基于STM32无刷直流电机DTC算法研究及控制系统设计
发布时间：2021-01-01 19:07
无刷直流电机（Brushless DC motor,简称BLDCM）是继传统电机之后的一种性能极其卓越的新型电机,已经广泛应用于伺服系统、航空、军事等领域,市场潜力巨大,未来必将发展迅速。但以电流换向、齿槽效应等原因引起的无刷直流电机转矩脉动问题限制了该电机在高精度伺服系统等领域的应用。抑制转矩脉动,提升控制系统综合性能是保证无刷直流电机具备较高动、静态性能和扩大应用场合的关键所在。本文以BLDCM为控制对象,在对其工作原理和数学模型的分析基础上,分析了直接转矩控制（Direct Torque Control,DTC）策略及其优缺点。为了改善传统DTC具有转矩脉动较高,系统稳定性偏差和低速运行时电机难以精准控制等问题,提出了一种基于滑模控制的DTC方法,该方法采用基于超扭曲算法（super-twisting）的滑模控制器代替原有的转矩、磁链滞环控制器,优化了磁链、转矩脉动,利用空间矢量调制技术代替原有的开关表,不仅实现了对控制系统开关频率的优化,还提高了直流母线电压利用率,并使控制系统更易于硬件电路实现。基于李雅普诺夫原理分析了滑模控制器的稳定性,稳定性和鲁棒性分析表明系统稳定性良好并...
【文章来源】：河北科技大学河北省
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
一般控制方式
河北科技大学硕士学位论文21.2无刷直流电机基本控制策略纵观BLDCM控制策略的发展历史，总结下来无刷直流电机的控制策略主要分为三种控制方式：第一种是一般控制方式；第二种是调压控制方式；第三种是电流滞环PWM控制方式。下面对这三种控制方式分别进行介绍。(1)一般控制方式如图1-1所示一般控制方式的无刷直流电机控制系统中只有位置反馈，位置反馈的设计可以达到转速的同步。但是电机不能任意调速，母线电压一定时，电机可以在一定转速下一直工作，并且该控制方式转矩脉动较大。图1-1一般控制方式(2)调压控制方式如图1-2所示为调压控制方式，控制系统可以得到由位置传感器提供的转子位置，根据参考转速和实际转速的PI调节来控制母线电压幅值，从而实现调压调速。图1-2调压控制方式(3)电流滞环PWM控制如图1-3所示是常见的BLDCM电流滞环PWM的控制框图。电流滞环指的是给定电流和反馈得到的实际电流进行滞环比较，这种控制方法可以提高相电流的稳定性，从而减小电流脉动，进而可以改善电机的动态特性[4]。但该方法并没有从根本上解决换相引起的转矩脉动。并且在该控制方式下仍有如下不足：
第1章绪论31)开关频率会随着电流滞环宽度的减小而上升，导致开关管等器件损耗加大；2)当电机处于轻载或电机内置电感略小时，电机的电流将会很难控制在滞环宽度内。图1-3电流滞环PWM控制方式1.3直接转矩控制技术1.3.1直接转矩控制技术的发展和研究现状无刷直流电机的控制策略又可以分为经典控制策略、现代控制策略和智能控制策略，其中较典型的控制策略有PID、模糊PID、磁场定向控制、自适应控制、蚁群算法、神经网络等控制策略。目前较新颖以及结构多变的为直接转矩控制技术。在二十世纪八十年代中期德国和日本的研究学者相继提出了直接转矩控制理论，并将其推广到弱磁调速领域。直接转矩控制技术相对于矢量控制技术的优势在于，直接转矩控制技术具有计算简单、电机特性受外部环境、电机参数改变的影响较小等优点[5]。1997年澳大利亚新南威尔士大学和南京航空航天大学共同将直接转矩控制技术应用于永磁同步电机上，实现了对永磁同步电机的直接转矩控制[6]。随后南京航空航天大学解决了永磁同步电机的Bang-Bang直接转矩控制中零矢量这一难题，更进一步的完善了该理论[7]。2002年南京航空航天大学建立了相对完善的异步电机发电系统的直接转矩控制理论，又称瞬时转矩控制[8]，2004年南京航空航天大学进行了基于基波圆的无刷直流电机直接转矩控制理论的研究[9]。2008年国外开始深入研究如何在无刷直流电机上应用直接转矩控制技术[10]。近几年随着直接转矩控制技术的应用越发成熟，国内外逐渐出现了针对直接转矩控制系统的优化设计，文献[11]提出了一种正负参考转矩下的新半桥调制模式开关表查询方案的直接转矩控制技术，优化了开关表查询方式；文献[12]为了控制结构简单推出了无磁链的直接转矩控制结构，使得算法便于硬件实现，但是控制精度较低
