同步电动机调速系统的鲁棒控制系统的设计
摘 要
同步电动机的最本质特征就是没有机械换向结构，取而代之的是逻辑电路和功率开关线路共同组成的电子换相器，它把直流电逆变成交流电并按一定的次序通入电动机的定子绕组中以产生与定子磁场正交的转子磁场。在使用中无刷直流电机相比有刷电机有许多的优点，比如：能获得更好的扭矩转速特；性高速动态响应；高效率；长寿命；低噪声；高转速。本文主要研究了无刷直流电机调速系统的基本方法，主要内容有无刷直流电机的基本原理，脉宽调速系统的原理和控制方法，在此基础上重点研究了无刷直流电机的换相控制，并对同步电动机调速系统进行设计。最后利用MATLAB\Simulink——面向电气原理结构图的仿真技术，设计了一个转速单闭环无刷直流电机可逆脉宽调速系统，对其进行仿真，并根据仿真结果分析研究同步电动机。
关键词：调速 调速系统 同步电动机 仿真
第一章 引言
1.1 无刷直流电机发展简介
目前国内外对无刷直流电机的（Brushless DC Motor,BLDCM）的定义有两种：一种是认为只有梯形波/方波无刷直流电机才可被称为无刷直流带电机，而正弦波无刷直流电机则被称为永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）；另一种定义认为梯形波/方波无刷直流电机都是无刷直流电机。本论文采用第一种定义，仅认为反电动势波形为梯形波/方波的无刷直流电机称为无刷直流电机。
电动机作为能量转换装置，应用于国民经济的各个领域。电动机一般分为交流电机和直流电机。相比较交流电动机，直流电动机具有良好的起动性能和宽广平滑的调速特性，因而被广泛应用于电力机车、无轨电车、轧钢机、机床和起动设备等需要经常起动并调速的场合。但直流电动机的换向是依靠换向器和电刷进行换流，在频繁的运转过程中，由于换向器和电刷的摩擦，一方面消耗电刷，使我们不得不定期检查和更换电刷，耗时耗力；另一方面又产生电火花、电磁干扰，影响附近的电气设备。针对这种情况，早在上个世纪30年代就有人开始研究同步电动机。1955年，美国D.Hazrison等人首次成功的实现了用晶体管换向线路代替有刷直流电动机机械电刷，这标志着现代无刷直流电机的诞生。在进入20世纪60年代以后，电力电子技术和计算机技术的应用使电机的发展经历了持久的革命性的变化。作为机电一体化的产品，同步电动机也得以发展，并开始进入初步的应用阶段。同步电动机既具有普通直流电动机调速性能好的特点，又具有交流电动机结构简单、便于维护的特点，因此得到了一定范围内的初步应用。自20世纪70年代开始，稀土永磁材料的发展，使同步电动机有了进一步的发展，但由于永磁材料的价格昂贵，研究开发重点只能在航空、航天领域用的电动机和要求高性能而价格不是主要因素的高科技领域。
在进入80年代后较低价格的钦铁硼永磁材料的出现，使无刷直流电机能够进入普通民用的市场提供了可能，几十瓦到几百瓦同步电动机开始在医疗器械、仪器仪表、化工、纺织以及家用电器等民用领域初显身手。
在90年代后，随着电力半导体器件的飞速发展，如GTR, GTO, MOSFET, IGBT的相继出现，另外微处理器、集成电路技术的发展，逆变装置也发生了根本性的变化，这些开关器件在向高频化、智能化、大容量化的方向发展，使同步电动机的很重要的一传统直流电机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，被广泛地应用于对起动和调速有较高要求的拖动系统中，如电力牵引、轧钢机、起重设备等。
在使用中无刷直流电机相比有刷电机有许多的优点，比如：能获得更好的扭矩转速特；性高速动态响应；高效率；长寿命；低噪声；高转速。另外， BLDC更优的扭矩和外形尺寸比使得它更适合用于对电机自身重量和大小比较敏感的场合。由于这些特性，无刷直流电机被广泛的用于日常生活用具、汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等装置和仪表。
1.2无刷直流电机调速系统的研究现状和未来发展
目前国内外无刷直流电机的一般控制技术应经比较成熟，但日本和美国具有较先进的无刷直流电机制造与控制技术。特别是日本在民用方面较为突出，而美国则在军工方面更加先进。当前的研究热点主要集中在以下三个方面：①研究无位置传感器控制技术以提高系统可靠性，并进一步缩小电机尺寸与重量；②从电机设计和控制方法等方面出发，研究无刷直流电机转矩波动抑制从而提高其伺服 ，扩大应用范围；③设计可靠小巧，通用性强的集成化无刷直流电机控制器。
