基于dspace的直流无刷电机无位置传感器控制系统-研究

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1、第一章绪论度方面存在明显的差异15,71。1．在电机结构方面直流无刷电机的定子绕组一般为整距绕组，转子没有斜槽，经过磁路设计，可以获得梯形波的气隙磁密。而永磁同步电机要求有一个正弦的反电动势波形，转子设计时要使气隙磁通密度成正弦分布。此外，直流无刷电机控制需要低电感的绕组，所以常采用磁片表贴式转子结构，而永磁同步电机常采用内置式永磁转子因为其电感比表贴式永磁转子高，并且可以使永磁同步电机增加15％的转矩。2．转矩波动方面为了产生恒定的转矩，永磁同步电机需要正弦波电流，而直流无刷电机需要矩形波电流。但是永磁同步电机的正弦波电流容易实现，直流无刷电机的矩

2、形波却难以做到。这是因为定子绕组存在电感，妨碍了电流的快速变化，直流无刷电机的相电流其实接近梯形而不是矩形。另外，每相反电动势梯形波的平定宽度很难正好达到120。。正是这种不能人为控制的因素的存在导致直流无刷电机存在换相转矩波动，而在永磁同步电机中换相转矩波动几乎是不存在的，它的转矩纹波主要是电流纹波造成的。3．在传感器方面两种电机控制都需要转子位置反馈信号，直流无刷电机的矩形电流只需要检测电流换相点，因此只需要低分辨率的转子位置传感器如霍尔传感器，成本比较低。而永磁同步电机每相电流都是正弦波，需要知道连续的转子位置，故必须采用分辨率比较高的转子位置

3、传感器，常见的有光电编码器、旋转变压器等，成本比霍尔传感器成本高出很多。4．调速范围永磁同步电机比相同参数的直流无刷电机有更高的转速，这是由于直流无刷电机当其反电动势等于直流母线电压时已经达到最高转速。而永磁同步电机可以实施弱磁控制，所以速度范围更宽。实际上，直流无刷电机也可以弱磁，但比较困难。5．功率密度相同条件下，直流无刷电机的功率密度要高于永磁同步电机，其功率密度是永磁同步电机的1．15倍，这是因为直流无刷电机是方波电流，其磁密有效值与幅值的比值要比永磁同步电机高，单位峰值电流所产生的输出功率较大。总而言之，调速系统要求不高或者分辨率低的位置伺

4、服系统可以采用直流无刷电机，而高性能的位置伺服系统宜采用永磁同步电机。成本低、功率密度大是直流无刷电机相对永磁同步电机的主要优势。第一章绪论1．2直流无刷电机无位置传感器控制技术介绍传统的直流无刷电机转子位置信息是用位置传感器(如霍尔传感器、光电传感器)检测得到的，然而，在实际应用中发现，电机安装位置传感器后存在恶劣条件工作不稳定、容易引入电磁干扰、限制了电机小型化等问题。因此，直流无刷电机的无传感器技术日益受到人们的重视，近20年来，针对直流无刷电机无位置传感器控制提出来诸多位置检测电路和方法，主要包括反电动势过零点检测法、速度无关位置函数法、扩展

5、卡尔曼滤波法、状态观测器法[5-7】。简要介绍如下。1．直接反电势检测法直流无刷电机起动后，其永磁转子所产生的磁通要切割定子绕组而产生反电动势E，其大小正比于直流无刷电机的转速和气隙磁场强度B，而其正负则会随着永磁转子极性的改变而改变。所以，只要测出反电动势波形的过零点，就可以确定转子位置，并以此控制直流无刷电机的换相，实现电动机的持续运转。这是目前技术最可靠、最有效、应用范围最广泛的转子位置检测方法，具体实现后文有详细介绍。2．续流二极管法续流二极管法是通过检测反并联于逆变桥功率管上的续流二极管的导通与关断状态来确定断开相反电动势过零点的位置。因为

6、二极管的导通压降比较小，故这种方法一定程度上能拓宽电机的调速范围，尤其能拓宽电机的转速下限。这种方法的缺点是无法在非PWM方式下工作，忽略了逆变器IGBT及二极管导通压降实际造成位置检测误差，电路实现相对也比较复杂。3．扩展卡尔曼滤波法扩展卡尔曼滤波法(EKF)是指在获得绕组电压、不导通相反电势和负载电流等变量的基础上，利用特定算法预测电机转子的位置以及转速。卡尔曼滤波器是现代控制理论中对噪声环境下系统状态估计应用最成功的方法，它利用局部线性化手段，有效地削弱了随机干扰和量测噪声的影响，更适合于在恶劣环境中应用。文献[11】提出了一种基于扩展卡尔曼滤

7、波器(EKF)估计无刷直流电动机转子位置和转速的方法。采用三相定子相电流实现对电机转子状态的估计，计算量小、成本低，但是该方法在转子起动时必须设置预定位，否则有可能出现因估算不准确而导致电机不能正常起动的情况。4．智能控制算法随着智能化控制技术发展，模糊控制、神经网络等控制技术也被应用在了无刷直流电动机无位置传感器控制领域，并取得了一定的控制效果。这些控制方法第一章绪论的优点是：无需知道被控对象精确的数学模型，具有很强的鲁棒性，非常适合控制电机这种非线性、变参数对象，尤其对电机在低速范围内的性能有所改善。但是，控制系统性能、计算量大小、计算速度快慢与

8、控制方法本身特殊的结构和性质有关。同时，一些算法相当费时，也限制了它们在实时性要求较高的控制系统中的应用【1