1.1背景：

在自然界各种能源中，电能具有诸多优点，在人类社会生活中也占据越来越重要的地位。电机可以分为发电机、电动机等不同类型，对电能的利用因而也不同，发电机可以把其他能源转化为电能，电动机可以把电能转换为机械能，进一步驱动各种生产机械运行。因此，电机对国民经济的发展起着至关重要的作用，对电机的研究与发展也是需要不断向前的。

传统的电动机分为三大类：同步电动机（SM）、异步电动机（M）和直流电动机（DCM）。异步电动机为鼠笼型结构，小容量的同步电动机也大部分为永磁转子结构，这两者都没有电刷；而传统的直流电动机无一例外地都是有刷结构。直流电动机的电刷和换向器将产生交流电势的电枢绕组与直流电源联接的枢纽，可以理解为将电枢绕组的交流电势整流成直流电势与电源相联，也可以理解为将电源的直流电压逆变成多相交流电压与电枢绕组相联。

直流电动机的转子转速取决于加在电枢上直流电压的大小，负载增大时，转速也随着下降。

无刷直流电机（BLDCM）即用电子换向取代DCM的机械结构换向，取消了电刷和换向器，并将原有DCM中的定转子颠倒，即电枢绕组在定子上，与静止的电子换相联接方便，励磁在转子上，为永磁体，不需要励磁绕组，也更不需要向转子通电的滑环和电刷。无刷直流电动机转子采用永磁材料励磁、体积小、重量轻、结构简单、运行可靠、且具有高效节能、易于控制等一系列优点，已广泛应用于办公自动化设备、计算机外围设备、仪器仪表和家用电器等领域。

方波驱动的无刷直流电机：BLDCM的电子换向的基本方式与DCM中完全一致，相绕组中的电流改变方向与绕组轴线所处磁极下位置极性改变同步，相绕组基本上为方波。

BOOST变换器：又称为并联开关变换器。其工作目的是通过电感在输入端的作用，使输出电压Vo大于输入电压Vi。

PWM调节工作原理：PWM是指脉冲宽度调制，全称Pulse WidthModulation。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制，控制方式就是对逆变电路电子开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，利用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多少个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

1.2意义：由于电能的生产和利用和机械能与电能之间的能量装换紧密相关，所以现代工业生产中对电机的速度控制有相应的工艺要求。比如对电动车辆则要求低速恒转矩高速恒功率；对电梯机床纺织造纸等传动特别是轧钢设备则要求正转反转电动制动四象限运行。实现调速节能，主要针对拖动风机水泵的电机过去电机恒速运行依靠挡板或阀门，调节风量或流量致使大量能量浪费在挡板阀门上。采用调节速度方式流量时电机输入功率大大减少，产生20-30的节能效果。这是一般性能调速技术的重要应用场合。直流电机对应直流调速由于直流电动机产生转矩的两个要素-电枢电流和励磁磁通相互间没有耦合并可通过相应电流分别控制，因此直流电动机调速时易获得良好的控制性能及快速的动态响应在变速传动领域中过去一直占主导地位。然而直流电机需要设置复杂的机械换向器和电刷，这是直流调速存在的固有的结构性缺陷，且机械换向器结构的成本也是比较高额的，其机械强度低的电刷容易磨损，需要长期维护，影响其运行可靠性。当把boost变化器与无刷直流电机前级相结合时，在电流大小及其转速方面有了可靠地方便地控制方式，而且其机械换向器的成本也得到了弥补，电刷的可靠性也得到了补充，对当今社会有着非凡的意义。

1.3 目的：无刷直流电动机调速一般是通过改变逆变器开关管的PWM控制信号实现的，但这种控制在高速和瞬态时会造成换相延迟和很高的开关损耗，，把BOOST变换器接到无刷直流电机的前级，可以利用PWM调节原理方便地改变电枢上直流电压的大小，即boost电路开关管的占空比大小，使调节转速方式增多，并且此类无刷电动机控制模型将速度的控制从逆变器换向中分离出来，并在整流部分引入boost变换器，逆变器开关管工作在更低的频率，尺寸更小，成本更低开关管也在只工作在高频状态，逆变器开关损耗也会减少，达到对无刷直流电机方波的控制研究。

