全数字高性能无刷直流电动机控制系统的研究

论文摘要

近年来,随着稀土永磁材料、电力电子技术的发展以及微处理器性能的提高,无刷直流电动机得到了广泛的研究和应用。尤其作为中小功率高性能调速电机和伺服电机,在航空航天、军事、家电及工业领域具有广阔的应用前景和研究价值。本文以航空应用为背景,研制了一套基于DSP的全数字高性能无刷直流电动机控制系统。首先介绍了无刷直流电动机的发展历程和趋势,分析了无刷直流电动机的工作原理,建立了数学模型。在此基础上,对五种PWM斩波方式分析比较,详细分析了各种斩波方式下非导通相的电流拖尾现象,从而为研究抑制转矩脉动提供了条件。给出电流、速度双环控制系统的详细设计,调节器采用PI控制器。并利用Matlab/Simulink仿真软件建立系统模型,对电流、速度双闭环进行仿真研究,进一步验证了本文所提方案的正确性,指导系统的制作和调试。在理论分析和仿真研究的基础上,设计制作了一台850W全数字无刷直流电动机控制系统原理样机。该系统以TI公司生产的TMS320F2812DSP芯片作为控制核心,采用功率MOSFET构建三相桥式电路作为主功率逆变模块,IR3120作为驱动芯片。在硬件平台上,采用C语言模块化编程思想编写系统控制软件,并通过CAN总线与上位机通讯,实现实时控制和状态显示。最后,对系统进行调试,给出了主要实验波形。验证了五种PWM斩波方式下的拖尾电流,并根据系统实验测试对速度调节器进行了优化,实验结果表明系统具有良好的动态和静态性能,验证了理论和仿真分析的正确性,为系统的进一步深入研究和开发奠定了坚实的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 无刷直流电动机的发展历程
• 1.3 无刷直流电动机控制系统的发展趋势
• 1.4 本文研究的意义和主要内容
• 第二章 无刷直流电动机原理分析
• 2.1 引言
• 2.2 无刷直流电动机结构和工作原理
• 2.3 无刷直流电动机的数学模型
• 2.4 无刷直流电机PWM 调制方式分析
• 2.5 非导通相拖尾电流分析
• 2.5.1 [0,π/3)区间内的拖尾电流分析
• 2.5.2 [π,4π/3)区间内的拖尾电流分析
• 2.5.3 其他四种PWM 方式的拖尾电流
• 2.6 四象限运行分析
• 2.6.1 正反转电动运行分析
• 2.6.2 正反转制动运行分析
• 2.6.3 电动和制动切换的过渡过程分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 控制系统的设计与仿真研究
• 3.1 引言
• 3.2 双闭环控制系统的设计
• 3.2.1 双闭环控制分析
• 3.2.2 电流环的设计
• 3.2.3 速度环的设计
• 3.3 PID 控制器
• 3.4 控制系统建模
• 3.4.1 无刷直流电动机本体模型建立
• 3.4.2 换向模块和泵升电压抑制电路模块
• 3.4.3 抗积分饱和PI 调节器模块
• 3.5 双闭环系统的仿真研究
• 3.5.1 电流环仿真研究
• 3.5.2 速度环仿真研究
• 3.6 非导通相续流现象仿真研究
• 3.7 本章小结
• 第四章 控制系统的硬件设计
• 4.1 引言
• 4.2 系统硬件概述
• 4.3 控制电路的设计
• 4.3.1 DSP-TMS320F2812 最小系统设计
• 4.3.2 控制电路的外围电路设计
• 4.4 主功率板设计
• 4.4.1 主电路设计
• 4.4.2 驱动电路设计
• 4.5 本章小结
• 第五章 控制系统的软件设计
• 5.1 引言
• 5.2 程序整体结构分析
• 5.2.1 软件占用的主要系统资源
• 5.2.2 Q24 定标
• 5.2.3 程序总体结构
• 5.3 主定时中断服务子程序
• 5.3.1 电流采样
• 5.3.2 不对称PWM 产生
• 5.3.3 位置霍尔捕捉子程序
• 5.3.4 速度计算
• 5.4 T4 定时中断服务子程序
• 5.5 CAN 通讯
• 5.5.1 CAN 模块的初始化
• 5.5.2 置发送邮箱和接收邮箱
• 5.5.3 发送和接收消息中断
• 5.5.4 上位机界面
• 5.6 本章小结
• 第六章 控制系统实验及其分析
• 6.1 引言
• 6.2 系统基本性能实现
• 6.2.1 霍尔位置传感器的安装
• 6.2.2 四象限运行实现
• 6.2.3 拖尾电流分析
• 6.3 电流环特性实验
• 6.4 速度环特性实验
• 6.4.1 正转起动特性实验分析
• 6.4.2 制动特性实验分析
• 6.4.3 速度稳态响应实验分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 后续研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间研究成果及发表的学术论文