基于DSP的无刷直流电机系统及其弱磁控制策略研究

论文摘要

无刷直流电机既具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点,又具备直流电机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点,因此在国民经济领域的应用日益普及。所以,研究基于DSP的高性能的无刷直流电机控制系统具有十分重要的现实意义。本文在进行无刷直流电机发展及应用综述的基础上,详细的介绍了其基本结构、运行原理和调速特性,并给出了数学模型。基于MATLAB/simulink软件,建立了转速、电流双闭环无刷直流电机控制系统的动态仿真模型,进行了仿真研究。仿真结果证明了该系统工作良好,达到了预期目标。在理论研究的基础上,对无刷直流电机控制系统的硬、软件设计作了详细论述。以AD公司的ADMC401芯片为控制核心,设计了无刷直流电机控制器的硬件电路部分。对硬件部分先作了整体设计之后,又着重论述了几个主要模块的电路设计。软件部分采用模块化程序设计思想,给出了各子模块的流程图。由于采用永磁体励磁,无刷直流电机的励磁磁场不可调节给弱磁控制带来了难度。本文详细分析了定子绕组电枢反应,利用定子绕组电枢反应对永磁体转子磁场的去磁作用,削弱永磁体转子磁场,从而获得等效的弱磁控制。在调节电流超前反电动势角度方法的原理基础之上,提出一种基速以上的新型弱磁控制策略,并对该方法进行了详细分析。在搭建的基于DSP的实验平台上实现了这种控制策略。最后,进行了实验研究,并给出了实验波形。实验结果表明控制系统设计合理,性能可靠。所设计的无刷直流电机控制系统满足高性能调速系统的要求,在工程应用中具有实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无刷直流电机的发展概况
• 1.2 无刷直流电机的特点及应用领域
• 1.3 无刷直流电机的国内外研究现状
• 1.3.1 无位置传感器控制
• 1.3.2 弱磁控制
• 1.3.3 转矩脉动抑制
• 1.3.4 控制策略和控制算法
• 1.4 本文的主要研究内容和结构安排
• 第二章 无刷直流电机的结构和运行原理
• 2.1 无刷直流电机的结构
• 2.1.1 电机本体
• 2.1.2 位置传感器
• 2.1.3 电子换相线路
• 2.2 无刷直流电机的运行原理
• 2.3 无刷直流电机的调速原理
• 2.3.1 调速方法
• 2.3.2 PWM脉宽调制调速法的原理
• 2.4 本章小结
• 第三章 无刷直流电机的数学模型和系统仿真
• 3.1 无刷直流电机的数学模型
• 3.1.1 电压方程
• 3.1.2 转矩方程
• 3.1.3 运动方程
• 3.1.4 状态方程
• 3.2 控制系统的仿真
• 3.2.1 BLDCM本体模块
• 3.2.2 转矩、转速计算模块
• 3.2.3 速度调节模块
• 3.2.4 电流环调节模块
• 3.2.5 三相逆变桥模块
• 3.3 仿真结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 控制系统的软硬件设计
• 4.1 控制系统的整体设计
• 4.2 DSP的选型
• 4.2.1 DSP在电机调速中的应用
• 4.2.2 ADMC401简介
• 4.3 功率主电路及其驱动
• 4.3.1 功率主电路
• 4.3.2 功率管驱动电路
• 4.4 检测电路
• 4.4.1 转子位置检测电路
• 4.4.2 电流采样电路
• 4.4.3 电压采样电路
• 4.5 电源的设计
• 4.6 控制系统的软件设计
• 4.6.1 控制系统的主程序设计
• 4.6.2 转子位置信号的处理
• 4.6.3 转速的计算
• 4.6.4 PID算法的设计
• 4.6.5 电流调节器
• 4.7 本章小结
• 第五章 新型弱磁控制策略的研究
• 5.1 BLDCM弱磁控制原理
• 5.1.1 BLDCM电枢反应分析
• 5.1.2 BLDCM弱磁控制的原理
• 5.2 弱磁控制策略
• 5.2.1 传统的控制策略
• 5.2.2 新型的控制策略
• 5.3 软件的设计
• 5.4 弱磁实验结果及分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 实验结果及分析
• 6.1 实验平台
• 6.2 实验结果及分析
• 6.2.1 PWM信号波形
• 6.2.2 端电压波形
• 6.2.3 相电流波形
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文