基于十二拍控制模式的无刷直流电机速度控制策略研究

摘要

由于充磁和设计等原因工业中常用无刷直流电机的反电势非理想梯形波,而是接近于正弦波,采用六拍控制模式时电机的转矩脉动比较大,因而,研究如何抑制电流谐波成分及降低转矩脉动具有重要意义。此外,无刷直流电机在高速运行时会出现电流滞后于反电势的问题,采用传统的PID控制器无法保证电机在较宽的转速运行范围内均具有良好的性能,故研究无刷直流电机的超前角控制及自适应PID控制对保证电机在较宽的转速运行范围内的良好的控制性能具有重要的意义。
　　本文首先在介绍十二拍控制模式的工作原理的基础上,采用傅里叶级数分解的方法对比分析了六拍控制模式与十二拍控制模式下的相电压与相电流的谐波成分,并以反电势为近似正弦波的无刷直流电机为例,采用S函数搭建了系统的仿真模型,对两种控制模式下电流谐波和转矩脉动进行了仿真分析,仿真结果表明与六拍控制模式相比,十二拍控制模式能够有效抑制电流谐波,降低转矩脉动。
　　其次,针对电机在高速运行时相电流基波滞后于相反电势基波的问题,研究了超前角的控制策略。在分析超前角控制工作原理的基础上,阐述了最优超前角的计算方法,并改进了系统仿真模型,仿真结果验证了超前角控制策略的可行性。为提升系统控制精度和采用旋转变压器作为转子位置传感器的系统的可靠性,对基于小波变换的噪声抑制和故障诊断算法进行了研究,仿真结果表明,选用db3小波能够有效抑制噪声和提取故障信息。
　　第三,对六拍控制模式和十二拍控制模式下系统的损耗进行了对比分析。功率管开关控制信号均采用PWM_ON的调制方式生成,从理论上对比分析了两种控制模式下的通态损耗和开关损耗,电机本体损耗分析采用有限元仿真的方法,分析结果显示,两种控制模式下控制系统的损耗基本相等,然而,与六拍控制模式相比,十二拍控制模式能够有效降低电机本体损耗,从而提升了系统的效率。此外,采用最优超前角控制策略时能够进一步提升系统的效率。
　　第四,为了保证电机在较宽的转速范围内都能具有良好的动态性能和静态性能,尤其对于转速和负载突变的运行工况,研究了模糊自适应PID控制策略。通过选取合适的模糊化与去模糊方法、隶属函数、模糊推理方法和模糊控制规则,完成了模糊自适应PID参数调整模块的设计。仿真结果表明,模糊自适应PID控制策略能够保证电机在较宽的转速范围内具有良好的性能。
　　最后,设计并实现了基于DSP的全数字无刷直流电机控制系统。硬件系统主要由DSP及外围电路、CPLD故障检测及保护电路、信号调理电路及IPM驱动电路组成。软件设计了十二拍控制模式的算法与超前角控制算法,对相关的控制策略进行了实验研究,实验结果验证了理论分析的正确性。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景与意义

1.2 国内外研究现状分析

1.3 主要研究内容

第2章 十二拍控制策略工作原理与分析

2.1 引言

2.2 无刷直流电机等效电路模型

2.3 无刷直流电机十二拍控制模式工作原理

2.4 十二拍控制模式和六拍控制模式对比分析

2.5 本章小结

第3章 超前角控制与系统损耗分析

3.1 引言

3.2 超前角控制工作原理

3.3最优超前角计算方法与系统仿真

3.4 十二拍控制模式与六拍控制模式系统损耗对比分析

3.5 基于小波变换的旋转变压器信号处理

3.6 本章小结

第4章 模糊自适应控制器的设计与仿真

4.1 引言

4.2 模糊自适应控制原理

4.3模糊自适应PID控制器设计

4.4 基于十二拍控制模式的自适应控制系统仿真与分析

4.5 本章小结

第5章 控制系统设计与实验

5.1 引言

5.2 系统硬件设计

5.3系统软件设计

5.4 实验结果与分析

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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