高速永磁无刷直流电动机及其控制系统的研究

摘要

永磁无刷直流电机具有可控性好、功率密度大、动态响应快、运行效率高等一系列优点，因而在高速领域中得到了越来越广泛的应用。高速永磁无刷直流电机需要配备相应的控制系统才能运行，由于传统有位置传感器无刷直流电机在一些条件恶劣的场合呈现出诸多弊端，近些年来永磁无刷直流电动机无位置传感器控制越来越成为研究的热点。
　　本文研究的高速永磁无刷直流电动机主要应用在小型复合分子泵中，小型复合分子泵是一种分子真空泵，这种分子泵是在分子流区域内依靠高速运动的刚体叶片传递给气体分子动量，从而使气体分子产生定向流动以达到抽气获得真空的目的。在电机本体方面，由于高速电机位于分子泵内部，电机正常工作环境接近真空，这就给电机的散热带来了很大的困难，而课题要求电机工作时温升不超过20K，因此在电机本体设计时必须着重考虑电机的发热问题。鉴于此，设计电机本体时我们采取了很多措施，如电机定子采用了0.2mm厚的硅钢片，转子采用无铁心结构，永磁体采用低电导率的粘接钕铁硼配合不导电的碳纤维套筒进行保护。这些措施大大降低了转子的涡流损耗，减少了电机的发热。
　　在电机的控制方面，为提高电机效率，降低电机的转矩波动，改善电机的运行性能。在分析了不同PWM斩波方式下绕组中性点电压变化特点和不同PWM斩波方式下非导通相绕组续流情况的基础上，决定采用上下桥均斩波的驱动方式，位置检测方法则采用以直流电源中点为参考电压点的“端电压法”。为解决电机的换相误差问题，本文提出了基于非导通相绕组非导通期间中点时刻电压的闭环相位校正方法。该方法可以对电机的换相误差进行实时监测和校正，使电机时刻处于最佳换相状态运行。采用该方法后，电机绕组的换相误差大大降低，转矩波动明显减小，同时提高了电机的效率和运行的稳定性。最后通过实验证明，该方法是正确有效的。
　　无位置传感器高速永磁无刷直流电机的另一个问题是起动问题，由于分子泵是一种大惯量负载，电机起动时间较长，其起动环节可以分成开环起动和闭环升速两部分，针对开环起动部分，在传统硬件升频升压起动法的基础上，我们采用了改进的软件升频升压起动法，该方法可以在不增加任何硬件电路基础上实现电机的可靠起动，且起动步长和起动电压参数可以通过上位机实时调整，大大提高了控制系统的鲁棒性;针对闭环升速部分，在电机的闭环升速阶段加入了基于转速和绕组电流的双闭环PI调节并对绕组电流加以限幅，这样既能保证电机转速平滑上升又能避免因绕组电流冲击而导致换相失败，提高了电机起动成功率。
　　最后，基于上述研究，本文以dsPIC30F3011为主控芯片，设计开发了基于“端电压法”的高速永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统，并通过RS485串口通讯实现上位机对电机实时控制和状态监测，试验证明，本系统可以安全可靠运行，满足小型分子泵的控制要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 高速电机研究背景与意义

1．2 永磁无刷直流电机技术特点

1．3 永磁无刷直流电机无位置传感器控制

1．3．1 反电动势检测法

1．3．2 反电动势三次谐波检测法

1．3．3 定子电感法

1．3．4 扩展卡尔曼滤波法

1．3．5 构建状态观测器法

1．4 分子泵用高速永磁无刷直流电动机位置检测方法选择

1．5 课题的来源及主要工作

第2章 分子泵用高速永磁无刷直流电动机本体设计

2．1 高速电机设计要求

2．2 高速电机定子设计

2．2．1 电机定子材料选择

2．2．3 定子绕组导线选择

2．3 高速电机转子设计

2．3．2 永磁材料的选取

2．3．3 永磁体的保护

2．3．4 转子无铁心结构

2．4 本章小结

第3章 高速永磁无刷直流电动机无位置传感器基本控制策略

3．1 永磁无刷直流电动机基本运行原理

3．2 基于重构电压参考点的端电压法

3．2．1 重构虚拟中性点与电机实际中性点电压之间的关系

3．2．2 直流电源中点与电机实际中性点电压的关系

3．3 不同PWM调制方式下非导通相非换相期间续流分析

3．3．1 仿真及实验验证

3．4 无刷直流电机无位置传感器控制启动问题

3．4．1 软件升压升频启动法

3．4．2 闭环升速阶段控制策略分析

3．5 本章小结

第4章 基于非导通相中间时刻电压的闭环相位校正方法

4．1 改进的逻辑换相方法

4．2 转子位置检测误差的影响因素

4．3 基于非导通相非导通期间中间时刻电压的闭环相位校正方法

4．3．1 闭环相位校正方法的依据

4．4 换相误差的具体计算

4．5 实验验证

4．6 本章小结

第5章 高速永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统软硬件设计

5．1 硬件电路设计

5．1．1 主控鬯路

5．1．2 逆变电路和功率驱动电路

5．1．3 电流检测电路

5．1．4 过流保护电路

5．1．5 RS485串行通讯电路模块

5．2 电机控制软件设计

5．2．1 软件设计的总体要求

5．2．2 控制软件的设计

5．3 实验

5．4 本章小结

6．1 总结

6．2 未来展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文