无刷直流电机正弦波控制系统研究及实现

发布时间：2017-04-05 12:05

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【摘要】：作为机电一体化进程中的典型代表,无刷直流电机以体积小、重量轻、效率高、惯量小、调速范围宽的优点而受到广泛关注。除此之外它所对应的机械特性也与直流电机类似,因此,上至航空,下至探海的各大领域都能发现它的踪迹。而传统120°方波运行方式在电机使用中存在转矩脉动大,运行噪音大,能源利用率低等缺点。所以,研究性能更加优良的控制系统势在必行。本文研究了基于空间电压矢量脉宽调制技术(SVPWM)的无刷直流电机正弦波控制系统。首先,介绍了无刷直流电机基本机构;以此为基础,深入研究分析了电机旋转磁场的产生机理、电机运行原理;从气隙磁场分布规律出发,并结合电机在三相坐标系中的数学模型,推算得到了电机在d-q坐标系下的数学模型,论证了无刷直流电机解耦运行控制的可行性。其次,比较了正弦波脉宽调制技术与空间电压矢量脉宽调制技术;着重论述了空间电压矢量脉宽调制原理与算法,并以此为基础,设计了基于0di?运行方式的正弦波控制系统仿真模型,仿真结果证明了正弦波控制无刷直流电机的可行性。再次,本文针对在设计正弦波控制系统的过程中所遇到的几个关键性问题(如电流重构技术、转子转速及空间位置估算、电机启动方式)进行了全面的阐述;针对低调制区电流重构容易失败的问题,提出了PWM移相技术。最后,设计了系统实验平台。其中硬件主要由主控芯片STM32F030、电源模块、MOS驱动模块、电流采样模块、过流保护模块、刹车模块组成;软件程序利用汇编语言编写,设计实现了主体结构程序、初始化程序、三角函数运算程序、SVPWM运算程序、相电流重构程序、PI调节程序。最后软硬件调试成功,通过对实验数据的记录和分析,证明了本文设计方案的可行性、实用性和先进性。
【关键词】：正弦波 无刷直流电机 SVPWM 电流重构 转子位置角估算 电源电路 三角函数
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM33
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-14
• 1.1 课题研究背景和意义9-10
• 1.2 无刷直流电机发展趋势与研究热点10-13
• 1.3 本文主要撰写内容和章节安排13-14
• 第二章 无刷直流电机结构、工作原理及数学模型14-25
• 2.1 无刷直流电机基本结构14-15
• 2.2 无刷直流电机基本工作原理15-18
• 2.3 无刷直流电机在d-q坐标系下的数学模型18-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第三章 无刷直流电机正弦波控制原理及仿真分析25-46
• 3.1 无刷直流电机正弦波控制方案比较25-28
• 3.1.1 正弦波脉宽调制（SPWM）25-27
• 3.1.2 空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）27-28
• 3.2 SVPWM原理及算法分析28-34
• 3.3 无刷直流电机正弦波控制系统仿真34-42
• 3.3.1 仿真工具34
• 3.3.2 仿真原理框图分析34-37
• 3.3.3 仿真模块的建立37-42
• 3.4 仿真结果与分析42-45
• 3.5 本章小结45-46
• 第四章 无刷直流电机正弦波控制系统方案46-56
• 4.1 相电流重构技术46-51
• 4.1.1 电流重构原理46-48
• 4.1.2 非观测区电流重构误差分析及解决48-50
• 4.1.3 低调制可移相区SVPWM实现50-51
• 4.2 转子转速及其位置估测51-53
• 4.3 正弦波控制启动方式53-54
• 4.4 本章小结54-56
• 第五章 无刷直流电机正弦波控制系统软硬件设计56-76
• 5.1 系统硬件设计56-67
• 5.1.1 主控芯片简介57-59
• 5.1.2 电源电路设计分析59-62
• 5.1.3 驱动电路设计分析62-65
• 5.1.4 电流采样电路设计分析65
• 5.1.5 过流保护电路设计分析65-67
• 5.1.6 刹车电路设计分析67
• 5.2 系统软件设计67-75
• 5.2.1 ARM开发环境68-69
• 5.2.2 主程序架构69-70
• 5.2.3 程序初始化70-72
• 5.2.4 三角函数运算程序设计72-73
• 5.2.5 电压空间矢量脉宽调制程序设计73-74
• 5.2.6 相电流重构程序设计74-75
• 5.2.7 PI调节程序设计75
• 5.3 本章小结75-76
• 第六章 系统测试结果与分析76-81
• 6.1 电压空间矢量脉宽调制波形分析76-78
• 6.2 电流波形分析78-79
• 6.3 带载测试数据分析79-80
• 6.4 本章小结80-81
• 总结与展望81-83
• 参考文献83-87
• 致谢87-88
• 作者攻读硕士学位期间发表的学术论文88

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本文编号：287060