一种能有效抑制无刷直流电动机转矩脉动新方案

摘要

近30年以来，永磁无刷直流电动机(BLDCM)因其结构紧凑、功率密度大、效率高、起动转矩大、调速性能好、控制方法灵活多变、维护成本低、运行寿命长等优点，日趋广泛应用于家用电器、工业自动化、办工自动化、电动汽车、航空航天、医疗器械等领域。尽管目前国内外BLDCM的一般控制技术已经比较成熟，但仍存在诸多值得研究与改进的地方，如电磁转矩脉动抑制、无位置传感器控制、高性能集成化控制器研发技术等，极大地限制了这种电机在高精度、高要求场合的应用。本文重点研究电磁转矩脉动抑制技术。
　　120°针对实际应用中很多无刷直流电动机反电动势波形接近于正弦波，即使采用理想方波驱动也将存在较大的转矩脉动，影响调速性能。本文详细分析了具有任意平顶宽度的梯形波反电势无刷直流电动机在理想方波与正弦波电流驱动下的转矩脉动情况，并在MATLAB中对比仿真了现有的各种控制策略，发现当反电势平顶宽度减小到某种程度时，采用正弦波电流驱动所产生的转矩脉动将明显小于方波电流驱动方案。
　　正弦波电流驱动常采用矢量控制，如PMSM-VC系统，需要连续的、高精度的转子位置信息，常采用光电编码器或旋转变压器，一方面加大了系统成本，另一方面增加的转子惯量会在一定程度上影响系统的动态性能。虽然可以采用无位置传感器控制方案，但正弦波电流驱动模式下的无位置算法(如“反电势法”、“高频注入法”等)存在太多问题难以解决。本文提出一种采用低分辨率霍尔位置传感器的矢量控制方案,重点采用基于平均转速的转子位置估计算法,且不使用电流传感器,而仅使用采样电阻对逆变器直流侧电流进行采样,根据SVPWM调制时逆变器直流侧电流与交流侧相电流之间的关系,在软件中重构出电机三相电流。这样既能有效减小转矩脉动,又能降低系统成本。
　　除了理论分析与仿真，本文充分结合基于典型系统的PI工程设计方法与数字控制中的特殊问题，以TMS320F2812为数字控制核心进行了硬件/软件设计,实验结果证明了理论分析的正确性与方案的可行性。

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1绪 论

1.1 课题研究意义

1.2 无刷直流电动机转矩脉动抑制技术国内外研究现状

1.3 论文内容与安排

2 无刷直流电动机控制策略仿真研究与转矩脉动分析

2.1 无刷直流电动机的结构组成与工作原理

2.2 无刷直流电动机的数学模型

2.3 无刷直流电动机控制系统的Matlab/Simulink建模

2.4 理想梯形波反电势BLDCM转矩脉动仿真研究

2.5 非理想梯形波反电势BLDCM转矩脉动仿真研究

3 准正弦波反电势无刷直流电动机转矩脉动抑制新方案

3.1 非理想反电势BLDCM在两种电流驱动下的转矩脉动比较

3.2 低成本BLDCM矢量控制系统结构与算法

3.3 建模仿真与结果分析

4 基于F2812的BLDCM转矩脉动抑制新方案实验设计

4.1 控制系统概述

4.2 主电路与控制电路设计

4.3 PWM系统电磁兼容性设计

4.4 基于数字控制系统的PI工程设计

4.5 主要程序设计

4.6 实验结果

5全文总结与展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的论文