定了電磁轉矩為電動轉矩、零轉矩或制動轉矩，如果起動時不考慮轉子的初始位置，則電機起動成功與否具有很大的隨機性。 ③ 切換：即將電機從外同步方式切換到自控同步方式，當電機的轉速達到可以穩(wěn)定檢測反電勢過零點時，就可以按照控制策略切換到自控同步狀態(tài)運行。其過程為： ① 定位：導通預定繞組，并控制電流，使轉子轉動到預定位置。當電機的反電動勢的幅值隨著轉速的升高達到一定值，通過端電壓檢測已能夠確知轉子的位置時，將電機由他控同步運行切換到自控式運行。在比較了目前流行的一些起動方法的優(yōu)缺點和它們各自的適用場合后，確定在本系統(tǒng)中采用三段式法。在靜止或低速狀態(tài)下反電勢值為 0 或很小，無法用反電勢法來判定轉子的位置。此外，在相同的直流母線電壓下，與兩兩導通法相比，雖然三三導通所對應的電壓矢量幅值更大，但是兩兩導通電壓矢量施加后轉子位置剛好在下一次導通的換相位置，便于起動加速控制，所以電機轉子預定位法一般采用兩兩導通法。因此對于任意的轉子初始位置，采用一次定位方法都能可靠地實現(xiàn)電機轉子位置預定位，不會出現(xiàn)剛好被鎖死的情況。實驗證明，當轉子磁極與定子合成磁勢軸線剛好成180176。對于永磁無刷直流電機，能否只采用一次定位方法來實現(xiàn)對轉子位置的定位？即無論電機轉子初始位置處于360176。主電路中開關管的工作方式可以采用兩兩導通或三三導通來實現(xiàn)。時，電磁轉矩也剛好為 0，理論上將使得轉子無法定位到預定的位置，造成預定位失敗。該方法基本原理如下：先給電機定子施加一個確定的電壓矢量，則該電壓矢量產生一確定方向的定子合成磁鏈，如果施加的時間足夠長，則把轉子磁極強拖到與定子合成磁鏈軸線重合的位置，實現(xiàn)預定位。然后再利用升壓升頻軟件實現(xiàn)方法起動電機，并只需要電機轉動大約一個電周期就可以準確檢測到無刷直流電機的相（線）反電動勢的過零點，并切換到無刷直流電機無位置傳感器控制正常運行方式。該方法先利用兩兩導通和三三導通共十二個電壓矢量進行轉子初始位置30176。區(qū)間。采用預定位法檢測轉子初始位置時，只需要每次重新上電時進行一次預定位轉子初始位置即可，而無需每次起動均對轉子初始位置進行檢測，因此需要適當?shù)闹苿硬呗詠淼玫诫姍C停止時的轉子位置狀態(tài)，這對于電機頻繁的起動和正、反轉應用場合非常適用。眾所周知，在無位置傳感器控制下，必須確定轉子的初始位置，以便決定逆變器第一次應該觸發(fā)哪兩個功率器件。當和時，式()可以表示為： （)式()()表示相電流隨著換相滯后時間的增大而增大。但是因為 A 相反電動勢在期間不為常數(shù)，即 A 相反電動勢在期間不為常數(shù)，這使得各相電流的初始狀態(tài)與正常換相時不相同。同樣以電機 A 相正向導通向 B 相切換為例，此時 B、C 兩相繞組導通，電流由 B 相繞組流入，C相繞組流出，且 A 相繞組反電勢開始由大變小并由正到負，由于這時 B 相繞組反電勢為正，且為最大值；這樣通過 A 相上橋臂的續(xù)流二極管和 B 相繞組上橋臂功率開關管，A、B 兩相繞組間形成了另一個回路，電流由 B 相流向 A 相，等效電路如圖 所示。各相反電勢和電源供給電壓關系如圖 所示。 換相滯后 換相滯后是指電機的換相位置發(fā)生在正常換相位置的右側，即相電流滯后反電勢梯形平頂波一個電角度。