永磁无刷直流电机驱动与回馈制动控制系统研究

摘要

永磁无刷直流电机具有高效、功率密度高、机械特性好、启动转矩大、过载能力强、控制简单等优点，满足电动汽车主动力驱动电动机的要求，在电动汽车领域得到广泛应用。基于电动车用永磁无刷直流电机的回馈制动技术可以在不改变控制器硬件结构的基础上，通过软件设计来实现能量回馈，进而增加电动车的续航里程。因此，研究被日益广泛的应用于电动汽车驱动系统中的永磁无刷直流电机的高效驱动和回馈制动技术研究具有现实的经济和社会效益。 本文首先阐述了永磁无刷直流电机的驱动与回馈制动控制技术的国内外研究现状和研究意义，然后分析了六相永磁无刷直流电机驱动原理及其数学模型、换相转矩脉动产生原因及其抑制策略以及永磁无刷直流电机双闭环控制策略，最终提出了基于PWM-ON-PWM调制方式的非换相相电流滞环控制的永磁无刷直流电机驱动控制策略。 然后，介绍了永磁无刷直流电机回馈制动原理及其数学模型，分析了半桥调制和全桥调制方式下回馈制动过程的两种不同电路状态以及分析了回馈制动影响因素及不同回馈制动控制策略优缺点，并从永磁无刷直流电机回馈制动效率及制动转矩的可控性和稳定性出发，提出电流环PI恒转矩回馈制动控制策略，进而达到柔性控制回馈制动电流和转矩的目的。最后，在所建立的电机数学模型的基础上，建立了永磁无刷直流电机控制系统的MATLAB仿真模型。通过所搭建的MATLAB仿真模型仿真分析验证了基于PWM-ON-PWM调制方式及非换相相电流滞环控制永磁无刷直流电机驱动控制策略以及恒转矩回馈制动控制策略的的正确性和可行性。 为了验证所提出的永磁无刷直流电机的高效驱动和回馈制动控制方法的可行性，本课题以TMS320F28335DSP为控制核心，设计并制作了六相永磁直流无刷电机控制器的软硬件系统。在此基础上，对转速电流双闭环驱动控制系统以及恒转矩回馈制动控制系统进行了实验研究。实验结果验证了设计的六相永磁直流无刷电机驱动和回馈制动控制系统方案的正确性和可行性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究的背景及意义

1．2永磁直流无刷电机驱动控制研究现状

1．3永磁直流无刷电机回馈制动研究现状

1．4本文研究主要内容

第2章永磁无刷直流电机工作原理及数学模型

2．1永磁无刷直流电机基本结构

2．1．1电机本体结构

2．1．2 BLDC换相电路

2．1．3转子位置传感器

2．2永磁无刷直流电机的驱动原理

2．2．1六步梯形换相控制方式

2．2．2永磁无刷直流电机的换相工作原理

2．3永磁无刷直流电机的数学模型

2．3．1电压方程

2．3．2反电动势方程

2．3．3电磁转矩方程

2．3．4机械运动方程

2．4永磁无刷直流电机的机械特性

2．5本章小结

第3章永磁无刷直流电机驱动控制研究

3．1永磁直流无刷电机调压调速控制方法

3．1．1晶闸管移相调压

3．1．2 DC／DC变换器调压

3．1．3脉宽调制(PWM)技术换相调压

3．2永磁无刷直流电机换相转矩脉动

3．2．1换相转矩脉动产生原因

3．2．2换相转矩脉动抑制策略

3．3驱动PWM调制方式分析

3．3．1 PWM调制方式对换相期间电磁转矩的影响

3．3．2 PWM调制方式对非换相期间电磁转矩的影响

3．4．1 PID调速原理

3．4．2双闭环控制器设计

3．5本章小结

第4章永磁无刷直流电机回馈制动研究

4．1永磁无刷直流电机制动方式

4．2永磁无刷直流电机回馈制动原理

4．3不同调制方式回馈制动过程分析

4．3．1半桥调制下回馈制动过程分析

4．3．2全桥调制下回馈制动过程分析

4．4回馈制动控制策略分析

4．4．1回馈制动调制方式分析

4．4．2影响回馈制动的主要因素

4．4．3回馈制动的控制模式

4．5本章小结

第5章永磁无刷直流电机控制系统仿真研究

5．1六相永磁直流无刷电机模型

5．2永磁无刷直流电机控制器模型

5．2．1永磁无刷直流电机驱动控制器模型

5．2．2永磁无刷直流电机回馈制动控制器模型

5．3仿真结果分析

5．3．1电动运行仿真结果分析

5．3．2回馈制动仿真结果分析

5．4本章小结

第6章基于DSP的永磁无刷直流电机控制系统设计

6．1硬件电路设计

6．2系统软件设计

6．2．1 DSP控制程序设计

6．2．2 BLDC监控系统设计

6．3实验测试与结果分析

6．3．1试验台整体设计

6．3．2试验调试结果分析

6．4本章小结

第7章总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文