用于直流无刷电机的高性能模拟驱动器研究
发布时间：2021-06-19 12:29
直流无刷电机（英文Brushless DC Motor,简称BLDCM）使用定子绕组、转子磁铁取代有刷电机的定子磁铁、转子绕组,摒弃了电刷结构,大大延长了电机的使用寿命。它不但拥有直流电机启动性能、调速性能优越的特点,而且还兼具着交流电机结构简单、运行平稳、易于维护的优点。直流无刷电机近几年来发展迅速,广泛应用于电车、工业控制、自动化以及航空航天等领域,因此研究高性能的直流无刷电机模拟驱动器具有重要的现实意义和实际价值。首先,论文简述了直流无刷电机的结构,推导并建立了数学模型,分析了直流无刷电机的工作原理和控制技术。由于驱动器采用方波驱动直流无刷电机,不可避免的受到转矩脉动的影响,所以研究了转矩脉动的形成原因及抑制方法,在比较了常用的PWM调制方式的基础上提出了一种新的ON-PWM-ON调制方式,其完全消除了非换相期间非导通相续流现象,配合改进的组合式PWM调速控制策略,有效地减小了电机的换相转矩脉动,进一步提升了模拟驱动器系统的性能。其次,针对传统的软件控制方式速度慢、抗干扰能力差等特点,设计了一套全硬件电路的高性能模拟器,选用原ATMEL公司的复杂可编程逻辑器件（以下简称为CPLD...
【文章来源】：山东理工大学山东省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
定子与转子模型
山东理工大学硕士学位论文第二章直流无刷电机的工作原理及控制技术11速度PI电流PI电流采样位置传感器速度计算PWM信号BLDCM换相单元位置反馈图2.6双闭环控制框图Fig.2.6Doubleclosedloopcontrolblockdiagram2.4.1六步梯形换相控制直流无刷电机三相绕组采用Y型连接简化绕组如图2.7所示，通过前面章节分析可以看出，电机驱动选择二二导通方式即每次只有两相导通，图中箭头表示电流方向，数字表示依次导通的顺序，电机转动一圈电流的方向改变六次，换相六次所以称为六步梯形换相控制方式。现在分析了三相绕组的导通顺序，也了解了霍尔传感器发出信号所代表的电机转子的位置，那么只需要将电机转子位置与三相绕组导通顺序对应起来就可以实现正确的换相控制了。图2.7绕组通电顺序Fig.2.7Poweronsequenceofwinding直流无刷电机换相控制逻辑需要从分析霍尔信号与反电动势波形的相位关系得出，由于这一技术相对成熟这里直接给出霍尔120°安装二二导通方式下换相控制真值表，如表2.1所示。换相时，控制核心收到三路相位差120°的方波信号，首先判断电机的正反转，然后根据真值表确定下一刻需要导通与关断的MOS管，每个周期如此循环六次即为换相阶段，这仅为换相保证电机正确运转，不包括调速功能。
山东理工大学硕士学位论文第二章直流无刷电机的工作原理及控制技术17212(12)83deDEUETTTtLω(2.14)采用相同的分析方法，并参考文献[53]可以得到选用PWM-ON-PWM调制方式换相转矩脉动值为：22283dDEUETtLω(2.15)2.5.4改进的PWM调速控制策略传统的PWM控制策略只是选择一种相对最合适调制方式，并没有考虑实际电机转速变化的情况，也仅仅适用于电机转速变化不大的场合，这大大限制了控制策略的灵活性，为此提出一种组合式调速控制策略，即控制算法中嵌入PWM-ON-PWM和ON-PWM-ON两种调制方式程序，CPLD检测实时占空比D的大小，并进而选择合适的调制方式，这样无论在哪种转速模式下，驱动系统都能发挥最佳的性能。为了便于比较，取换相转矩脉动的绝对值，并绘制两种调制方式的曲线图，如图2.13所示。图2.13两种方式转矩脉动值Fig.2.13Torqueripplevalueintwoways计算过程中，令式（2.14）与式（2.15）相等，即图2.13中交点位置，当占空比D等于1/3时两种调制方式转矩脉动相等。对于驱动系统在非换相期间不产生续流的前提下，应该根据占空比D也就是转速的大小选择不同的PWM调制方式，即占空比小于1/3时选择ON-PWM-ON调制方式；当占空比大于1/3时切换为PWM-ON-PWM调制方式，这可以更好的抑制换相转矩脉动。
