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永磁无刷直流电机控制技术的发展和研究

编辑:admin来源:本站原创作者:admin 时间:2016-11-11 11:48
摘    要
能源紧缺和环境污染是当前社会面临的严峻问题,电动车因其节能环保的突出优势成为了解决这一问题的重要途径,越来越受到市场的青睐。永磁无刷直流电机凭借其结构简单、运行可靠、起动转矩大、调速性好等优点,被越来越多地应用在电动车领域。本文以电动车用永磁无刷直流电机的控制系统为研究对象,针对目前电动车的特点和性能要求,以及电动车永磁无刷直流电机控制系统存在的问题,提出了一种电动车永磁无刷直流电机控制系统方案。
    本文先介绍了电动车永磁无刷直流电机的结构和工作原理,以及转子位置信号检测技术和传感器的选择,再由电机基本理论公式推导了其数学模型,结合Matlab/Simulink软件,建立了电动车永磁无刷直流电机控制系统的仿真模型并进行仿真计算分析,为后文控制系统硬件设计和控制策略开发提供参考和依据。
    本文所设计的控制系统采用了以单片机与专用控制芯片相结合的控制方式。单片机主要负责信号的接收和处理,实现系统的控制策略,信息的显示以及人机对话;专用控制芯片主要是通过接收来自单片机的控制信号对电机进行实时地控制。单片机与专用控制芯片的结合使用,有效地减少了单片机的负担,简化了控制系统的结构,提高了系统的灵活性和可靠性。控制系统的硬件采用模块化设计,为了减少电动车上 DC/DC转换器的使用,对电源模块进行了专门设计,降低了电动车的生产成本。
    最后介绍了电动车永磁无刷直流电机控制系统检测技术,并对控制系统的相关测试方法和原理进行了分析和说明,并取得较好的效果。该控制系统结构简单,资源充分利用,性价比高,兼具有整车控制和电池管理功能,有效地提高了电动车性能,在电动车领域具有一定的商业应用前景。

关键词:永磁无刷直流电机,电机控制器,控制策略,电动车

Abstract
Energy shortage and environmental pollution is a serious problem in the current social, electric vehicle with the advantages of energy conservation and environmental protection outstanding has become the important way to solve this problem,  more and more get the favor of the market. Permanent magnet brushless dc motor with its simple structure, reliable operation, good start torque and speed, etc, has been used in electric vehicles increasingly. Based on the electric vehicle permanent magnet brushless dc motor control system as the research object, in view of the present characteristics and performance requirements for electric vehicle, as well as electric vehicle permanent magnet brushless dc motor control system existence question, a kind of electric vehicle permanent magnet brushless dc motor control system solutions is given.
    First, the paper introduced the electric vehicle permanent magnet brushless dcmotor structure and working principle, and the rotor position signal detection technology and the selection of sensor, then its mathematical model was deduced by motor basic theory formula, At last, combined with software of Matlab/Simulink,established the electric vehicle simulation model of permanent magnet brushless dc motor control system and simulation analysis, to provides reference and basis for better realize the control system hardware design and control strategy development.
    In this paper, the designed control system used a microcontroller combined with special integrated circuits. Microcontroller is mainly responsible for receiving and processing of signal, to realize system control strategy, information display and man-machine conversation; special integrated circuits mainly through receive control signal from Microcontroller to control the motor in real time. The combination of microcontroller and special integrated circuits, effectively reduce the burden of the microcontroller, simplifies the structure of the control system, improve the flexibility and reliability of the system. Adopts modular design for hardware of the control system, in order to reduce the use of DC/DC converter on electric vehicle, special designed power supply module, reduces the production cost of electric vehicles.
Finally introduced the electric vehicles PMBLDCM control system detection technology and achieved good results, and the related test method and principle of control system are analyzed and illustrated. The control system has simple structure, make full use of resources, high cost performance, and control for vehicle and battery management functions, effectively improve the performance of electric vehicles, it has certain commercial application prospect in the field of electric vehicles.

