题目：无刷直流电机无位置传感器速度控制技术研究

无位置传感器控制不仅可使无刷直流电动机(BLDCM)系统体积减小、重量减轻、成本降低，而且可提高系统在高温、强振动、强腐蚀性等恶劣环境下的可靠性，广泛应用于航空航天、船舶、兵器、数控机床等领域。为获取无位置传感器无刷直流电动机驱动与控制必需的转子位置信息，只能通过对电机绕组电气信息的测量间接得到。然而，大多间接测量方法无法应用于电机低速或静止状态，测量精度还会受到电路噪声、滤波延迟、电枢反应等因素的影响，给无刷直流电动机的可靠启动、精确换向和稳定控制提出了极大的挑战。为此，本文针对无位置传感器无刷直流电动机，在对电机他控运行稳定性进行分析的基础上，深入研究了启动、换向时刻校正和速度抗干扰控制等理论问题和关键技术。研究成果可实现无位置传感器无刷直流电动机的高可靠启动和高精度控制，具有重要的理论意义和工程应用价值。本文取得的主要研究成果如下：

首先，针对无位置传感器无刷直流电动机转子位置信息无法直接测量的问题，在电机静止、低速运行和高速运行三种工况下，分别设计了转子位置间接检测方案，并进行了实验验证。在电机高速运行且反电势信号的信噪比足够高时，转子位置检测通过反电势信号的过零检测实现。当电机低速运行或静止时，反电势信号较弱甚至为零，转子位置检测则通过对电机绕组电感的测量实现。

其次，针对大惯量、重载无刷直流电动机他控模式下不能可靠启动的问题，建立了表征电机转子与定子同步性的误差动态方程，并采用Lyapunov间接方法，对无刷直流机他控模式稳定运行的条件进行了理论分析。分析结果表明，在他控运行模式下，只有使定子电流实际换向时刻滞后于理想换向时刻，误差动态方程才是渐近稳定的，才可实现电机他控模式下的稳定运行。

第三，针对他控模式下换向误差不可控的问题，提出了基于端电压的无刷直流电动机启动方法。该方法根据绕组端电压平均值波形的特征，对换向频率自动调整，在使实际换向时刻趋近理想换向时刻的同时，使电机转子加速。与无位置传感器无刷直流电动机的其它闭环启动方法相比，该方法只需对绕组端电压进行测量，而不需电流传感器。同时，该方法依赖的是低通滤波后端电压波形的特征，而不是电压的瞬时值或过零点，对测量噪声具有较好的鲁棒性。

第四，针对无刷直流电动机反电势换向运行中存在的换向时刻不准的问题，提出了一种基于最小功率点跟踪的换向时刻校正算法。经过分析发现，在电机转速及负载不变时，电机输入功率随换向时刻的变化而变化。采用最小功率点跟踪算法，可自动对无刷直流电动机换向时刻进行校正，在换向时刻趋近准确值的同时，使电机输入功率最小。与其它换向时刻校正算法相比，该算法实现较为简单，仅需直流侧电压及电流的测量。

第五，针对无位置传感器无刷直流电动机反电势测量噪声引起的过零点波动问题，设计了变采样周期的二阶状态观测器，对电机速度进行估计。该方法只需数值积分运算，而不需进行数值微分运算，从而避免了数值微分对测量噪声的放大问题，可以抑制反电势过零点波动对速度估计精度的影响。

第六，针对无位置传感器无刷直流电动机速度控制系统中存在的各种干扰，提出了一种基于预报误差与控制误差相结合的复合抗干扰控制方法。该方法充分利用包含干扰的误差信息，采用预报误差与控制误差对系统中存在的干扰进行估计。在此基础上，采用干扰前馈对干扰估计值进行补偿，采用输入前馈对输入指令的变化进行预报，采用角速度误差反馈对前馈未能补偿的剩余干扰和未建模动态进行反馈抑制，实现无位置传感器无刷直流电机速度的高精度控制。

最后，设计了无位置传感器无刷直流电动机驱动器和无刷直流电动机模拟器，搭建了无位置传感器无刷直流电动机速度控制系统实验平台，对转子位置检测、启动、换向时刻校正、速度抗干扰估计与控制等方法进行了实验验证，并将驱动器应用于控制力矩陀螺高速转子，可以改善高速转子的速度稳定度。