由于這時 B 相反電勢比 A 相反電勢小，這樣，通過 A 相上橋臂的續(xù)流二極管和 B 相繞組上橋臂功率開關管，A、B 兩相間可以形成了另一個回路，電流由 A 相流向 B 相，等效電路如圖 所示。當電機 A 相正向導通向 B 相切換時，B、C 兩相繞組導通，電流由 B 相繞組流入，C 相繞組流出，B相繞組剛開始導通時反電勢為負值，與繞組外施電壓同相。各相反電勢和電源供給電壓關系如圖 所示。假定，則有 （）將()式代入()式可得換相完成后 B 相電流初始值為 （）再將()式代入()式，則有換相完成后各相電流為 （） 換相超前 換相超前是指電機的換相位置發(fā)生在正常換相位置的左側，即相電流超前反電勢梯形平頂波一個電角度。 當 A 相到 B 相電流換流結束時，只有 B 相和 C 相導通，A 相關斷 A 相電流為零，則 A 相電壓為，其中。 圖 正常換相邏輯 Fig. The Commutation Logic with mutation correcting 以 A 相為例，在 02p 區(qū)間內其反電動勢的函數(shù)表達 （） ()可以分析得到從A相到B相電流換相發(fā)生前的各相電流的初始狀態(tài)為 ,（） 其中為輸入的直流母線電壓，每相繞組反電動勢的幅值，為反電動勢常數(shù)。換相正常情況下各相反電動勢和電源供給電壓的關系如圖 所示。然而由于換相過程中存在反并聯(lián)二極管 D2 的續(xù)流作用，相電流的切換過程將受二極管的續(xù)流作用而不會立刻完成。 以相電流從 A 相換到 B 相的換相過程為例。如果反電動勢過零點時刻與相電流換相時刻之間的延時電角度為一個固定的角度，則過零點檢測誤差會直接影響到相電流換相的時刻。因此可得如圖 所示無刷直流電機系統(tǒng)模型?，F(xiàn)假設磁路飽和，不計渦流和磁滯損耗，則三相繞組的電壓平衡方程可表示為 （）式中??——定子繞組相電壓(V)；M ——每兩相繞組間的互感(H)；??——定子繞組相電流(A)； R、 L —定子每相繞組的電阻( WΩ )和自感(H)；——繞組中性點對地電壓(V)。 換相分析 對于采用星型聯(lián)結繞組，三相六狀態(tài) 120176。但是，當電機轉速比較高的時候，器件延時所產生的影響就不能忽略。信號經過這些器件，會使處理器對于反電勢過零信號的響應或多或少地有一些延時。作為換相時刻，將導致轉子位置檢測誤差。本節(jié)對轉子位置檢測誤差產生的原因進行定性分析，然后在分析無刷直流電機換相過程的基礎上，深入探討轉子位置誤差對換相過程產生的影響。 該種方法直接對端電壓進行 AD 轉換，但同樣存在 PWM 斬波等干擾信號，對 AD 轉換結果的準確性略有影響，因此仍需要對三相端電壓進行濾波。那么式()就有： （） 由式()可以看出，只要判斷上式右端的正負符號改變情況，就可以判斷出非導通相(C 相)反電動勢的過零點。 （）將以上三個端電壓方程相加得到： （）在反電動勢過零點時刻三個反電動勢之和為 0。但 BLDC 的中性點一般都沒有引出，并且端電壓信號中含有 PWM 斬波、繞組電流變化而產生的電抗電勢等干擾信號，因此，無法直接將繞組端電壓和電機中性點電壓進行比較。圖 定子電氣模型 Stator terminal electrical model 每相繞組終端電壓的模型如下： （） 這里假定電機運行中某一時刻只有 AB 兩相繞組導通，C 相繞組未導通，未導通相繞組的電流為零，則端電壓方程如下： （） （） （