1.1 目的

众所周知，电能是最常用且最普遍的二次能源，在现代社会中发挥着举足轻重的作用。而电机作为机电能量转换装置，经过一个多少世纪的发展，其应用范围已遍及现代社会和国民经济的各个领域和环节。为了适应不同的实际应用，各种类型的电机应运而生，其中包括同步电机、异步电机、直流电机、开关磁阻电机和各种其他类型的电机。其容量小到几毫瓦，大到百十万瓦。

无刷直流电机（Brushless DC Motor，BLDCM），是一种以电力电子换向器代替机械换向装置的新型直流电机。它集机械电机与电子换向器于一体，是一种典型的机电一体化产品。如今，微处理器、电力电子器件的更新升级、新型控制理论的发展和低成本永磁材料的问世使得无刷直流电机的成本得Ｗ降低，性能进一步提高。无刷直流电机既具有直流电机优良的调速特性和较离的效率，又具有交流电机结构简单，运行维护方便的特点，是一种极具研究和应用价值的电机种类。如此众多的优点也使得无刷直流电机在诸如汽车、家电、采矿乃至航空航天等特殊工业部口中取得了广泛应用，尤其在中小型功率应用中有取代旧式机械换向电机的趋势^[1,2]。

一般的无刷直流电机控制系统采用Ｈ相霍尔位置传感器来获取转子的位置信号，一个电周期中仅能获得６个离散的转子位置信号。而矢量控制方法必须要获得实时准确的转子位置信号，以此建立旋转坐标系，进行电流的dq解耦^[3]。因而在无刷直流电机控制系统中必须通过离散转子位置信号来估测转子的实时位置。本文主要阐述利用低精度霍尔位置传感信号进行转子位置估测的原理与方法，具体分析传感器安装偏差、霍尔元件输出特性等因素对位置角估计精度的影响，并提出减小估计误差的改进方法^[3,4]。

1.2 意义

低分辨率位置传感器无刷直流电机驱动技术是一种能够保证电机运行性能，同时有效降低控制系统成本的转子位置检测技术。以开关型霍尔位置传感器为例，其安装简单、成本低、体积小且对工作环境抗性较高。开关型霍尔位置传感器在一个电周期内只能提供六个准确位置信息，无法实现转子位置的精确定位。因此利用六个离散的霍尔位置信号估计得到高精度的转子位置信息是霍尔传感器永磁电机驱动技术的关键，是实现低成本并且提高系统控制性能及运行可靠性的根本性解决措施，具有重要的理论研究意义和工程应用价值。同时转子位置信息的估计高度依赖开关型霍尔位置传感器提供的六个准确转子位置信号，因此对其安装精度要求极高，需要对机械安装误差进行有效校正，以减小偏差，提高估算精度^[5]。

2.1 国外研究现状

针对传统直流电机的弊端，早在20世纪30年代就有人开始研制以电子换相来代替机械换向的无刷直流电机，并取得了一定的成果。但由于当前大功率电子开关器件的发展还处于起步阶段，没有理想的电子换相元件，导致这种电机只能停留在实验室研究阶段。1955年，美国的D.Harrison首先实现了晶体管电子开关代替了电刷，但这只是无刷直流电机的雏形，无启动转矩，没有实现应用^[6]。到六十年代，高强度稀土永久磁铁的有效利用及借助霍尔元件来实现换相，为无刷直流电机的出现创造了条件。七十年代以来，随着电力电子技术的发展，许多新型高性能半导体器件，如GTR、MOSFET、IGBT等相继出现，以及高性能永磁材料，如衫钴，汝铁硼等的问世，均为无刷直流电机的广泛应用奠定了坚实的基础，无刷直流电机系统因而得到了迅速的发展^[7]。1978年，原西德MANNESMANN公司的顶Dramat分部在汉诺威贸易博览会上正式推出MAC无刷直流电动机系统，标志着无刷直流电动机技术已经进入了实用化阶段。从目前来看,以数字信号处理器为核心的控制电路将代表无刷直流电动机电子换相控制器的发展方向^[8]。针对电机控制所设计的DSP芯片运算速度远远高于单片机，而且片内集成了模拟数字转换器^[9]。数字I/O以及专门用于电机控制的PWM脉冲发生器^[10]等，使得他们从硬件机制上可以较好的满足电机控制系统。国外发达国家无刷直流电机的研究内容和我国大致相当，但美国和日本具有较为先进的无刷直流电机的制造和控制技术。日本在民用方面比较突出，而美国在军工方面更加先进^[11]。当前研究的主要热点集中在一下三个方面：

