基于嵌入式的无刷直流电机转矩脉动抑制研究

发布时间：2020-06-18 19:47

【摘要】：无刷直流电机除了具有良好的调速性能、结构简单、效率高、可靠性高等优点,同时还保留了直流电动机优良的机械特性,因而被广泛地应用于电气传动、位置伺服中的各个领域。但传统无刷直流电机控制系统中电机存在齿槽转矩、逆变器中功率器件的非线性使系统产生转矩脉动,伴随有振动和噪声问题,并会缩短电机的使用寿命。随着现代工业的快速发展,对转矩脉动的抑制提出了更高的要求,因此电机的转矩脉动抑制具有重要的研究意义。论文在传统PID控制基础上设计了模糊PID控制器,采用空间矢量双闭环控制,利用Matlab/Simulink平台进行了仿真研究。通过与传统PID仿真进行对比,设计的模糊PID控制器具有更好的动态性能,并能减小转矩脉动。针对位置传感器结构复杂、可靠性低的问题,在电机稳定运行时采取反电动势法实现了电机转子位置的准确评估并通过仿真验证该方法的有效性与可靠性。在电机启动时,对传统脉振高频电压注入法进行了优化,准确估算了转速与转子位置。最后通过硬件设计和软件设计,搭建了以DSP28035为核心处理器的电机控制系统,实现了无刷直流电机在无位置传感器条件下的矢量控制,实验结果表明与传统PID相比,采用模糊PID时电机在空载和负载时都能保持稳定运行,并对转矩脉动有一定的削弱作用。
【学位授予单位】：河北科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM33
【图文】：

规模预测,行业市场,无刷电机

目前对于无刷直流电机的驱动划分为两个方向，一个是方波驱动[8]，一个为正波驱动[9]。其中方波驱动以软件算法相对简单，硬件成本不高的特点在市场上得到泛应用。正弦波驱动对器件的要求较高，要求保证转子的检测足够精准。精度高的设备如光电编码器的售价偏高，而定价低的设备其性能又不能达到基本的运行要求诸多不利因素推迟了正弦波驱动的发展进度[10-14]。到了 20 世纪末，随着简易位置感器高精度辨识算法越来越成熟，德州仪器、英飞凌等公司针对正弦波驱动推出了专用的微处理器芯片，扩大了该驱动的市场份额。汽车分析师 Bryan Turnbough 做调查，2012-2017 年期间，在汽车行业，无刷直流电机的销售量将达到了 4.6 亿台将超过直流伺服电机与步进电机。随着插电式电动汽车在技术上持续进步，性能上不断提升，将进一步调高无刷电机的出货量。IMSResearch 报告，无刷直流电机的均年增长率达到了 7%，而我国预测在未来五年在该行业增速将保持在 20%，预计到2022 年市场的规模达到 565 亿元。我国无刷直流电机市场规模预测如图 1-1 所示。在中国市场，一方面上汽、广汽、北汽、比亚迪等中国自主品牌都十分重视对电动汽车的开发，并加大电动汽车充电桩的发展，另一方面国家对电动汽车采取的补贴政策，相信在不久的将来，将真正走向“无刷时代”。

流程图,智能控制,流程图,智能算法

采用智能算法削弱转矩脉动也取得了一些成果，比如加入 BP 神经网络削弱换的振动[28]。对于给出数学模型的数据比较精确时，采用传统 PID 控制算法能很进行调节，一旦数学模型的精度不高时，对参数的整定将变得复杂起来，甚至调试成功。在实际中，无刷直流电机的参数并不固定，是随着时间发生变化有浮动的。智能算法对数学模型的精准度要求不高，此外还具有自学习、自适应点。通过先进的智能控制算法对电机进行调控，发展起来优势很大。因此，将控制算法加入到电机的控制研究中去顺理成为众多学者们研究的一个重要方向图 1-2 所示为智能控制流程图，该系统一个显著的优点是不需要完全依赖控制精确的数学模型，就可以达到很好的控制效果。目前主要包括模糊 PI 控制[29]、算法控制[30]、模糊 PID 切换控制[31]与神经网络控制[32]和粒子群等[33]，或者同时种智能算法加进去实现对电机的控制,比如模糊加神经网络，经粒子群优化后的控制等，目前都取得了一定的优化效果。针对电机控制一般是将智能算法加入中比如速度环或者电流环中去，而文献[34]将双环均采用了模糊 PI 来进行仿真果显示能通过减小电流的浮动从而削弱振动，在实际中广泛应用仍有难度。

【参考文献】