直流无刷电机的建模与辨识

论文摘要

无刷直流电机是随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论及新型永磁材料迅速成熟起来的一种新型电机,具有大转矩且体积小、结构简单、可靠性高的突出优点。随着永磁无刷直流电机应用领域的不断拓宽,对电机控制系统的设计要求越来越高,既要考虑成本低廉、控制算法合理,又需兼顾控制性能好、开发周期短。现实中控制系统的设计往往是在离线的情况下进行的,用什么样的模型来代替实际系统进行控制器的设计,是控制系统设计者首先应当解决的关键问题。本文首先对无刷直流电机系统的组成、机理等进行深入研究,抓住其主要的动态特征,换相过程及其脉动特性等,根据换相过程中不同换相阶段,电机所表现出来的不同特性,把直流无刷电机系统的模型,简化成一个简单的分时段的状态空间模型。进而通过实测电机系统的转速响应,利用改进的遗传算法对该模型参数进行精确辨识。为检验方法的有效性,我们设计了基于STM32微控制器的实时系统,硬件平台包括微控制器、功率驱动及逆变电路、电流检测电路、电压检测、电源电路、隔离电路、以及其他接口单元。通过软件编程实现了转子位置捕获、电机启动、电机换相、电流采样、速度计算、电流调节、速度调节等。基于此平台,我们获得了模型建立所需要的样本数据,进而完成了模型的参数精确辨识。后通过与常用模型的对比性实验,表明该分时段模型结构合理,参数辨识精度高。此外,我们以该模型为基础,设计无刷电机转速控制仿真实验平台,利用常用的PID控制来验证平台的有效性,最后仿真数据与实际记录数据的比较可以证实,在仿真平台上设计的控制算法可以直接应用在实际中。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题的背景
• 1.1.1 无刷直流电机发展概况
• 1.1.2 课题研究的意义
• 1.1.3 无刷直流电机研究现状
• 1.2 本文主要的研究内容
• 1.2.1 问题的提出
• 1.2.2 本文研究的重点
• 1.3 论文的结构
• 2 基于 IGA 的“类等效”建模方法
• 2.1 建模基础概述
• 2.2 “类等效”模型
• 2.3 改进的遗传算法（IGA）
• 2.3.1 遗传算法
• 2.3.2 遗传算法的改进
• 2.4 本章小结
• 3 无刷直流电机系统模型结构的建立
• 3.1 无刷直流电机系统
• 3.1.1 电机本体
• 3.1.2 逆变器
• 3.1.3 位置传感器
• 3.1.4 控制器
• 3.2 无刷直流电机的运行特性
• 3.2.1 几种工作方式的比较
• 3.2.2 无刷直流电机在两相导通星形三相六状态下的运行特性
• 3.3 无刷直流电机数学模型
• 3.3.1 无刷直流电机的常用二阶传递函数
• 3.3.2 无刷直流电机脉动分析
• 3.3.3 无刷直流电机分时段模型
• 3.4 小结
• 4 无刷直流电机实时系统的建立及参数辨识
• 4.1 无刷直流电机控制器方案
• 4.1.1 常用的无刷直流电机控制器介绍
• 4.1.2 本文用的无刷直流电机控制器
• 4.2 实时系统硬件设计
• 4.2.1 电源部分
• 4.2.2 主控制器电路部分
• 4.2.3 逆变电路部分
• 4.2.4 功率驱动电路部分
• 4.2.5 电流检测电路部分
• 4.2.6 串口通信电路
• 4.2.7 电机接口电路部分
• 4.2.8 PCB 设计
• 4.3 实时系统软件设计
• 4.3.1 系统程序流程图
• 4.3.2 软件的可靠性设计
• 4.4 模型参数的辨识
• 4.4.1 实验设计
• 4.4.2 参数辨识
• 4.4.3 模型分析
• 4.5 本章小结
• 5 控制系统仿真模型建立
• 5.1 仿真实验
• 5.1.1 控制器设计
• 5.1.2 仿真平台
• 5.2 实际测试与对比
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 无刷直流电机实验板