【参考文献】：
期刊论文
[1]无刷直流电机无位置传感技术探究[J]. 孙文胜. 中国设备工程. 2020(04)
[2]无刷直流电机模糊自适应控制系统的研究[J]. 赵红,赵德润,罗鹏,郭晨,张军,王逸婷. 微电机. 2020(01)
[3]基于反电动势函数的无刷直流电机无位置传感器控制方法[J]. 陈炜,刘会民,谷鑫,李新旻,史婷娜. 电工技术学报. 2019(22)
[4]基于磁链函数的BLDC无速度传感器控制策略[J]. 胡银全,刘和平,伍小兵. 电气传动. 2019(10)
[5]基于遗传算法优化的无刷电机控制系统设计[J]. 蒋龙,施卫,王浩,俞美鑫. 电子制作. 2019(17)
[6]基于遗传算法和粒子群优化的模糊PID控制器在双星感应电机直接转矩控制中的应用（英文）[J]. BOUKHALFA Ghoulemallah,BELKACEM Sebti,CHIKHI Abdesselem,BENAGGOUNE Said. Journal of Central South University. 2019(07)
[7]无刷电机的应用状况与发展趋势[J]. 袁明. 冶金管理. 2019(05)
[8]无刷直流电机PI控制系统的设计及分析[J]. 杨林,刘曰涛,沈宝民,仲伟正. 西安工程大学学报. 2019(01)
[9]永磁无刷直流电动机换相脉动转矩及抑制方法[J]. 肖遥剑,冯浩,仰韩英,赵浩. 计量学报. 2019(01)
[10]抑制BLDCM换相转矩脉动的超前换相控制策略[J]. 王大方,朱洪彪,金毅,于知杉,王明玉. 电机与控制学报. 2018(10)
硕士论文
[1]高速无刷直流电机无传感器关键技术研究[D]. 徐丹.西安电子科技大学 2019
[2]无刷直流电机无位置传感器关键控制技术研究[D]. 刘雨锋.江西理工大学 2019
[3]基于32位MCU无刷直流电机控制系统的设计与实现[D]. 曹攀.西安电子科技大学 2019
[4]基于DSP的直流无刷电机控制系统的研究[D]. 井科伟.哈尔滨工程大学 2004
本文编号：3237816
【文章来源】：山东理工大学山东省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
定子与转子模型
山东理工大学硕士学位论文第二章直流无刷电机的工作原理及控制技术11速度PI电流PI电流采样位置传感器速度计算PWM信号BLDCM换相单元位置反馈图2.6双闭环控制框图Fig.2.6Doubleclosedloopcontrolblockdiagram2.4.1六步梯形换相控制直流无刷电机三相绕组采用Y型连接简化绕组如图2.7所示，通过前面章节分析可以看出，电机驱动选择二二导通方式即每次只有两相导通，图中箭头表示电流方向，数字表示依次导通的顺序，电机转动一圈电流的方向改变六次，换相六次所以称为六步梯形换相控制方式。现在分析了三相绕组的导通顺序，也了解了霍尔传感器发出信号所代表的电机转子的位置，那么只需要将电机转子位置与三相绕组导通顺序对应起来就可以实现正确的换相控制了。图2.7绕组通电顺序Fig.2.7Poweronsequenceofwinding直流无刷电机换相控制逻辑需要从分析霍尔信号与反电动势波形的相位关系得出，由于这一技术相对成熟这里直接给出霍尔120°安装二二导通方式下换相控制真值表，如表2.1所示。换相时，控制核心收到三路相位差120°的方波信号，首先判断电机的正反转，然后根据真值表确定下一刻需要导通与关断的MOS管，每个周期如此循环六次即为换相阶段，这仅为换相保证电机正确运转，不包括调速功能。