Key words: permanent magnet brushless dc motor (PMBLDCM), motor controller, control strategy, electric vehicle
目   录
摘    要 I
Abstract II
第1章 绪论 3
1.1 课题背景及意义 3
1.2电动车驱动控制系统性能要求 3
1.3电动车永磁无刷直流电机控制技术的发展和研究现状 4
1.4本文主要工作 6
第2章 电机运行原理及控制系统建模仿真 7
2.1永磁无刷直流电机基本结构及工作原理 7
2.1.1基本结构 7
2.1.2 工作原理 9
2.2转子位置信号检测技术及位置传感器选择 11
2.2.1永磁无刷直流电机转子位置信号检测技术 11
2.2.2转子位置传感器选择 12
2.3永磁无刷直流电机数学模型 14
2.4永磁无刷直流电机运行特性 18
2.5 基于 Matlab/Simulink的永磁无刷直流电机控制系统建模与仿真 21
2.5.1 建模方法分析及模型建立 21
2.5.2 仿真结果 25
第3章 系统硬件设计 28
3.1  电动车永磁无刷直流电机控制系统方案 28
3.1.1系统方案 28
3.1.2 系统工作原理 28
3.2  系统硬件设计 29
3.2.1 单片机 29
3.2.2 专用控制芯片 29
3.2.3 控制系统硬件电路结构 29
3.3  主要电路设计 30
第4章 系统控制策略研究 39
4.1电动车永磁无刷直流电机驱动系统模型 39
4.2电动车永磁无刷直流电机控制系统控制策略 42
4.2.1基于电动车整车的控制策略分析 42
4.2.2基于电动车车速偏差的控制策略 42
4.3 系统软件设计流程 43
第5章 电动车永磁无刷直流电机控制系统试验 47
5.1 系统测试试验 47
5.1.1 控制器上电检测 47
5.1.2 霍尔位置传感器反馈信号检测 48
5.1.3 线电压检测 48
5.1.4 相电压监测 49
5.2 温度传感器信号检测与转换设计 51
第6章 总结 53
致    谢 54
参考文献 55

第1章 绪论
1.1 课题背景及意义
20世纪中叶起,世界汽车工业发展突飞猛进,全球汽车保有量急剧上升。传统燃油汽车历经一百多年发展之后变得日渐成熟。但是作为重要交通工具之一的汽车不仅消耗了大量的石油资源而且严重地破坏了自然生态环境[1]。随着世界汽车产业的不断发展,能源危机和环境问题日渐严峻,如何解决能源危机和保护生态环境已成为当今世界两大重要问题,适当减少燃油交通工具的使用量和开发节能环保的新型能源汽车成为社会发展的必然趋势。
电动车因其在节能和环保上的突出优势,成为了解决能源危机和环境问题的重要途径。但是随着电动车产业的不断壮大和人们对电动车产品质量要求的提高,电动车目前尚存在一定的缺点和不足。电池技术与电机及其控制技术是电动车的关键技术,在目前电池技术研究方面尚未取得关键性突破和进展之前,电机及其控制技术引起了越来越多的专家学者的进一步重视[2]。
随着电子控制、材料、制造等与电机的相关技术的迅速发展,永磁无刷直流电机没有了以往的机械换向装置,而釆用了电子换向器,在保留了直流电动机良好的线性机械特性、大的起动转矩以及宽的调速范围等优点基础之上,凭借其结构简单,体积紧凑、轻便可靠、维护方便、特性良好等优点而被作为驱动电机广泛用在电动车上[3]。
目前在电动车永磁无刷直流电机控制系统研究这方面,大多数研究只是针对永磁无刷直流电机本身的控制,没有从电动车整个动力驱动控制系统性能要求方面进行考虑。电动车电机控制系统是电动车整个动力驱动控制系统开发的关键,是提高电动车综合性能最重要的部分,是电动车质量的首要保证。因此,研究电动车永磁无刷直流电机控制系统是电动车能够被广泛使用的前提,对电动车产业的发展及更好的走向市场,具有非常重要的经济意义和现实意义。
1.2电动车驱动控制系统性能要求
电动车性能要求主要评价指标如图1-1所示,由此可见,电动车动力系统的好坏密切关系到电动车主要性能的优良。电动车的一般设计要求是能频繁启动、加减速,并且充电一次的行驶里程要多。所以,电动车用驱动电机应具有较高的功率密度和瞬时功率,来提高车速和增大过载能力。此外,电动车用驱动电机还要具有价格低廉、安全可靠等特征[4]。


