太阳光线跟踪系统中无刷直流电机控制研究

论文摘要

以常规能源为基础的能源结构随着资源的不断耗用将愈来愈不适应可持续发展的需要,加速开发利用太阳能等可再生能源已成为人们的共识。发展太阳能发电,不仅可以节约常规能源,而且有利环保,是改善能源结构,减少环境污染的有效途径之一,可带来直接的经济效益、社会效益和环境效益。在介绍了太阳光跟踪系统研究的现状和主要跟踪方案比较的基础上,本文设计了一种基于光线角度传感器的双轴太阳光跟踪系统。光线角度传感器可以测量太阳光线与太阳能组件法线的角度误差,通过DSP及驱动电路驱动电机,使得角度误差趋近于零,即太阳光与太阳能电池板垂直,此时发电效率最高。驱动电机选择无刷直流电机,比起现在普遍采用的步进电机,系统成本大大降低,同时在减速机构的帮助下,同样能达到相当高的精度。通过实验验证,太阳光与太阳能电池板法线的夹角基本在5°以内,取得比较好的跟踪效果。无刷直流电动机系统具有功率密度大、响应速度快、控制灵活方便、使用安全可靠等突出优点,并且采用电子换相代替机械换相,克服了由于电刷摩擦带来的一系列问题,因而,更适合应用于一些特殊应用场合,如武器系统、航空航天、精密机械、机器人传动以及车辆、船舶和水下航行器的驱动。然而,无刷直流电动机具有较大的转矩脉动,而对于这些应用场合,转矩平滑通常是基本要求。抑制转矩脉动成为提高无刷直流电机伺服系统性能的关键,从而,对于抑制转矩脉动的研究具有十分重要的意义。本文提出了一种基于α-β变换和Lyapunov函数的转矩脉动抑制直接功率控制方法。该方法在α-β坐标系下优化电磁有功功率和电磁无功功率,实现了比较好的转矩脉动抑制。在分析了反电势波形及其与霍尔位置传感器间关系的基础上,给出了在线计算反电势的方法。通过仿真验证了所述方法的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题意义
• 1.2 太阳光线跟踪系统研究现状
• 1.3 无刷直流电机特点
• 1.4 本论文的主要内容
• 第二章 跟踪方案选择
• 2.1 跟踪控制方式
• 2.1.1 视日运动轨迹跟踪
• 2.1.2 光电跟踪
• 2.1.3 视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合
• 2.2 光电检测单元
• 2.2.1 光电检测原理
• 2.2.2 光电检测单元建模
• 2.3 机械传动机构
• 2.3.1 方位角传动机构
• 2.3.2 高度角传动机构
• 2.4 控制电机选择
• 第三章 跟踪系统控制器工程设计方法
• 3.1 引言
• 3.2 电流调节器设计
• 3.3 转速调节器设计
• 3.4 位置调节器设计
• 3.5 跟踪系统仿真分析
• 第四章 太阳光线跟踪系统硬件及软件实现
• 4.1 引言
• 4.2 控制系统硬件设计
• 4.2.1 MC56F8346主控芯片
• 4.2.2 短路电流检测电路
• 4.2.3 电机驱动电路
• 3.2.4 限流保护电路
• 4.2.5 电流采样电路
• 4.2.6 开关电源设计
• 4.3 控制系统软件设计
• 4.3.1 主程序
• 4.3.2 中断程序
• 4.4 跟踪系统样机实验
• 4.4.1 跟踪系统样机介绍
• 4.4.2 角度误差实验数据
• 第五章 无刷直流电机转矩脉动抑制
• 5.1 无刷直流电机工作原理
• 5.1.1 无刷直流电机本体
• 5.1.2 位置传感器
• 5.1.3 电子开关线路
• 5.1.4 无刷直流电机驱动系统组成
• 5.1.5 无刷直流电机数学模型
• 5.2 转矩脉动分析
• 5.2.1 脉动转矩的产生原因及分类
• 5.2.2 无刷直流电机换相暂态分析
• 5.3 转矩脉动抑制研究现状
• 5.3.1 电流反馈法
• 5.3.2 滞环电流法
• 5.3.3 重叠换向法
• 5.3.4 谐波消除法
• 5.3.5 状态变换法
• 5.4 转矩脉动抑制新方法
• 5.4.1 两相静止坐标系下的电机数学模型
• 5.4.2 基于Lyapunov函数的控制器设计
• 5.4.3 相反电势获取
• 5.4.4 转矩脉动抑制仿真结果
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻读硕士期间发表的文章