无位置传感器控制技术：传统的无刷直流电机通过位置传感器来直接检测电机转子的位置。无位置传感器控制技术主要通过电机内易获取的电压或电流信号，经过一定的算法处理，得到转子位置信号，也称为转子位置简介检测法。目前检测方法主要有：反电势法；电感法；磁链法；续流二极管法；观测器估计法；智能估计法等。其中反电势法原理简单应用较为广泛。采用无位置传感器控制的无刷直流电机一般较难直接起动，因此其起动问题一直是研究的热点和难点。利用反电势法检测转子位置的无刷直流电机三段式起动方法已经比较成熟，该方法从电机起动到稳定运行可分为三个阶段：定子定位、加速和切换。其他无位置传感器控制下的电机起动方法，如预定位起动、升频升压同步起动法和短时检测脉冲转子定位法等也都有了一定的应用。
无刷直流电机控制器：无刷电机控制器的发展同电器元件类似，经历了从分立元件控制方法到数字可编程集成电路控制方法的发展历程。一般来讲，采用分立元件设计的控制器结构复杂、体积庞大、可靠性通用性差，不利于批量生产。一次，当前无刷直流电机主要采用专用集成电路控制器、FPGA、单片机、DSP控使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改，并能按照用户需求来定义接口功能。单片机和DSP具有丰富的外围接口，单片机一般用于简单的电机控制系统，而DSP由于具有强大的计算能力和数据处理能力，通常应用于电机的智能控制系统中。
关于转矩波动抑制的问题比较复杂，不在本文讨论的范围内，所以不多加叙述。
目录
摘 要……………………………………………………………………………………… I
Abstract…………………………………………………………………………………II
第一章 绪 论……………………………………………………………………………1
1.1 无刷直流电机发展简介………………………………………………………………1
1.2 无刷直流电机的研究现状和未来发展………………………………………………2
第二章 同步电机原理…………………………………………………………………3
2.1 同步电动机的概述……………………………………………………………………3
2.2 同步电动机本体………………………………………………………………………5
2.2.1电动机定子…………………………………………………………………… 5
2.2.2电动机转子……………………………………………………………………6
2.2.3有关电机本体设计的问题……………………………………………………6
2.3 转子位置检测…………………………………………………………………………7
2.3.1 位置传感器检测法……………………………………………………………7
2.3.2 无位置传感器检测法…………………………………………………………9
2.4 PWM调制技术…………………………………………………………………………10
2.5无刷直流电机电子换相器……………………………………………………………12
2.5.1三相半控电路…………………………………………………………………13
2.5.2三相全控电路…………………………………………………………………14
2.6无刷直流电机的基本方程………………………………………………………… 15
第三章 同步电动机调速系统的设计……………………………………………18
3.1主电路供电方案选择…………………………………………………………………18
3.2逆变电路的选择………………………………………………………………………20
3.3基于MC33035的同步电动机调速系统………………………………………………20
第四章 无刷直流电机调速系统的MATLAB仿真………………………………24
4.1 电源、逆变桥和无刷直流电机模型…………………………………………………26
4.2 换相逻辑控制模块……………………………………………………………………28
4.3 控制器和控制电平转换及PWM发生环节设计………………………………………34
4.4 系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析…………………………………………36
4.4.1起动，阶跃负载仿真…………………………………………………………36
4.4.2可逆调速仿真…………………………………………………………………39
总结………………………………………………………………………………………41
参考文献…………………………………………………………………………………42
参考文献
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