无刷直流电机转矩脉动分析及控制方法研究

论文摘要

永磁无刷直流电机(BLDCM)是永磁同步电机的一种,其理想反电动势波形为梯形波,驱动电流为方波信号,因此它兼有永磁同步电机和直流电机的优点,成本低,控制方法简单易实现,控制系统开发周期短,运行可靠性高等,在国民经济的各行业中得到广泛应用。然而无刷直流电机的特殊结构及控制方式也带来了难以克服的转矩脉动问题,严重阻碍了其位置和转速控制性能的进一步提高和发挥,无法满足一些高精度场合的性能要求。为此,本文围绕无刷直流电机的转矩脉动问题,开展转矩脉动抑制技术的研究工作。首先,在分析无刷直流电机工作原理的基础上,建立其数学模型,并借助Simulink /PLECS仿真工具,建立了无刷直流电机的控制系统仿真模型,验证了仿真模型的可行性,指出转矩脉动的存在。其次,分析了无刷直流电机转矩的特性,脉动产生的原因,以及转矩的影响因素。着重分析了换相过程中反电动势和电流对转矩脉动的影响,讨论了换相转矩脉动的主要产生机理。针对换相过程中的转矩脉动,在深入研究转矩脉动控制方法—换相角积分法的基础上,提出了换相电流控制法,以实现对换相转矩脉动的有效抑制,并对这两种方法进行了仿真验证和比较。最后,基于DSPACE实时仿真平台,开发了无刷直流电机控制系统的实验平台,将换相电流控制法应用到该系统中,实验验证了该方法的有效性。本文的研究对进一步提高无刷直流电机的控制性能,拓展其应用范围具有积极的理论研究意义和应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 无刷直流电机转矩脉动国内外研究现状
• 1.2.1 齿槽转矩脉动
• 1.2.2 电磁因素引起的转矩脉动
• 1.2.3 电流换相转矩脉动
• 1.2.4 智能控制技术在转矩脉动中的应用
• 1.3 论文的主要工作
• 第二章 基于 Simulink/PLECS 的 BLDCM 建模与仿真研究
• 2.1 永磁无刷直流电机的结构和工作原理
• 2.1.1 永磁无刷直流电机的结构
• 2.1.2 工作原理
• 2.2 无刷直流电机的数学模型
• 2.3 基于 Simulink/PLECS 的方波无刷直流电机控制系统模型的建立
• 2.3.1 BLDCM 本体模块
• 2.3.2 速度控制模块
• 2.3.3 PWM 信号产生模块
• 2.3.4 参考电流模块
• 2.3.5 电流调节模块快
• 2.3.6 转矩计算模块
• 2.3.7 电压逆变模块
• 2.4 BLDCM 控制系统仿真
• 2.5 本章小结
• 第三章 方波BLDCM 转矩脉动分析
• 3.1 BLDCM 转矩特性分析
• 3.2 换相过程中转矩脉动的产生
• 3.2.1 换相过程反电动势波形对转矩的影响
• 3.2.2 换相过程中电流对转矩的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于 Simulink 的 BLDCM 换相转矩脉动控制方法研究
• 4.1 换相角积分法
• 4.1.1 换相角β的确定
• 4.1.2 换相角积分法在Matlab/Simulink 中的实现
• 4.1.3 仿真结果
• 4.2 换相电流控制法
• 4.2.1 BLDCM 换相过程
• 4.2.2 换相电流控制法转矩脉动抑制策略
• 4.2.3 仿真结果
• 4.3 本章小结
• 第五章 基于DSPACE 的BLDCM 转矩脉动控制算法的实现
• 5.1 DSPACE 实时系统简介
• 5.1.1 快速控制原型（RCP）
• 5.1.2 硬件在回路仿真（HILS）
• 5.2 用DSPACE 进行控制系统开发
• 5.2.1 开发步骤
• 5.2.2 模型下载和代码的实时生成
• 5.2.3 实验测试
• 5.3 基于DSPACE 的BLDCM 调速系统实验平台开发
• 5.3.1 实验系统结构
• 5.3.2 Matlab/Simulink 中的在线实验框图
• 5.3.3 模型优化
• 5.4 控制程序的软件实现
• 5.4.1 速度计算模块
• 5.4.2 三相参考电流计算模块
• 5.4.3 电流控制模块
• 5.4.4 换相控制模块
• 5.5 实验结果
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文及学术成果