基于卡尔曼滤波的无刷直流电机无传感器控制-电气工程专业论文.docx

万方数据 万方数据 致 谢 本论文的工作是在我的导师邓先明教授的悉心指导下完成的。在研究生的三 年学习和生活过程中，邓老师给予了我莫大的鼓励和支持。邓老师敬业爱生、风 趣幽默、桃李芬芳，是学生的良师益友;他治学严谨、淡泊名利、朴实无华、大 气恢弘，对待生活从容淡定、宁静致远，这些高尚的品格足以让我受用终生。在 此论文完成之际，向邓老师表示崇高的敬意和深深的祝福，愿邓老师身体健康、 阖家幸福！ 在研究生求学期间，还得到了谭国俊教授、何凤有教授、张晓副教授、胡堃 副教授、叶宗彬副教授等老师的指导和帮助，在此表示由衷的感谢！ 感谢在论文撰写、科研和找工作过程中给予我帮助的谢钊文、呼小亮。感谢 研究生求学期间并肩学习的同窗边道海、王珍珍、郑菲菲，还有实验室的师弟师 妹们，在与你们交流、讨论过程中，我得到了很大提高。 感谢父母一直以来对我的关心和支持，我的点滴成长，无不伴随着你们辛劳 的汗水，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿！感谢姐姐和 弟弟对我的支持和鼓励，希望你们工作顺利、生活美满！感谢一直陪伴我的女朋 友，在我的学习和生活中给与我理解和支持，感谢你的不离不弃，希望你永远年 轻、漂亮，永远快乐！ 本文的完成，也意味着学生生涯的结束，回想在矿大的七年求学光阴，往事 历历在目。感谢学校为我提供了优越的学习环境，让我从一个无知少年变成一个 有知识、有思想、有健全人格的有为青年。感谢在此求学过程中帮助过我的每一 位老师和同学，感谢母校的培养，祝愿母校明天更美好！ 摘 要 无刷直流电机（Brushless Direct Current Motor, BLDCM）是一种取消了直流 电机的碳刷和滑环等换相装置，又具有普通直流电机相同调速性能的特种电机， 具有效率高、寿命长、可靠性好、调速性能优良等优点。但是需要安装位置传感 器来提供换相信号，这又增加了电机结构复杂性和成本。因此，取消传感器装置 并提高电机运行性能具有重要的意义，这也逐步成为当前对无刷直流电机的研究 热点。 本文研究了基于扩展卡尔曼滤波（Extended Kalman Filter, EKF）算法的无刷 直流电机无位置传感器控制系统，能够实现电机在无传感器状态下运行。该方法 动态性能好，对电机参数变化不敏感，可以较好的实现无刷直流电机的无传感器 控制。但是，传统 EKF 方法在对非线性系统方程进行线性化处理时，只具有泰 勒级数的一阶精度，因而在实际应用中，需要对卡尔曼滤波方法进一步改善。针 对这一问题，本文对一种改进的卡尔曼滤波算法--无迹卡尔曼滤波（Unscented Kalman Filter, UKF）进行了深入研究，研究结果表明，UKF 算法在无刷直流电机 无传感器控制系统中的应用效果优于 EKF。 首先，给出了无刷直流电机的数学模型，并根据该数学模型建立了基于 Matlab/Simulink 的无刷直流电机转速、电流双闭环系统仿真模型。 其次，对扩展卡尔曼滤波算法进行了详细的介绍，在推导出无刷直流电机的 状态方程基础上，建立了基于 EKF 的无刷直流电机无传感器控制系统仿真模型， 并对其进行了深入的仿真研究，仿真结果表明 EKF 用于无刷直流电机无传感器 控制系统具有较好的观测效果。 再次，针对传统 EKF 算法只有一阶精度的缺点，对一种改进的卡尔曼滤波 算法 UKF 进行了详细的介绍和分析，并将其应用于无刷直流电机中，设计了基 于 UKF 的无刷直流电机无传感器控制系统。仿真和分析发现，UKF 用于无刷直 流电机无传感器控制系统，其观测效果优于 EKF，能有效提高估算精度，但是计 算量更大。 最后，搭建了无刷直流电机无传感器控制系统的硬件平台，并编写了软件程 序，对基于 EKF 的无刷直流电机无传感器控制系统进行了实验验证，实验结果 证明了该算法的有效性。 该论文有图 45 幅，表 3 个，参考文献 85 篇。 关键词：无刷直流电机；扩展卡尔曼滤波；无迹卡尔曼滤波；无传感器控制 I Abstract Brushless DC motor (BLDCM) is widely used in automotive electronics, household appliances, aerospace, industrial automation and other fields with its advantages of high efficiency, simple control and good speed performance. Brushless DC motor uses electronic commutation instead of mechanical commutation, which increases