直流无刷电机控制系统输出效率优化方法研究

摘要

随着电力电子技术、永磁材料以及控制理论等技术的不断发展与完善，直流无刷电机在民用领域得到了越来越广泛的应用。但在能源日渐匮乏以及能源问题已成为世界性问题的今天，直流无刷电机的能耗是一个不得不考虑的问题。直流无刷电机有着直流电机较好的机械特性，而且运行效率高，但在轻载时的效率则大大降低，造成了能源的浪费。
　　对直流无刷电机进行节能控制提高其在轻载时的运行效率，对于能源稀缺的今天将有一定的意义。本文从直流无刷电机控制系统建模出发，以电机效率优化为目的，做出了如下研究：
　　首先，在直流无刷电机相关理论知识的基础上，对电机的运行原理以及数学模型进行了介绍。并建立了直流无刷电机转速、电流双闭环PID控制系统和直流无刷电机直接转矩控制系统仿真模型，通过对仿真波形的分析验证这两种控制系统建模的正确性，并在相同仿真环境下对直流无刷电机这两种控制系统的仿真波形进行对比，得出直流无刷电机直接转矩控制系统比直流无刷电机双闭环系统在换相时刻的转矩脉动明显减少，从而使电机运行时的效率得到提高，并且为以后加入电机效率优化的控制策略提供了良好的平台。
　　其次，在直流无刷电机运动系统中，主要考虑其中两个主要的可控损耗，即铜损、铁损，推导出电机运行过程中的铜损、铁损与磁链的关系，并搭建直流无刷电机的损耗模型，采用一种基于损耗模型的直流无刷电机驱动系统效率优化的控制方法，建立效率优化的控制模块，完成最小损耗的仿真模型。根据直流无刷电机运行的不同状况所计算出的磁链进行反馈来改善电机运行的状态的方法，与传统的直接转矩控制控制系统相比，不仅使铜损、铁损在一定程度上都有所减小，电机运行的效率得到提高，而且还改善了系统的动态性能。
　　最后，搭建直流无刷电机的实验平台并对实验波形进行分析。完成以STM32F103为核心的控制电路，驱动电路以及外围辅助电路的硬件系统的设计。在uVision4集成开发环境下，以C语言为基础进行软件编程的实现。在所搭建的实验平台上完成了直流无刷电机一些相关的实验。实验结果验证了直流无刷电机硬件系统的正确性以及有效性。

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第1章 绪论

1.1 课题主要背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 效率优化的新思想

1.4 本文主要的研究内容

第2章 直流无刷电机原理及其仿真研究

2.1 直流无刷电机的数学模型

2.2 直流无刷电机的工作原理

2.3 直流无刷电机的机械特性和传递函数

2.4 直流无刷电机系统仿真模型

2.5 仿真结果及分析

2.6 本章小结

第3章 直流无刷电机直接转矩控制技术的研究与仿真

3.1 直流无刷电机的转矩脉动分析

3.2 直接转矩控制的基本原理

3.3 直流无刷电机直接转矩控制系统的建模

3.4直流无刷电机直接转矩控制系统仿真及结果分析

3.5 本章小结

第4章 基于损耗模型直流无刷电机直接转矩控制系统的效率优化

4.1 直流无刷电机功率流程

4.2 直流无刷电机损耗分析

4.3 直流无刷电机损耗模型的建立

4.4直流无刷电机直接转矩控制系统效率优化计算

4.5基于损耗模型直流无刷电机直接转矩控制控制系统效率优化仿真

4.6 本章小结

第5章 直流无刷电机控制系统的硬件及软件设计

5.1 直流无刷电机控制系统硬件电路设计

5.2 直流无刷电机控制系统软件设计

5.3 本章小结

第6章 系统调试及结果分析

6.1 控制系统硬件模块调试

6.2 实验平台与实验波形分析

6.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