无刷直流电机驱动器去电容化设计

发布时间：2017-09-23 15:30

  本文关键词：无刷直流电机驱动器去电容化设计

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【摘要】：无刷直流电机(BLDCM)具有功率密度高、控制简单、动态性能好等特点,逐渐在家用和工业领域得到广泛的应用。但是与永磁同步电机(PMSM)相比,BLDCM的转矩脉动较大,这会极大地降低电力传动系统的控制性能。同时在一些场合,驱动系统的体积受到了较为严格的限制。为此,本文研究了无刷直流电机驱动器去电容化设计。本文首先在Buck电路BLDCM驱动系统电容取值较小的情况下,研究了传统PI控制下电机换相期间造成的电感电流跌落现象,针对电流内环采用了一种控制电感电流恒定的单周期控制算法。该算法考虑了小电容在换相期间电容的升压,将电容电压作为一个输入增加到算法的输入端中。相比于传统的PI算法,该算法能够实现在电机换相期间电感电流近似恒定。然后,针对Buck电路电容取值较小时,电机在换相期间因阻抗不匹配造成的电流谐振现象进行了深入分析。本论文指出造成该现象的原因在于系统阻尼过小。为了在不增加系统损耗的前提下,有效地增加系统阻尼,抑制系统谐振,提高控制系统的运行的稳定性,本文将传统的应用于LCL滤波器的有源阻尼方法与BLDCM相结合,研究了适用于Buck电路BLDCM驱动系统的有源阻尼方法。该方法以电感电流换相期间基本恒定为基础,分别针对增加虚拟电阻的不同位置,研究了三种能够有效增大系统阻尼的有源阻尼方法。该算法不需要增加实际阻尼电阻,以控制算法替代实际阻尼电阻,能够实现在母线电容取值较小时,依然保持相电流在换相期间稳定,有效地抑制了BLDCM换相转矩脉动。最后,为了彻底解决在BLDCM驱动系统中由电容带来的问题,本论文研究了一种新型无电容变换器来驱动BLDCM。相比于传统的Buck变换器,该变换其不含有母线电容,增加了一个开关管和一个二极管并联在电感两端,为电机换相期间电感电流提供续流回路。该变换器能够直接控制BLDCM相电流,这与Buck电路的调压调速原理有较大不同。另外该变换器在换相期间理论上能够迅速抬升逆变器母线电压,以抑制换相期间相电流跌落的趋势,抑制电机换相转矩脉动。该变换器能够解决由小电容产生的电机换相的电流尖峰问题。通过与该变换器配合的控制策略,理论上能够实现对BLDCM的良好控制,同时大大地减小了控制器的体积。针对所研究的控制方案,本论文进行了相应的仿真和实验验证,仿真和实验结果验证了本论文所研究的控制方法的可行性和对BLDCM驱动器优化的有效性。
【关键词】：无刷直流电机 Buck电路 电容 电感电流 转矩脉动 有源阻尼 虚拟电阻 新型无电容变换器
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM33
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-11
• 注释表11-12
• 缩略词12-13
• 第一章 绪论13-17
• 1.1 课题研究背景及意义13
• 1.2 课题研究现状13-15
• 1.3 本论文主要研究内容15-17
• 第二章 一种控制电感电流恒定的单周期算法17-29
• 2.1 引言17
• 2.2 传统转速电流双闭环控制系统分析17-21
• 2.2.1 PI调节双闭环控制系统原理17-18
• 2.2.2 电机运行等效电路分析18-21
• 2.3 电感电流恒定的单周期控制算法21-23
• 2.3.1 改进的转速电流双闭环控制原理21-22
• 2.3.2 控制框图和控制策略22-23
• 2.4 电容升压对电机性能的影响23-25
• 2.5 仿真验证25-28
• 2.5.1 两种控制方式下电感电流波形对比25-26
• 2.5.2 电流参考和电流反馈26-27
• 2.5.3 Buck电容电压与逆变器母线电流27
• 2.5.4 电机相电流波形27-28
• 2.6 本章小结28-29
• 第三章 适用于BLDCM的有源阻尼方法29-49
• 3.1 引言29
• 3.2 换相瞬间数学建模29-32
• 3.2.1 采用电感电流单周期算法的控制策略理论依据29
• 3.2.2 换相期间数学建模分析29-32
• 3.3 适用于BLDCM的有源阻尼方法32-42
• 3.3.1 电机侧并联虚拟电阻32-36
• 3.3.2 电机侧串联虚拟电阻36-39
• 3.3.3 电容侧串联虚拟电阻39-42
• 3.4 传递函数G(s)分析42-45
• 3.4.1 G(s)建模的必要性42-43
• 3.4.2 G(s)数学建模及简化43-45
• 3.5 仿真验证45-48
• 3.6 本章小结48-49
• 第四章 无电容变换器及其控制策略49-71
• 4.1 引言49
• 4.2 拓扑结构分析49-51
• 4.2.1 传统Buck电路BLDCM控制系统的缺陷49-50
• 4.2.2 一种Buck-based电路BLDCM控制系统的缺陷50
• 4.2.3 一种新型适用于BLDCM驱动的无电容变换器50-51
• 4.3 无电容变换器工作状态分析51-58
• 4.3.1 电机传导区间工作状态分析51-54
• 4.3.2 电机换相区间工作状态分析54-56
• 4.3.3 控制策略和控制框图56-58
• 4.4 仿真分析58-62
• 4.4.1 无电容变换器性能验证58-60
• 4.4.2 与其它拓扑性能比较60-62
• 4.5 实验验证62-69
• 4.5.1 实验平台的搭建62-64
• 4.5.2 关键算法的DSP实现64
• 4.5.3 控制策略的验证64-69
• 4.6 本章小结69-71
• 第五章 总结与展望71-73
• 5.1 论文工作总结71-72
• 5.2 后续工作和展望72-73
• 参考文献73-77
• 致谢77-79
• 攻读硕士学位期间发表论文及专利情况79

【参考文献】

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本文编号：906043