基于无刷电机的空气净化器风机控制系统设计

摘要

近年来，室内空气污染已成为全球关注的问题，空气净化器作为能有效改善室内空气质量的设备，正逐渐走进各种公共场所以及人们的家庭。而风机系统是空气净化器的关键组成部分，其性能好坏直接影响净化效果以及用户体验。无刷电机由于噪音低、体积小、调速范围宽等优点，很适合用作空气净化器风机系统的主电机。因此，研究以无刷电机为主电机的空气净化器风机系统具有重要意义。
　　本文采用无刷电机作为空气净化器风机系统主电机，完成了风机控制系统方案的设计，方案具有一定的实用性和参考价值。论文主要内容如下:
　　(1)介绍无刷电机的结构、工作原理，对其经典数学模型和电气变量表达式进行推导。
　　(2)对比研究了空气净化器所用无刷电机的几种控制策略，包括双闭环PI控制策略、参数自整定PI控制策略和直接转矩控制策略。通过对三种控制策略的理论分析和对比仿真，结合不同控制策略对空气净化器的影响，最终选取易于实现、结构简单的双闭环PI控制策略，用于系统的调速控制。
　　(3)根据选用的控制策略和系统功能需求，详细设计了空气净化器风机系统的硬件电路，硬件部分以TMS320F28335为核心，搭配驱动电路、信号检测电路和人机交互模块。在做硬件设计时，为降低成本、提高可靠性以及方案的可行性，对主要的元器件进行了合理选型;将母线电流检测同时应用于电流调节和过流保护，以简化设计，节约硬件资源;采用比较器进行过压检测，DSP检测比较器输出电平判断是否过压，节约软硬件资源。
　　(4)设计了系统主程序及主要子程序的软件流程图，并给出了部分基于C++语言的程序源码。其中，电机的换相、电流检测、双闭环调速等功能均通过中断实现;双闭环控制算法的外环采用改进的抗积分饱和非线性数字PI控制器，内环采用非线性数字PI控制器;液晶屏幕显示程序采用控件操作指令进行设计，编程简单、节省资源。利用搭建的实验平台，模拟空气净化器的3级调速工作模式，对所设计的程序进行了调试，实验结果表明软件设计方案正确、可行。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 空气；争化器发展现状

1．3 空气净化器的主要功能及技术特点

1．4 论文研究目的与意义

1．5 论文主要内容

2 空气净化器所用无刷电机的结构与数学模型

2．1 无刷电机的结构

2．1．1 电机本体结构

2．1．2 电子换向器

2．1．3 位置检测装置

2．2 无刷电机工作原理

2．3 无刷电机经典模型

2．4 无刷电机的其他模型

3 空气净化器所用无刷电机控制策略

3．1．1 速度环控制方法

3．1．2 速度环PI控制器参数整定方法

3．1．3 电流环控制方法

3．2 速度-转矩控制

3．2．1 无刷直流电机的转矩脉动

3．2．2 直接转矩控制

3．3 控制系统仿真模型的建立

3．3．1 参数自整定PI控制系统仿真

3．3．2 直接转矩仿真模型

3．4 仿真结果分析

3．4．1 速度响应仿真结果分析

3．4．2 转矩响应仿真结果分析

3．5 控制策略的选择

4 硬件系统设计

4．1 系统总体设计

4．1．1 系统功能需求分析

4．1．2 电机主要特性参数

4．1．3 控制芯片选择

4．1．4 系统总体框架设计

4．2 DSP基本系统设计

4．2．1 供电电源电路设计

4．2．2 时钟电路设计

4．2．3 复位电路设计

4．2．4 JTAG接口电路设计

4．3 驱动电路设计

4．3．1 功率电路设计

4．3．2 IR2110S驱动电路

4．3．3 隔离电路和缓冲电路设计

4．4 信号检测电路设计

4．4．1 位置信号检测

4．4．2 电流检测

4．5 人机界面设计

4．6 过压保护设计

4．7 电源部分设计

4．7．1 整流电路设计

4．7．2 其他电源电路设计

5 软件部分设计

5．1 软件开发平台介绍

5．2 软件设计总体流程

5．3 启动与停止程序

5．4 换相中断程序

5．5 ADC采样中断程序

5．5．1 ADC中断程序

5．5．2 速度调节子程序

5．5．3 电流调节子程序

5．6 按键调速与显示程序

5．6．1 按键调速

5．6．2 液晶屏幕显示

5．7 调试结果

6 总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的科研成果及公开发表的论文