山东理工大学硕士学位论文第二章直流无刷电机的工作原理及控制技术17212(12)83deDEUETTTtLω(2.14)采用相同的分析方法，并参考文献[53]可以得到选用PWM-ON-PWM调制方式换相转矩脉动值为：22283dDEUETtLω(2.15)2.5.4改进的PWM调速控制策略传统的PWM控制策略只是选择一种相对最合适调制方式，并没有考虑实际电机转速变化的情况，也仅仅适用于电机转速变化不大的场合，这大大限制了控制策略的灵活性，为此提出一种组合式调速控制策略，即控制算法中嵌入PWM-ON-PWM和ON-PWM-ON两种调制方式程序，CPLD检测实时占空比D的大小，并进而选择合适的调制方式，这样无论在哪种转速模式下，驱动系统都能发挥最佳的性能。为了便于比较，取换相转矩脉动的绝对值，并绘制两种调制方式的曲线图，如图2.13所示。图2.13两种方式转矩脉动值Fig.2.13Torqueripplevalueintwoways计算过程中，令式（2.14）与式（2.15）相等，即图2.13中交点位置，当占空比D等于1/3时两种调制方式转矩脉动相等。对于驱动系统在非换相期间不产生续流的前提下，应该根据占空比D也就是转速的大小选择不同的PWM调制方式，即占空比小于1/3时选择ON-PWM-ON调制方式；当占空比大于1/3时切换为PWM-ON-PWM调制方式，这可以更好的抑制换相转矩脉动。
【参考文献】：
期刊论文
[1]无刷直流电机无位置传感技术探究[J]. 孙文胜. 中国设备工程. 2020(04)
[2]无刷直流电机模糊自适应控制系统的研究[J]. 赵红,赵德润,罗鹏,郭晨,张军,王逸婷. 微电机. 2020(01)
[3]基于反电动势函数的无刷直流电机无位置传感器控制方法[J]. 陈炜,刘会民,谷鑫,李新旻,史婷娜. 电工技术学报. 2019(22)
[4]基于磁链函数的BLDC无速度传感器控制策略[J]. 胡银全,刘和平,伍小兵. 电气传动. 2019(10)
[5]基于遗传算法优化的无刷电机控制系统设计[J]. 蒋龙,施卫,王浩,俞美鑫. 电子制作. 2019(17)
[6]基于遗传算法和粒子群优化的模糊PID控制器在双星感应电机直接转矩控制中的应用（英文）[J]. BOUKHALFA Ghoulemallah,BELKACEM Sebti,CHIKHI Abdesselem,BENAGGOUNE Said. Journal of Central South University. 2019(07)
[7]无刷电机的应用状况与发展趋势[J]. 袁明. 冶金管理. 2019(05)
[8]无刷直流电机PI控制系统的设计及分析[J]. 杨林,刘曰涛,沈宝民,仲伟正. 西安工程大学学报. 2019(01)
[9]永磁无刷直流电动机换相脉动转矩及抑制方法[J]. 肖遥剑,冯浩,仰韩英,赵浩. 计量学报. 2019(01)
[10]抑制BLDCM换相转矩脉动的超前换相控制策略[J]. 王大方,朱洪彪,金毅,于知杉,王明玉. 电机与控制学报. 2018(10)
硕士论文
[1]高速无刷直流电机无传感器关键技术研究[D]. 徐丹.西安电子科技大学 2019
[2]无刷直流电机无位置传感器关键控制技术研究[D]. 刘雨锋.江西理工大学 2019
[3]基于32位MCU无刷直流电机控制系统的设计与实现[D]. 曹攀.西安电子科技大学 2019
[4]基于DSP的直流无刷电机控制系统的研究[D]. 井科伟.哈尔滨工程大学 2004
本文编号：3237816
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