摘要分类号： 密级： UDC： 学号： 东 南 大 学硕 士 学 位 论 文双凸极永磁电机无位置传感器控制系统研究 研究生姓名： 导师姓名： 教授申请学位级别 工学硕士 学科专业名称 电机与电器 论文提交日期 年 月 日 论文答辩日期 年 月 日学位授予单位 东 南 大 学 学位授予日期 答辩委员会主席 评 阅 人 年 月 日东 南 大 学硕 士 学 位 论 文双凸极永磁电机无位置传感器控制系统研究系 别：电气工程学院专 业： 电机与电器 中国南京二00七年五月摘要双凸极永磁电机（简称DSPM电机）是一种高性能宽调速电动机，正日益受到重视。转子位置是DSPM电机运行控制中的一个重要信息，它不仅是电源开通与关断的时间基准，而且是转速闭环控制中实际转速计算的依据。论文以8/6极定子永磁型DSPM电机的两相运行为基础，详细分析了多种无位置传感器控制方法的原理，比较了它们的各自特点，最终选用了“反电势过零检测法”，设计了位置信号检测电路，主要包括：隔离采样，巴特沃思二阶滤波，过零比较等，最后得到反电势的过零点，经过再一次光电隔离送入到微处理器。在得到准确的位置信号后，经过微处理器计算转速和转子位置，由正弦波发生器产生正弦波参考电流，通过硬件比较和斩波电路，控制功率器件的开通关断，实现DSPM电机的无位置传感器控制下的两相运行。论文还介绍了无位置传感器控制方法常用的起动方法，深入讨论了“三段式”起动技术，对“三段式”起动技术中转子预定位、外同步运行和切换运行进行了详细的分析。基于DSPM电机两相的独立运行，对于“三段式”起动技术中的外同步运行，在传统的外同步方法的基础上，还提出了可以采用间接单相外同步法来实现外同步运行，大大提高了起动的可靠性。最后，设计制作了实验装置，并进行了实验研究，实验结果验证了整个控制系统的可行性和正确性。关键词：DSPM电机，无位置传感器，反电势过零检测法，起动方法，间接单相外同步法IIIABSTRACTThe new DSPM motor drive system is a competitive candidate in variable-speed operation drive with high performance, attracting more and more attentions. The rotor position information of DSPM motor drive is essential to determining the switching sequence and the speed of the rotor. In this thesis, the key features of different sensorless control strategies are compared and the applicability to the DSPM motor drive is analyzed. At last, back-EMF method is selected. The circuit of rotor position detection and the main hardware and software for the control system are presented. The circuit of rotor position detection is comprised of isolated sample of the terminal voltage, the Butterworth second-order low pass filter, zero-crossing detection and optical isolated circuitry. According to the exact rotor position signals, the MPU calculates the rotor speed and position, and then the DDS produces the referenced current wave. By using the developed control system, the DSPM motor operates in two-phase operation with sensorless control. Because of the lack of self-starting ability for the DSPM motor controlled by the Back-EMF method, the “Three-step Starting Technique” is analyzed and adopted to the DSPM motor. The rotor pre-setting, accelerating and state-changing step of three-step Starting Technique is discussed in detail. Base on the independent control of each phase in DSPM motor, a new accelerating method, indirect-one-phase operation, is proposed. This method improves the reliability of starting technique greatly.Finally, a prototype drive system is designed and built, and experiments are carried out. The results verify the feasibility and correctness of the developed sensorless control system for the DSPM motor.Key words: DSPM motor, sensorless control, EMF zero crossing detecting method, Starting Strategy, indirect-one-phase operation目录目录摘要IABSTRACTII目录III第1章 绪论11.1 课题背景11.2 DSPM电机的基本结构21.3 DSPM电机的国内外发展状况31.4 电机的控制方法41.4.1 带位置传感器控制方法41.4.2 无位置传感器控制方法51.5 本文研究的主要内容6第2章 DSPM电机调速系统基本理论82.1 DSPM电机四相运行原理82.2 DSPM电机两相运行原理112.3 小结15第3章 无位置传感器控制方法研究163.1 无位置传感器控制方法的比较163.2 反电势过零检测法原理及实现173.2.1 隔离采样与滤波电路183.2.2 过零比较与光电隔离电路203.3 起动方法研究213.3.1 转子预定位213.3.2 外同步运行223.3.2.1 传统外同步运行223.3.2.2 间接单相外同步法233.4 转子位置误差校正253.5 仿真实验结果263.6 小结27第4章 DSPM电机无位置传感器控制方法硬件电路设计284.1 两相控制系统的硬件总体设计284.2 功率变换电路284.3 隔离电路304.4 主控制电路304.4.1 微控制器304.4.2 正弦波发生器314.5 斩波信号产生电路324.6 电流检测电路344.7 位置检测电路354.8 小结36第5章 DSPM电机无位置传感器控制方法软件设计375.1 总控制程序设计375.2 起动阶段程序设计385.2.1 转子预定位385.2.1 外同步运行385.2.1 传统外同步运行385.2.2 间接单相外同步法395.3 参考正弦波参数的计算405.4 AD9854的编程415.5 转速显示子程序435.6 小结44第6章 实验结果与分析456.1 实验平台及设备456.2 DSPM电机发电机运行调试结果466.2.1 电压传感器输出波形476.2.2 位置信号476.2.3 参考电流波形486.3 DSPM电机电动机运行实验结果496.3.1起动过程496.3.1 稳态实验数据506.4 小结52第7章 总结与展望53致谢54参考文献55攻读硕士研究生期间发表论文情况57第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题背景从十九世纪初，奥斯特、法拉第先后发现电磁感应现象，提出著名的电磁感应定律开始，电能经过了近两个世纪的发展，人们为了生产和利用电能，积极致力于电机和电力工业的研究开发，由不知到知，由初级到高级，电能已经渗透到生产、生活中的每个角落，现代社会最不可缺少的便是电能。电机，作为现代社会电能与各种能量之间的转换的主要装置，也在两百年里经历了长足的发展1。电力工业的发展是以电机制造工业的发展作为基础的，发电机把自然界中的各种形式的能量转换为电能，显然，没有发电机，就没有电能的大规模生产和利用。在工矿企业和农业生产中，以及我们的日常生活中，需要大量的电动机，实现电能的转化。同时，随着工业企业电气化、自动化、电脑化的发展，还需要众多的各种容量的精密控制电机，作为整个自动化控制系统工作中的重要元件。然而，从二十世纪九十年代以来，全世界都面临着能源危机及环境的恶化，要缓解能源短缺等矛盾，除了不断开发利用新能源和增加发电能力外，就是研制新的节能设备，提高能源的利用率。因此随着电力电子技术和现代控制技术的发展，以及新型永磁材料的出现，人们在传统电机的基础上，研制出了永磁电机（Permanent Magnet Motor，简称PM电机），开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，简称SR电机），永磁无刷直流电机（Brushless DC motor with permanent magnet，简称BLDC电机）等新型高性能电机。稀土永磁材料的出现，将PM电机的研发和应用推向了新阶段。与电励磁电机相比，PM电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠，体积小，质量轻，损耗小，效率高等优点2。SR电机早在一百六十多年前，就已经被提出，但由于受到当时技术水平的限制，电机的性能不佳，未能引起人们的重视。直到二十世纪七十年代