无刷直流电机是一种高性能、高可靠性的机电一体化产品，具有结构简单、运行可靠等诸多优点，故在当今国防和国民经济的各个领域，如医疗器械、仪器仪表、化工轻纺、家电和航空航天等方面的应用日益普及，在民用和军用技术等领域得到广泛运用，民用无刷直流电动机的驱动一般由交流电源、整流器、直流母线电容滤波器和三相逆变器组成。虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中依旧占主导地位，但无刷直流电机正受到普遍的关注。

国内对无刷直流电机的研制开发起于70年代初期，当时主要是为我国自行研制的军事装备和宇航技术发展而配套，需求量较少。自20世纪90年代以来，随着人们生活水平的提高和现代化自动化的发展，家用电器、工业机器等设备愈来愈趋向于小型化、高效化及高智能化，作为提供动能的主要组成部分，电动机也必须具有速度快、效率高、精度高等特点，因此无刷直流电机得到了迅速的发展。BLDCM转子采用永磁铁，其产生的气隙磁通保持为常值，因而特别适用于恒转矩运行；对于恒功率运行，BLDCM虽然不能直接改变磁通实现弱磁控制，但可以通过控制方法的改机也可以获得弱磁控制的效果。于是在00年代甚至近几年就有人提出并改进了Cuk电路结合BLDCM的方式，并进行了相关研究，比如2015年石俊提出的基于Cuk变换器的无刷直流电机转矩脉动的抑制。现在对BUCK-BOOST变换器驱动无刷直流电动机控制系统的研究有一些关于开关损耗、成本以及逆变器尺寸等方面的仿真模拟、不同的MOSFET管对驱动电路的作用和影响、以及驱动电路结合新能源运用到实际工业中等等。

国外对无刷直流电机的研究比起国内时间上相对早一点，因而在技术上或年产量上相对我国有些许优势，当今日本，德国是无刷电机主要生产国地区，此外，美国也有一定量的生产。2009年~2011年，M.Ooshima提出将无轴承无刷直流电机应用到小型流体泵中，并基于有限元分析结果设计了应用于小型流体泵的无刷直流样机，此外2001年，新加坡南洋理工大学的Wan Song和K.J.Tsengs设计建造了一种基于特殊的永磁无刷直流电机形式的新型直接驱动离心血液泵，多绕组定子被放置在泵室外面，提供转子旋转运动和磁悬浮力，双定子结构相比于传统无刷直流电机能提供更高转矩。之后还有人提出基于CUK变换器的无位置传感器无刷直流电机的驱动问题，用转子位置传感器由无位置传感器代替，解决了低功耗等问题、以及材料性质对用永磁无刷直流电机的影响等等。

无刷直流电机一直以来都是研究热门，但是还有一部分待解决的问题，比如驱动方面，直流电机调速器的成本问题，控制器控制回路的复杂性，高速永磁无刷直流电机的全速运行问题等等。

这个研究主要是对无刷直流电机和BOOST变换器相结合而进行的，通过BOOST变换器的升压作用，对方波驱动的无刷直流电机的供电进行调节，使无刷直流电机的调节方式变得更为丰富，研究的内容主要分为下列几个内容：

1、通过分析传统BOOST变换器的基本原理、方波驱动的无刷直流电机的控制原理以及对应的拓扑结构，达到无刷直流电机前级使用boost变换器的目的

实现其意义并且设计接入变换器的拓扑结构设计方法；

2、进一步分析BOOST变换器和无刷直流电机控制拓扑结合的原理与控制理论；

3、其次搭建基于MATLAB/SIMULINK的仿真模型，进行系统仿真，分析

仿真结果；

4、进而熟悉功率变换器，参与实验调试，完成实验。

5、最后总结，完成论文文稿等工作。

第一阶段：2018年12月到2019年2月三个月的时间里，在指导教师的帮助下，了解分析前期的基本理论知识，包括BOOST变换器的基本原理，方波控制BLDCM的控制原理，以及前级接入变换器的拓扑结构设计方法。

