两相导通无刷直流电机直接转矩控制系统零矢量研究

摘要

无刷直流电机(BLDCM)由于具有结构简单、效率高和功率密度高等诸多优点，已经得到了广泛的应用。无刷直流电机传统控制方法采用PWM调制技术，通过对电流的控制间接控制电磁转矩。直接转矩控制(DTC)技术以转矩为控制目标，根据电机转矩控制要求选择合适的电压矢量直接作用到电机上，可以获得良好的动、静态性能。目前，DTC技术已广泛应用于异步电机、正弦波永磁同步电机控制系统中。但在无刷直流电机中，由于其反电势非正弦，以及采用两相120°导通方式，因此将DTC技术应用到两相导通无刷直流电机系统中有其特殊性，尚有较多的问题需要解决。本文以无刷直流电机为研究对象，重点针对两相导通方式下DTC技术中所采用的电压矢量进行研究。
　　本文首先介绍了无刷直流电机的控制结构及工作原理，在此基础上，建立了无刷直流电机的数学分析模型。通过对两相导通无刷直流电机DTC系统中电压矢量的特点分析，推导得到了适用于该控制系统分析的导通相相电压合成电压矢量，并以该电压矢量作为两相导通方式下DTC理论分析的基础。
　　通过导通相相电压合成电压矢量及全关电压矢量对电机作用效果的理论分析，得到了全关电压矢量并不是两相导通无刷直流电机DTC系统的零矢量，而是前一时刻导通相相电压合成电压矢量的反电压矢量的结论。并经过进一步的仿真和实验分析可知:电机电流连续条件下，全关电压矢量和对应的反电压矢量分别作用时电机端电压、电流的变化规律相同，转矩变化规律基本一致。
　　针对两相导通方式的特点，研究了适用于两相导通无刷直流电机DTC系统的零矢量，并通过理论分析得到了两种新的零矢量。仿真和实验结果表明，新的零矢量作用下使得原导通两相绕组短路，验证了新零矢量定义的正确性，同时采用新的零矢量能够显著降低转矩脉动，提高DTC系统稳态性能。
　　本文设计了以TI公司DSP TMS320F28335为核心控制系统的电机硬件控制平台，同时给出该平台的详细电路设计图，并在该实验平台完成了理论和仿真分析的实验验证。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 本课题研究的背景与意义

1．2 无刷直流电机的特点及其应用

1．3 无刷直流电机控制技术研究现状

1．3．1 无刷直流电机传统控制技术

1．3．2 无刷直流电机直接转矩控制技术

1．3．3 无刷直流电机无位置传感器技术

1．3．4 无刷直流电机先进控制理论技术

1．4 本课题的研究内容

第2章 无刷直流电机控制原理及其数学模型

2．1 引言

2．2 无刷直流电机控制结构

2．3 无刷直流电机的工作原理

2．4 无刷直流电机的数学模型

2．5 本章小结

第3章 两相导通无刷直流电机DTC零矢量理论分析

3．1 引言

3．2 两相导通无刷直流电机DTC的电压矢量

3．2．1 两相导通下的空间电压矢量特点分析

3．2．2 两相导通下的电压矢量的定义与作用

3．2．3 两相导通无刷直流电机纯转矩闭环DTC系统

3．3 两相导通无刷直流电机DTC零矢量分析

3．3．1 全关电压矢量作用分析

3．3．2 新定义的零矢量作用分析

3．4 本章小结

第4章 两相导通无刷直流电机DTC零矢量仿真分析

4．1 引言

4．2 两相导通无刷直流电机纯转矩闭环DTC仿真建模

4．2．1 无刷直流电机建模

4．2．2 转速调节器模块

4．2．3 DTC控制器建模

4．3 两相导通无刷直流电机DTC全关电压矢量仿真分析

4．3．1 非扇区切换期间全关电压矢量作用分析

4．3．2 扇区切换阶段全关电压矢量作用分析

4．4 两相导通无刷直流电机DTC新定义的零矢量仿真分析

4．5 本章小结

第5章 两相导通无刷直流电机DTC零矢量实验分析

5．1 引言

5．2 DTC系统的软件设计

5．2．1 系统的主程序设计

5．2．2 中断服务程序设计

5．2．3 ADC采样程序设计

5．3 两相导通无刷直流电机DTC全关电压矢量实验分析

5．3．1 非扇区切换阶段全关电压矢量作用分析

5．3．2 扇区切换阶段全关电压矢量作用分析

5．4 两相导通无刷直流电机DTC新定义的零矢量实验分析

5．5 本章小结

第6章 无刷直流电机DTC硬件平台设计

6．1 引言

6．2 硬件平台的结构组成

6．3 硬件控制平台的电路设计

6．3．1 DSP最小控制系统电路设计

6．3．2 功率逆变电路设计

6．3．3 ADC采样调理电路的设计

6．3．4 DA模块电路设计

6．3．5 位置编码电路的设计

6．3．6 保护电路设计

6．4 本章小结

第7章 全文总结与展望

7．1 本文的主要工作及创新点

7．2 进一步工作的展望

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