无刷直流电机无位置传感器起动控制与逆变器故障诊断研究

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1、中图分类号：TM351论文编号：102870314-B016学科分类号：080402博士学位论文无刷直流电机无位置传感器起动控制与逆变器故障诊断研究研究生姓名王强学科、专业测试计量技术及仪器研究方向计算机测控技术指导教师王友仁教授南京航空航天大学研究生院自动化学院二О一五年十一月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringResearchonSensorlessStar

2、tupControlandDiagnosisMethodforInverterFaultsofBrushlessDCMotorAThesisinMeasurement&TestTechniquesandInstrumentbyWangQiangAdvisedbyProf.WangYourenSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyNovember,2015承诺书本人声明所呈交的博士学位论文是本

3、人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学博士学位论文摘要无刷直流电机具有结构简单、维护方便、调速性能好、运行效率高等优点，广泛应用于商业、工业、航空航

4、天等领域。本文对无刷直流电机无位置传感器起动控制技术、驱动系统逆变器开路故障诊断方法，以及无刷直流电机在电动自行车中的应用等进行了深入研究，主要成果如下：（1）提出一种转子初始位置检测方法。分析了无刷直流电机在施加电压矢量过程中，电流、电压、电感等参数的变化规律，建立了非导通相端电压变化趋势与导通相绕组电感比值、导通相绕组电感比值与转子初始位置之间的关系。在此基础上提出了一种向电枢绕组施加三个电压矢量，分别检测各电压矢量下非导通相端电压的变化趋势，将转子初始位置估计在60°范围内的方法。当转子位于临界扇区时

5、，结合转子所需的运动方向判断其所在扇区。实验结果验证了该方法的有效性。（2）针对无位置传感器无刷直流电机起动性能易受负载影响的问题，提出了一种基于直接反电势的闭环起动方法。分析了加速过程中依据非导通相端电压进行换相的原理，提出了换相点端电压阈值的确定方法。加速过程中，在PWM周期中的ON时刻采样非导通相端电压，并与设定的阈值进行比较来确定换相点；自同步运行状态下，通过非导通相反电势过零点延迟30°来确定换相点。该方法实现了电机起动过程中位置的闭环控制，在变负载条件下均能顺利起动。实验结果表明了所提方法的有效

6、性。（3）针对H-PWM_L-ON和H-ON_L-PWM两种调制方式下的无刷直流电机驱动系统逆变器的开路故障，提出了一种在线诊断方法。通过分析逆变器在正常工作与开路故障两种状态下导通相绕组的线电压，将PWM周期内ON与OFF时的线电压差值作为故障检测的特征量，综合相邻两个工作模式下的故障状态定位出具体的开路功率管。利用AD分时复用策略，实现低成本的线电压差估计。最大诊断时间为1个电周期。该方法采用电压型特征量，诊断结果不受开环、闭环控制等策略的影响。实验结果表明了所提方法的有效性。（4）研究了无刷直流电机在

7、电动自行车中的应用。为提高电动自行车用无刷直流电机控制系统无位置传感器控制性能、降低转矩脉动、提高运行可靠性，研发了双模电动自行车控制系统。设计了两种无位置传感器控制方法：基于比较器的反电势转子位置检测法、基于AD采样的直接反电势转子位置检测法，及对应的起动控制策略；设计了一种双模自动切换方法；设计了一种基于母线电流的换相转矩脉动抑制方法；提出了一种智能识别霍尔位置传感器信号与绕组对应关系的方法。关键词：无刷直流电机，无位置传感器，转子初始位置，起动，逆变器，故障诊断，换相转矩脉动，电动自行车I南京航空航天

8、大学博士学位论文AbstractBrushlessDCmotor(BLDCM)iswidelyusedinvariousareassuchascommerce,industry,andaerospace,becauseoftheirsimplestructure,lowmaintenance,goodcontrollabilityandhighefficiency.Sensorlesscontrol,diagno