第二阶段：2019年3月一个月的时间，在指导老师的帮助下，学习相关软件SIMULINK的基本操作并且完成SIMULING的仿真模型以及进行仿真，分析仿真结果。

第三阶段：2019年4月在这个一个月的时间里，在指导老师的帮助下，熟悉功率变换器，并且参与实验调试，完成实验。

第四阶段：2019年5月在这一个月的时间里，在指导老师帮助下完成毕业论文的初稿和最终稿的工作并进行外文文献的翻译，以及积极准备毕业论文答辩。

1. 武琼. 电动汽车双向DC/DC变换器的数字化实现[D]. 兰州交通大学, 2013.

2. 李立. 多电池组储能系统双向DC-DC变换器的研制[J]. 电力系统保护与控制, 2011, 39(3):90-94.

3.Ghosh A , Santra S B , Maharana M K , et al. Torque ripple andefficiency optimization of a novel boost converter fed BLDC Motor Drive[C]//International Conference on Computation of Power. IEEE, 2016.

4.Alshanfari A K , Wang J . Stability analysis of a DC/DCboost converter fed permanent magnet brushless motor drive[C]// ElectricMachines Drives Conference. IEEE, 2011.

5.Tang Q , Wang J , Hu J . Passivity-based control method ofthe tri-state boost DC/DC converter[J]. Proceedings of the Csee, 2013,33:171-175.

6.Lanjewar S M , Srivastav D . Design of variable speed schemefor five level DC link inverter for synchronous motor using boostconverter[C]// International Conference on Innovations in Information. IEEE,2018.

7.顾亦磊，陈世杰，吕征宇．BOOST电路的一种软开发实现方法[J]．源技术应用，2004(5)：290-293．

8.陈世杰，顾亦磊，吕征宇．BUCK电路的一种软开发实现方法[J]．电力电子技术，2004(2)：33-35．

9.巫付专，沈虹．电能变换与控制[M]．北京：电子工业出版社，2014.

10. 汤蕴瑶．电机内的电磁场[M]．北京：科学出版社，1998．

11. 朱玲．基于专用芯片的高压无刷直流电机控制器研究[D]．硕士南京：东南大学，2006.

12. 杨平, 许建平, 何圣仲, et al. 电流控制二次型Boost变换器的动力学研究*[J]. 物理学报, 2013, 62(16):160501-160501.

13. 王雪丹, 李文鹤. Buck-Boost隔离直流转换器设计[J]. 现代电子技术, 2012, 35(22):189-191.

14. 皇甫宜耿, 吴宇, 马瑞卿. 一种鲁棒无抖颤滑模控制的Buck-Boost变换器[J]. 西北工业大学学报, 2014(2):285-289.

15. 刘永根, 游剑, 罗萍, et al. 一种精准的升压型DC—DC转换器自调节斜坡补偿电路[J]. 微电子学, 2007, 37(1):76-79.

16. 于岳川. 基于状态空间法的非理想Boost电路开环建模[J]. 现代电子技术, 2012, 35(14):113-116.

17. 傅科成, 冯勇建, 洪明. 一种新型升压变换器的IC设计[J]. 厦门大学学报（自然版）, 2011, 50(4):734-738.

18. 邓秋玲, 谢卫才, 林友杰, et al. 使用永磁同步发电机和boost斩波电路的风力发电系统[J]. 湘潭大学自然科学学报, 2009, 31(2):119-122.

19. 尹逊青, 郭薇, 廖林炜. 基于软件锁相环的无刷直流电机速度控制器设计[J]. 舰船电子工程, 2012, 32(7):134-135.

20. 孟武胜, 王波, 何博. 基于Buck-Boost变换器驱动的无刷直流电动机控制系统[J]. 微特电机, 2011, 39(11):48-50.

21. Gupta G , Gaur P . Fuzzy logic controlled-power factorcorrected bridgeless buck boost converter-fed brushless DC motor drive[C]//International Conference on Computer. IEEE, 2016.