无刷直流电机控制系统设计及其在无人艇上的应用

发布时间：2017-09-19 09:37

  本文关键词：无刷直流电机控制系统设计及其在无人艇上的应用

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【摘要】：为提高无人艇的续航能力,使用混合能量供给及高效率的电力动力系统代替传统内燃机动力系统是无人艇的发展趋势。本文以无人艇船舵转向控制为应用背景,分析和探讨了无刷直流电机(BLDC)的控制系统设计及转矩脉动抑制等问题,设计了BLDC的双闭环调速系统,并针对转矩脉动提出了一种离散空间矢量(DSV)调制下相电阻压降补偿的抑制方案,分别以物理实验和计算机仿真验证了控制系统设计和转矩脉动抑制方案的有效性。全文详细地介绍了BLDC的常用驱动拓扑结构及导通方式,分析了120°导通方式下使用选择性电流采样方式与其他电流采样方式时的区别。对于中低精度的BLDC,霍尔传感器的实际安装位置往往与其理想安装位置间存在偏差,因此本文结合了BLDC无位置传感器控制中的反电动势过零检测方案与精确的光电码盘位置信号,修正了霍尔传感器安装位置偏差带来的影响。从电机模型出发,设计了BLDC的双闭环调速系统,并讨论了控制器的离散化。针对BLDC的转矩脉动问题,探讨了离散空间矢量调制策略与传统的120°导通方式的共性与区别,从持续导通相电压是否发生突变的角度分析了换相转矩脉动产生的原因。理论分析表明,在低速且有一定负载的情况下,可以直接使用离散空间矢量调制代替120°导通方式,并获得良好的转矩脉动抑制效果;在中高速时,必须实时控制非导通相电流使之为0。为了发挥离散空间矢量调制的转矩脉动抑制优势,本文提出了一种简单易行的相电阻压降补偿方法,在一定程度上降低了换相转矩脉动。仿真结果验证了该方案的有效性。最后,将BLDC双闭环调速系统应用在了无人艇船舵控制上,设计了包含三个微处理器的主控制器。实验结果和现场测试表明,设计的BLDC双闭环调速系统性能良好,满足设计要求。另外,为了便于调试与监控,以及兼顾后续的船体模型参数辨识、控制算法设计与验证等工作,搭建了基于MATLAB的调试与监控平台。
【关键词】：无人艇 无刷直流电机 控制系统设计 转矩脉动抑制
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U664.82;TM33
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 课题背景介绍9-10
• 1.2 选题依据与意义10-11
• 1.3 国内外研究现状11-15
• 1.4 本文内容安排15-17
• 2 无刷直流电机调速系统设计17-34
• 2.1 BLDC的模型及其控制17-24
• 2.2 电流环设计24-27
• 2.3 速度环设计27-30
• 2.4 控制器离散化30-34
• 3 基于离散空间矢量调制的BLDC转矩脉动抑制34-50
• 3.1 BLDC双闭环控制系统及仿真模型34-35
• 3.2 120°导通方式与离散空间矢量调制方式的对比35-39
• 3.3 转矩脉动抑制39-46
• 3.4 仿真结果与分析46-50
• 4 BLDC调速系统在无人艇上的应用50-61
• 4.1 无人艇动力系统简介50
• 4.2 控制系统平台及接50-52
• 4.3 BLDC控制系统实现52-59
• 4.4 船舵控制系统的调试与监控平台59-61
• 5 总结与展望61-65
• 5.1 全文总结61-63
• 5.2 后续工作及展望63-65
• 致谢65-66
• 参考文献66-71
• 附录 攻读硕士学位期间发表的论文71

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本文编号：880896