1.研究无位置传感器技术以提高系统可靠性，并进一步缩小电机尺寸与重量。

2.从电机设计和控制等方面出发，研究无刷直流电机转矩波动抑制方法，从而提高其伺服精度，扩大其应用范围。

3.设计可靠、小巧、通用性强的集成化无刷直流电机控制器。

2.2 国内研究现状

我国直流电机制造工业有了很大的发展。对于小型电机，在五十年代就有了全国统的系列，并且不断在改进。如国内正在大量生产的Z2系列，功率范围为0.4200千瓦，它是在原来的Z系列基础上采用及E、B级绝缘材料政型而成的，比Z系列节约了铜铁原材料，缩小了体积。目前又在Z2系列的基础上改型成Z系列，采用B级新绝缘结构，进一步缩小体积，降低了转动惯量，改善了调速和换相性能。对于中型电机，已由ZD2、ZF2系列代替了原来的ZD、ZF系列，提高了技术经济指标。对于大型电机，已生产了4600千瓦、70/120转/分、额定转矩为64吨.米的可逆转轧钢直流电动机，5000千瓦、500转／分的直流发电机。目前，国内已有无刷直流电动机的系列产品，形成了一定的生产规模。从无刷直流电动机及其控制系统的设汁和制造水平来看，我国与国际水平还有着比较大的差距。虽然有很多产品使用了直流无刷电机，但多数民用产品使用的是国外的驱动控制模块 ^[12,13]。

目前，我国无刷直流电机位置角优化研究仍与国际先进水平有一定距离。国内常用的位置角优化方法有四种，分别为考虑加速度的转子位置估测方法的改进、转子位置估测的增量式方法、换相时转子位置角平滑校正方法和霍尔扇区边界的校正等。我国仍需加大对无刷直流电机位置角优化的研究。

本文主要针对无刷直流电机，研究利用低精度霍尔位置传感信号进行转子位置估测的原理与方法，具体分析传感器安装偏差、霍尔元件输出特性等因素对位置角估计精度的影响，并提出减小估计误差的改进方法^[14]。具体作如下安排：

1.首先熟悉无刷直流电机的工作原理，了解无刷直流电机的电磁特性、运行理论和控制方法。无刷直流电机控制方法常见的有方波控制^[15]和正弦波控制^[16]，了解两种控制方法的异同点。

2.熟悉无刷直流电机霍尔式位置传感器的工作方式和装配结构，以及霍尔式位置传感的转子位置估测方法。霍尔式位置传感器的转子估测方法常见的有两种，基于霍尔扇区平均角速度的转子位置估测方法^[17]和考虑角加速度的转子位置^[18]估测方法，研究这两种位置检测方法的实现方式，并分析两种方法的异同点和优缺点，以及其对应的数学模型。

3.具体研究传感器安装偏差、霍尔元件输出特性等因素对位置角估计精度的影响，并分析位置角误差的产生方式。

4.根据位置角误差的产生来源，研究消除位置角误差的解决方法。常见的位置角估测校正方法有四种，分别为考虑加速度的转子位置估测方法的改进、转子位置估测的增量式方法、换相时转子位置角平滑校正方法和霍尔扇区边界的校正。对比不同方法的优缺点，以及它们适用的场合^[19,21]。

5.研究无刷直流电机错误位置信号的鉴别方法^[20]和基于单开关霍尔传感器方法。

通过以上方法减小转子位置角误差，从而进一步提高无刷直流电机的性能，学习无刷直流电机的控制方式。

第一阶段：2018年3月份前，在指导教师的指导下查阅文献、积累与课题相关的基础知识，并进行相关计算机软件的学习和相关实验的开展。

第二阶段：2018年4月10日前，在指导老师的指导下，完成毕业论文素材的整理归纳和相关实验结果的梳理。

第三阶段：2018年4月20日前，搭建基于基于MATLAB的无刷直流电机位置角估计的模型，并完成仿真研究。

第四阶段：2018年4月25日前，完成毕业论文的初步构思和布局的安排。

第五阶段：2018年5月15日前,在老师的指导下完成毕业论文的初稿并进行外文文献翻译。

第六阶段：2018年6月份前，在老师指导下，完论文的修缮工作，并积极准备毕业论文答辩。

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[2] 谭建成.永磁无刷直流电机技术[M].机械工业出版社, 2011.

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