直流无刷电机控制技术研发

论文摘要

传统的直流电机由于具有运行效率高、调速性能好等诸多优点而在工业传动中占据着重要的地位,但其本身固有的机械换相器和电刷导致了电机容量有限、噪音大、容易产生火花和可靠性差等缺点,因此,一直以来,人们在寻求一种新型的电机来取代传统的直流电机。随着电力电子技术和微机控制技术的发展而得到迅速发展的直流无刷电机用电子换相器取代了电刷和机械换相器,解决了传统直流电机存在的弊端,同时很好的保持了传统直流电机的优点,因此直流无刷电机一经产生就在工业生产中取得了广泛的应用。直流无刷电机具有体积小、重量轻、效率高、噪音低、容量大且可靠性高的特点,因而极有希望代替传统的直流电机成为电机驱动系统的主流。目前有关直流无刷电机的设计及控制的研究非常活跃,本文利用DSP对直流无刷电机的控制系统进行了研究,主要做了以下几个方面的工作。研究直流无刷电动机的结构、运行原理、全桥斩波控制方式和电机数学模型。针对控制对象——具有梯形波反电动势的2.2KW无刷电机选择合适的控制方案。设计直流无刷电机控制器的硬件电路,包括电源电路、功率电路、电流检测电路、电压检测电路、位置检测电路、电流斩波电路、驱动电路、DSP外围电路以及显示电路等。研究直流无刷电机的电动运行的控制方法,在此基础上完成了软件设计。软件设计主要包括:换相控制程序、电流和电压采集程序、PWM占空比重载程序、转速计算程序、串行显示程序、转速和电流双闭环调节程序和键盘程序等。通过实验,验证硬件电路的可行性,根据控制要求修改软件设计,提高控制性能。实验结果表明,电机在电动运行时具有良好的动态和静态性能,并且由于系统具有很好的保护环节,提高了运行的可靠性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 直流无刷电机的应用
• 1.3 直流无刷电动机的研究现状
• 1.4 直流无刷电动机的发展趋势
• 1.5 课题的主要研究内容
• 第2章 直流无刷电动机运行原理
• 2.1 直流无刷电机基本结构
• 2.2 直流无刷电机的工作原理
• 2.3 直流无刷电机的多相结构
• 2.4 直流无刷电机的数学模型
• 2.4.1 直流无刷电机的简化模型
• 2.4.2 直流无刷电机运动方程
• 第3章 直流无刷电动机的控制方法
• 3.1 直流无刷电机控制方法分类
• 3.1.1 三相半桥电路
• 3.1.2 三相Υ连接全控电路
• 3.2 PWM 调制斩控方法的研究
• PWM 单斩控制方式'>3.2.1 ON_PWM 单斩控制方式
• PWM-L_PWM 双斩调制方式'>3.2.2 H_PWM-L_PWM 双斩调制方式
• 3.3 直流无刷电机的双闭环控制
• 3.3.1 双闭环控制系统
• 3.3.2 数字化调节器的设计
• 3.4 直流无刷电机的正反转控制
• 第4章 直流无刷电机控制系统硬件设计
• 4.1 系统硬件设计框图
• 4.2 主电路的设计
• 4.3 IGBT 的驱动电路设计
• 4.4 DSP 控制单元
• 4.4.1 TMS320LF2407A 型DSP 简介
• 4.4.2 PWM 波形产生单元
• 4.4.3 电源转换电路
• 4.4.5 接口电平转换电路
• 4.4.6 位置信号检测
• 4.4.7 速度检测
• 4.4.8 看门狗设计
• 4.5 检测与保护单元
• 4.5.1 电压检测与保护
• 4.5.2 电流检测与保护
• 4.6 键盘及显示单元
• 第5章 直流无刷电机控制系统的软件设计
• 5.1 系统软件整体设计
• 5.2 系统主程序控制流程的设计
• 5.3 子程序设计
• 5.3.1 脉冲捕捉中断子程序
• 5.3.2 换相控制子程序
• 5.3.3 A/D 转换完成中断子程序
• 5.3.4 PI 调节子程序
• 5.3.5 转速电流双闭环控制系统
• 5.3.6 显示控制流程
• 5.3.7 故障处理控制流程
• 第6章 实验结果与分析
• 6.1 系统实验配置
• 6.2 实验结果及波形分析
• 6.2.1 转子位置信号
• PWM 控制下的实验波形'>6.2.2 ON_PWM 控制下的实验波形
• L-PWM 控制下的实验波形'>6.2.3 H-PWM_L-PWM 控制下的实验波形
• 6.3 电机电动运行实验波形
• 6.3.1 电机空载运行波形
• 6.3.2 电机带载运行波形
• 6.3.3 系统闭环实验波形
• 第7章 课题总结
• 7.1 课题总结
• 7.2 后续工作展望
• 参考文献
• 致谢