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于STM32的A/D采样软件滤波改进算法研究[J]. 黄健,张善文,周端. 仪表技术与传感器. 2016(03)
[2]基于DSP控制的永磁同步电机变频调速系统的设计[J]. 刘少军,张思雨. 国外电子测量技术. 2016(01)
[3]计算机软件在误差理论与数据处理问题中的应用[J]. 江鹏宇,于宏涛,李吉萌,林韬. 电子技术与软件工程. 2016(01)
[4]基于最小电压矢量偏差的永磁同步电机直接转矩控制[J]. 陈炜,艾士超,谷鑫. 电工技术学报. 2015(14)
[5]基于固件库的STM32F107的程序设计方法探讨[J]. 张明华. 数字技术与应用. 2014(12)
[6]PMSM有效磁链滑模观测器及转矩精确控制[J]. 赵凯辉,陈特放,张昌凡,何静,黄刚. 计算机工程与应用. 2014(21)
[7]电动轮式移动小车控制系统设计与试验[J]. 张铁民,黄翰,黄鹏焕. 农业工程学报. 2014(19)
[8]基于SVPWM的无刷直流电机矢量控制系统研究[J]. 刘云,贾洪平,张鹏,耿田军. 机电工程. 2014(09)
[9]无磁链反馈无刷直流电机控制研究[J]. 李占,李斌,谢卫彬,孙会琴. 河北工业科技. 2014(04)
[10]一种变M/T测速方法的研究与实验[J]. 王海勇,鲍远慧. 测控技术. 2014(05)
博士论文
[1]无刷直流电机转速伺服系统高阶滑模控制研究[D]. 张庆超.西北工业大学 2017
[2]永磁同步电机直接转矩控制系统若干关键问题研究[D]. 杨建飞.南京航空航天大学 2011
硕士论文
[1]基于滑模控制的永磁同步电机直接转矩控制研究[D]. 丁善峰.东北石油大学 2019
[2]三相开关磁阻电机三电平DTC驱动器的设计及算法研究[D]. 韩永朋.河北科技大学 2018
[3]无位置传感器BLDC电机转矩脉动抑制的关键技术研究[D]. 张汇捷.武汉工程大学 2017
[4]基于蚁群算法的无刷直流电机矢量控制系统研究[D]. 刘智城.华南理工大学 2017
[5]变质心高旋炮弹飞行性能研究[D]. 刘圣起.北京理工大学 2016
[6]基于优化滑模观测器的无刷直流电机直接转矩控制系统[D]. 李文帅.天津大学 2017
[7]基于STM32的无刷直流电机控制系统设计及仿真研究[D]. 王国宇.广西师范大学 2016
[8]永磁无刷直流电机转矩脉动抑制方法研究[D]. 陈真.东北大学 2015
[9]永磁无刷直流电机直接转矩控制系统的研究与设计[D]. 康淼淼.东北大学 2015
[10]无刷直流电机直接转矩控制仿真研究[D]. 桂天真.长安大学 2015
本文编号：2951831
【文章来源】：河北科技大学河北省
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
一般控制方式
河北科技大学硕士学位论文21.2无刷直流电机基本控制策略纵观BLDCM控制策略的发展历史，总结下来无刷直流电机的控制策略主要分为三种控制方式：第一种是一般控制方式；第二种是调压控制方式；第三种是电流滞环PWM控制方式。下面对这三种控制方式分别进行介绍。(1)一般控制方式如图1-1所示一般控制方式的无刷直流电机控制系统中只有位置反馈，位置反馈的设计可以达到转速的同步。但是电机不能任意调速，母线电压一定时，电机可以在一定转速下一直工作，并且该控制方式转矩脉动较大。图1-1一般控制方式(2)调压控制方式如图1-2所示为调压控制方式，控制系统可以得到由位置传感器提供的转子位置，根据参考转速和实际转速的PI调节来控制母线电压幅值，从而实现调压调速。图1-2调压控制方式(3)电流滞环PWM控制如图1-3所示是常见的BLDCM电流滞环PWM的控制框图。电流滞环指的是给定电流和反馈得到的实际电流进行滞环比较，这种控制方法可以提高相电流的稳定性，从而减小电流脉动，进而可以改善电机的动态特性[4]。但该方法并没有从根本上解决换相引起的转矩脉动。并且在该控制方式下仍有如下不足：