图1-1电动车主要性能评价指标

1.3电动车永磁无刷直流电机控制技术的发展和研究现状
与传统的直流电机和交流电机相比,永磁无刷电机不仅具有功率因数高、起动转矩大、起动电流小、过载转矩大等优点,而且其结构简单、易于保养和维护,得到了广泛的应用。目前国内外专家学者除了研究永磁无刷直流电机本体机构外,主要就是对其控制技术的研究,主要内容集中在这几个研究方面-
(1)采用无位置传感器控制技术。
随着社会工业技术的发展进步,在某些特殊而关键应用情况下,运用采用位置传感器的永磁无刷直流电机达不到预期的目的。因此,从一些特殊的控制系统的功能和可靠性要求等方面来考虑,无位置传感器逐渐成为了研究的重要方向,得到了相关企业和研究机构的重视[5]。
(2)控制策略开发。
传统的直流电机一般采用结构简单的连续PID控制方式,因此在工程实践中,一般线性系统多选用PID的控制方式, 但是PID控制方式很难满足非线性系统的精度要求。
随着对电动车永磁无刷直流电机控制性能的要求提高,近些年来,通过与现代控制理论结合,提出了如变结构控制、智能控制等新型的控制方法[6]。变结构控制具有众多优点,永磁无刷直流电机运行在位置伺服方式下时都采用此种控制方式。由于传统控制算法运用上具有一定的局限性,再加之系统的复杂性,导致控制达不到预期的目的。因此,研发性能优良的控制算法逐渐成为当下研究热点之一。
(3)调速方式的研究
现在使用的直流电机控制系统基本都采用开关驱动方式,就是让开关功率管工作在开关状态,并且通过脉宽调制来控制电机电枢的平均电压,进而实现电机调速功能。对于电动车用永磁无刷电机国内外目前常用的调速方法如图1-2所示[7]。


图1-2永磁无刷直流电机常用调速方法

(4)电磁兼容问题
由于电动车的使用工况复杂性,所以对电动车用永磁无刷直流电机控制系统在电磁兼容问题上提出更高的要求。电动车在起步、加速和制动过程中电机电流变化极大,极易对控制系统内部和对外界产生较大的干扰。因此,随着人们对生活环境质量的提高,电动车电磁干扰的问题也越来越受到社会的关注,成为了研究的热点之一[8]。
1.4本文主要工作
本文根据电动车的电机驱动系统特点,结合当前消费者对电动车的使用性能要求,针对电动车永磁无刷直流电机控制系统目前存在的问题,围绕设计一种性能优良、性价比高、符合目前电动车市场需要的电动车永磁无刷直流电机控制系统为目的,主要做了以下一些工作:
(1)查阅国内外相关文献资料,了解目前国内外电动车永磁无刷直流电机控制系统的发展研究情况,为本文的设计做充分的准备。
(2)介绍了永磁无刷直流电机的基本结构、性能特性以及运行原理,通过基本理论公式的分析推导,得出了永磁无刷直流电机的数学模型。
(3)根据永磁无刷直流电机的数学模型,在有效的简化和假设基础上,利用Matlab/Simulink软件建立了电动车永磁无刷直流电机的控制系统仿真模型,并进行了相关的仿真分析。
(4)提出了电动车永磁无刷直流电机控制系统的设计方案,分析了控制系统的工作原理,详细介绍了控制系统的硬件设计。
(5)设计了控制系统的控制策略,给出了控制策略实现的重要程序流程图。











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