永磁无刷直流电机换相转矩脉动抑制的控制策略研究

摘要

随着稀土永磁材料和电力电子技术的发展，永磁无刷直流电机高功率密度、高转矩/电流比、宽调速范围的优势越来越突出，因而得到越来越广泛的应用。但无刷直流电机转矩脉动限制了其在宽范围调速、高精度的位置和速度控制场合的应用。由于电机定子电枢电感的存在，换相过程中将产生换相转矩脉动，而换相转矩脉动是永磁无刷直流电机转矩脉动产生的主要原因。分析以及抑制无刷直流电机换相过程中的转矩脉动成为国内外研究的重点，本文针对无刷直流电机运行与控制中存在的问题，研究新的控制策略，以抑制永磁无刷直流电机换相转矩脉动。
　　 本文首先分析了无刷直流电机的工作原理，建立了无刷直流电机的数学模型，为新的控制策略提供了理论依据；详细分析了永磁无刷直流电机换相转矩脉动产生的原因，得出了转矩脉动的解析表达式。转矩脉动解析表达式表明抑制换相转矩脉动的关键是保持非换相的电流不变。针对无刷直流电机的驱动方式，分析了无刷直流电机中常用的几种PWM调制方法对电磁转矩脉动的影响。通过对重叠换相法的研究，详细阐述了重叠换相法抑制换相转矩脉动的原理及适用范围。基于对国内外换相转矩脉动抑制技术的分析，提出了一种新的控制策略。通过采用PWM调制方式控制三相定子电压，延迟关断，使关断相的电流平滑变化。同时，通过控制非换相相和导通相的电压，保持非换相相电流不变，从而有效抑制了电流换相过程引起的转矩脉动。以改进的控制策略为基础提出了基于数字信号处理器(DSP)的无刷直流电机驱动系统设计方案；完成了驱动系统控制器的硬件设计、软件设计和系统调试。通过120°导通型方波驱动和改进驱动两种不同的控制方式下的比较实验，验证了新方法对抑制换相转矩脉动和改善无刷直流电机的低速运行性能的有效性。
　　 本文所做的研究工作，为提高无刷直流电动机的运行性能奠定了理论基础，扩展了无刷直流电机的应用范围。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1永磁无刷直流电机的特点和应用

1.1.1无刷直流电机的特点

1.1.2永磁无刷直流电动机的应用

1.2无刷直流电机的发展

1.2.1永磁无刷直流电动机的发展概况

1.2.2永磁无刷直流电机发展趋势

1.3无刷直流电机的转矩脉动

1.3.1永磁无刷直流电机的转矩脉动产生原因与分类

1.3.2国内外换相转矩脉动抑制的研究现状

1.4本文的主要内容

2无刷直流电机的工作原理

2.1无刷直流电机及其工作原理

2.1.1无刷直流电机

2.1.2无刷直流电机工作原理

2.2永磁无刷直流电机驱动控制系统构成

2.3无刷直流电机的数学模型

2.3.1电压方程

2.3.2转矩方程

2.3.3运行特性

2.4本章小结

3无刷直流电机换相转矩脉动及其抑制

3.1产生永磁无刷直流电机换相转矩脉动的原因分析

3.1.1产生换相转矩脉动的原因分析

3.1.2调制方式对换相转矩脉动的影响

3.2无刷直流电机换相转矩脉动的抑制技术

3.3抑制换相转矩脉动的改进控制策略

3.4本章小结

4无刷直流电机驱动控制系统的设计

4.1系统的硬件系统设计

4.1.1 PWM变换器主回路及隔离保护电路设计

4.1.2 PWM变换器主控制器设计

4.2系统的软件设计

4.3本章小结

5系统实验与分析

5.1实验结果及分析

5.2本章小结

6结论

致谢

参考文献

附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文