新型无刷直流电机驱动系统研究

论文摘要

无刷直流电机既有交流电机结构简单、可靠性高等优点,又有传统直流电机运行效率高,调速性能好等优点,因此受到人们越来越多的关注。本文主要致力于无刷直流电机新型驱动系统的研究。文章内容主要分为三个部分:无刷直流电机滑模控制的研究、无刷直流集成电机电磁场有限元建模仿真分析以及无刷直流集成电机系统的EMC/EMI设计。本文首先介绍了无刷直流电机的基本结构和工作原理,在此基础上,以数字信号处理器DSP和可编程逻辑器件CPLD为核心,设计了无刷直流电机驱动系统,为实验研究提供了可靠的平台。控制系统设计过程中对系统描述的不准确或系统在工作过程中参数的变化,将对系统的控制性能产生影响,使系统的控制效果偏离设计目标。因此,本文开展了无刷直流电机滑模控制的研究,采用滑模控制器,淡化控制对系统精确数学模型的依赖,克服系统参数变化对系统控制性能的影响,达到提高系统控制性能的目的。文中首先利用系统状态方程,推导了无刷直流电机驱动系统的滑模控制速度调节器,并通过引入前馈控制思想,对滑模控制器进行改进,进一步提高了控制性能,仿真和实验验证了滑模控制器的性能。针对五种不同结构的无刷直流集成电机,本文采用MAXWELL软件建立了电机静磁场有限元仿真模型,对电机磁场进行了分析计算,给出了五种电机的磁场分布、气隙磁密、绕组电感、绕组磁链等基本静态特性。同时,通过ANSOFT电路仿真软件SIMPLORER与MAXWELL的联接,建立了无刷直流集成电机瞬态场仿真模型,对各电机的转矩输出进行了分析。结合静、瞬态场的仿真结果,文中对五种不同结构的电机进行了分析与对比,为电机方案的选型和改进提供了依据。由于无刷直流集成电机驱动系统工作时会产生电磁干扰,因此,设计无刷直流集成电机驱动器时,必须考虑电磁兼容问题。本文对EMC/EMI进行了相关介绍,针对无刷直流集成电机驱动系统,进行了详细的EMC/EMI分析,并据此在无刷直流集成电机驱动系统的设计中采用了一些行之有效的EMC/EMI设计方法,以提高系统的电磁兼容性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无刷直流电机的特点
• 1.2 无刷直流电机的应用与发展
• 1.3 无刷直流电机的研究现状
• 1.4 本文的主要内容
• 第二章 无刷直流电机的基本结构与工作原理
• 2.1 引言
• 2.2 无刷直流电机的基本结构
• 2.3 无刷直流电机的工作原理
• 2.4 无刷直流电机的数学模型
• 2.5 无刷直流电机的调速策略
• 2.6 本章小结
• 第三章 无刷直流电机驱动系统的设计与实现
• 3.1 引言
• 3.2 无刷直流电机驱动系统的硬件设计
• 3.2.1 无刷直流电机驱动系统的构成
• 3.2.2 辅助电源电路
• 3.2.3 主功率电路
• 3.2.4 驱动隔离电路
• 3.2.5 调理及保护电路
• 3.2.6 DSP 数字控制电路
• 3.2.7 CPLD 逻辑综合的实现
• 3.3 无刷直流电机驱动系统的软件设计
• 3.3.1 系统初始化程序
• 3.3.2 系统自检程序
• 3.3.3 系统调速程序
• 3.4 小结
• 第四章 基于滑模变结构控制的无刷直流电机驱动系统
• 4.1 引言
• 4.2 滑模变结构控制的发展现状
• 4.3 滑模控制的基本理论
• 4.3.1 滑模控制的基本概念
• 4.3.2 滑模控制的运动轨迹设计
• 4.3.3 滑模控制的基本控制率
• 4.3.4 滑模控制的抖振问题
• 4.3.5 等效控制
• 4.4 基于滑模控制的速度调节器设计
• 4.4.1 基于比例切换控制率的传统滑模控制速度调节器设计
• 4.4.2 基于前馈控制的新型滑模控制速度调节器设计
• 4.4.3 两种滑模控制器的比较
• 4.5 滑模控制的软件设计
• 4.6 仿真分析
• 4.6.1 传统滑模控制
• 4.6.2 前馈滑模控制
• 4.7 实验结果
• 4.7.1 传统滑模控制的实验结果
• 4.7.2 前馈滑模控制的实验结果
• 4.8 小结
• 第五章 无刷直流集成电机电磁场的有限元仿真
• 5.1 引言
• 5.2 有限元仿真软件简介
• 5.2.1 MAXWELL 2D 软件简介
• 5.2.2 SIMPLORER 软件简介
• 5.3 集成电机控制系统场路耦合仿真模型的建立
• 5.3.1 基于MAXWELL 2D 有限元电机静态模型的建立
• 5.3.2 基于MAXWELL 2D 有限元瞬态模型的建立
• 5.3.3 基于SIMPLORER 的有限元瞬态模型的建立
• 5.4 无刷直流集成电机多极多槽结构与多方案仿真分析
• 5.4.1 32 极96 槽方案
• 5.4.2 32 极99 槽方案
• 5.4.3 36 极108 槽方案
• 5.4.4 36 极111 槽方案
• 5.4.5 42 极72 槽方案
• 5.5 方案对比
• 5.5.1 静磁场方案对比
• 5.5.2 瞬态场方案对比
• 5.6 总结
• 第六章 无刷直流集成电机驱动系统的电磁兼容设计
• 6.1 引言
• 6.2 电磁兼容技术简介
• 6.2.1 电磁兼容的相关定义
• 6.2.2 电磁兼容技术的发展历程
• 6.2.3 电磁兼容技术的研究现状
• 6.3 无刷直流集成电机驱动系统的电磁兼容设计
• 6.3.1 电磁兼容设计简介
• 6.3.2 无刷直流集成电机驱动系统的EMC/EMI 分析
• 6.3.3 无刷直流集成电机驱动系统控制器的电磁兼容设计
• 6.3.4 无刷直流集成电机驱动系统整机的电磁兼容设计
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结
• 7.1 本文的主要工作
• 7.2 需进一步的研究工作
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果以发表的学术论文