第1章绪论31)开关频率会随着电流滞环宽度的减小而上升，导致开关管等器件损耗加大；2)当电机处于轻载或电机内置电感略小时，电机的电流将会很难控制在滞环宽度内。图1-3电流滞环PWM控制方式1.3直接转矩控制技术1.3.1直接转矩控制技术的发展和研究现状无刷直流电机的控制策略又可以分为经典控制策略、现代控制策略和智能控制策略，其中较典型的控制策略有PID、模糊PID、磁场定向控制、自适应控制、蚁群算法、神经网络等控制策略。目前较新颖以及结构多变的为直接转矩控制技术。在二十世纪八十年代中期德国和日本的研究学者相继提出了直接转矩控制理论，并将其推广到弱磁调速领域。直接转矩控制技术相对于矢量控制技术的优势在于，直接转矩控制技术具有计算简单、电机特性受外部环境、电机参数改变的影响较小等优点[5]。1997年澳大利亚新南威尔士大学和南京航空航天大学共同将直接转矩控制技术应用于永磁同步电机上，实现了对永磁同步电机的直接转矩控制[6]。随后南京航空航天大学解决了永磁同步电机的Bang-Bang直接转矩控制中零矢量这一难题，更进一步的完善了该理论[7]。2002年南京航空航天大学建立了相对完善的异步电机发电系统的直接转矩控制理论，又称瞬时转矩控制[8]，2004年南京航空航天大学进行了基于基波圆的无刷直流电机直接转矩控制理论的研究[9]。2008年国外开始深入研究如何在无刷直流电机上应用直接转矩控制技术[10]。近几年随着直接转矩控制技术的应用越发成熟，国内外逐渐出现了针对直接转矩控制系统的优化设计，文献[11]提出了一种正负参考转矩下的新半桥调制模式开关表查询方案的直接转矩控制技术，优化了开关表查询方式；文献[12]为了控制结构简单推出了无磁链的直接转矩控制结构，使得算法便于硬件实现，但是控制精度较低
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于STM32的A/D采样软件滤波改进算法研究[J]. 黄健,张善文,周端. 仪表技术与传感器. 2016(03)
[2]基于DSP控制的永磁同步电机变频调速系统的设计[J]. 刘少军,张思雨. 国外电子测量技术. 2016(01)
[3]计算机软件在误差理论与数据处理问题中的应用[J]. 江鹏宇,于宏涛,李吉萌,林韬. 电子技术与软件工程. 2016(01)
[4]基于最小电压矢量偏差的永磁同步电机直接转矩控制[J]. 陈炜,艾士超,谷鑫. 电工技术学报. 2015(14)
[5]基于固件库的STM32F107的程序设计方法探讨[J]. 张明华. 数字技术与应用. 2014(12)
[6]PMSM有效磁链滑模观测器及转矩精确控制[J]. 赵凯辉,陈特放,张昌凡,何静,黄刚. 计算机工程与应用. 2014(21)
[7]电动轮式移动小车控制系统设计与试验[J]. 张铁民,黄翰,黄鹏焕. 农业工程学报. 2014(19)
[8]基于SVPWM的无刷直流电机矢量控制系统研究[J]. 刘云,贾洪平,张鹏,耿田军. 机电工程. 2014(09)
[9]无磁链反馈无刷直流电机控制研究[J]. 李占,李斌,谢卫彬,孙会琴. 河北工业科技. 2014(04)
[10]一种变M/T测速方法的研究与实验[J]. 王海勇,鲍远慧. 测控技术. 2014(05)
博士论文
[1]无刷直流电机转速伺服系统高阶滑模控制研究[D]. 张庆超.西北工业大学 2017
[2]永磁同步电机直接转矩控制系统若干关键问题研究[D]. 杨建飞.南京航空航天大学 2011
硕士论文
[1]基于滑模控制的永磁同步电机直接转矩控制研究[D]. 丁善峰.东北石油大学 2019
[2]三相开关磁阻电机三电平DTC驱动器的设计及算法研究[D]. 韩永朋.河北科技大学 2018
[3]无位置传感器BLDC电机转矩脉动抑制的关键技术研究[D]. 张汇捷.武汉工程大学 2017
[4]基于蚁群算法的无刷直流电机矢量控制系统研究[D]. 刘智城.华南理工大学 2017
[5]变质心高旋炮弹飞行性能研究[D]. 刘圣起.北京理工大学 2016
[6]基于优化滑模观测器的无刷直流电机直接转矩控制系统[D]. 李文帅.天津大学 2017
[7]基于STM32的无刷直流电机控制系统设计及仿真研究[D]. 王国宇.广西师范大学 2016
[8]永磁无刷直流电机转矩脉动抑制方法研究[D]. 陈真.东北大学 2015
[9]永磁无刷直流电机直接转矩控制系统的研究与设计[D]. 康淼淼.东北大学 2015
[10]无刷直流电机直接转矩控制仿真研究[D]. 桂天真.长安大学 2015
本文编号：2951831
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