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无刷直流电机无位置传感器控制及四开关逆变器控制研究

作　者: 李志强
导　师: 夏长亮
学　校: 天津大学
专　业: 电机与电器
关键词: 无刷直流电机无位置传感器控制四开关逆变器智能控制
分类号: TM33
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

无刷直流电机具有调速范围宽、功率密度高、电磁污染小、运行可靠等显著优点,在伺服控制、电动车辆、机器人技术及家用电器等工业和民用领域得到了越来越广泛的应用。为进一步提高其性能,本文主要从无位置传感器控制、新型逆变器拓扑结构控制及智能控制等方面进行了深入研究。为提高无刷直流电机无位置传感器控制的可靠性,本文分析了线反电势与换相时刻对应关系,对传统反电势法进行了改进,研究了无需移相π/3电角度的无刷直流电机转子位置检测方法。通过总结线反电势变化规律、提出新的线反电势检测方法及对滤波误差相移补偿,实现了基于线反电势的无刷直流电机无位置传感器控制,并进行了仿真和实验验证。该策略硬件电路结构简单,算法易于实现,避免了传统反电势法在移相π/3电角度过程中带来的误差,提高了位置检测的快速性与准确度。随着无刷直流电机的广泛应用,越来越多的学者关注于维持电机高性能的同时降低驱动系统成本。针对无刷直流电机的四开关逆变器拓扑结构,本文分析了电机C相电流与电机工作模式的关系,通过重新设计控制策略,改进了对四开关逆变器控制需要检测两相电流的方法,实现了基于C相电流的四开关逆变器无刷直流电机单电流传感器控制。该策略在四开关逆变器基础上,进一步节省了成本,同时保证了电机的性能,为无刷直流电机控制技术的发展提供了新的思路。传统的PID控制算法在控制非线性系统时随动性差,不易满足高精度伺服系统的控制要求。本文研究了基于小脑模型神经网络与PID复合控制的智能控制系统,通过小脑模型神经网络强大的映射能力,来实现参数的在线调节,使无刷直流电机在不同的运行环境下都能快速、准确的跟踪给定指令。仿真与实验结果表明,控制系统兼顾了常规控制器快速性及智能控制器精确性的优点,转速超调量小,调节时间短,有效的抑制了负载扰动的影响,具有较好的静态和动态性能。电梯门机是无刷直流电机驱动系统的一个应用方向,为提高电梯门机的安全性与舒适性,本文设计了无位置传感器控制的无刷直流电机电梯门机控制系统。该系统以TMS320F2812 DSP数字信号处理器为控制核心,主要包括电源电路、驱动电路、逆变器、信号检测与保护电路、光耦隔离电路等部分。系统实现了电梯门机的门宽自学习、平滑变速门机运行曲线及遇阻安全保护等功能,节省了成本,减小了开关门噪音,提高了运行可靠性。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-24
  1.1 课题的研究背景及意义  9-10
  1.2 无刷直流电机结构及特点  10-13
  1.3 无刷直流电机的应用  13-15
  1.4 无刷直流电机的研究现状  15-21
    1.4.1 智能控制系统  15-16
    1.4.2 齿槽转矩波动抑制  16-18
    1.4.3 换相转矩波动抑制  18-19
    1.4.4 无位置传感器控制  19-20
    1.4.5 电机结构优化研究  20-21
  1.5 本文研究的主要内容  21-24
第二章无刷直流电机数学模型  24-36
  2.1 考虑换相暂态过程的数学模型  24-34
    2.1.1 toffi  27-30
    2.1.2 toffi= t_i 情况  30-31
    2.1.3 toffi> t_i 情况  31-34
  2.2 稳态等效数学模型  34-35
  2.3 本章小结  35-36
第三章基于线反电势的无刷直流电机无位置传感器控制  36-57
  3.1 基于线反电势的转子位置检测原理  36-39
    3.1.1 相反电势转子位置检测  36-37
    3.1.2 线反电势转子位置检测  37-39
  3.2 线反电势计算  39-48
    3.2.1 toffi  39-45
    3.2.2 toffi= t_i 情况  45
    3.2.3 toffi> t_i 情况  45-48
  3.3 换相策略  48-51
    3.3.1 相移补偿  48-50
    3.3.2 换相条件  50-51
  3.4 仿真与实验结果  51-56
    3.4.1 仿真结果及分析  51-53
    3.4.2 实验结果及分析  53-56
  3.5 本章小结  56-57
第四章四开关逆变器无刷直流电机单电流传感器控制策略  57-77
  4.1 四开关逆变器  57-58
  4.2 基于C 相电流的控制策略  58-67
    4.2.1 C 相参与的工作模式  58-60
    4.2.2 C 相电流为零的工作模式  60-67
  4.3 单电流传感器控制策略的实现  67-71
    4.3.1 单神经元自适应PID 控制器  67-68
    4.3.2 四开关逆变器无刷直流电机控制系统  68-71
  4.4 仿真与实验结果  71-76
    4.4.1 仿真结果及分析  71-72
    4.4.2 实验结果及分析  72-76
  4.5 本章小结  76-77
第五章无刷直流电机的小脑模型神经网络与PID 复合控制  77-88
  5.1 无刷直流电机智能控制系统  78-82
    5.1.1 小脑模型神经网络  78-79
    5.1.2 无刷直流电机的小脑模型神经网络与PID 复合控制  79-82
  5.2 仿真与实验结果  82-87
    5.2.1 仿真结果及分析  82-85
    5.2.2 实验结果及分析  85-87
  5.3 本章小结  87-88
第六章无刷直流电机电梯门机控制系统  88-104
  6.1 电梯门机系统  88-90
  6.2 电梯门机控制系统硬件设计  90-99
    6.2.1 电源电路  91-93
    6.2.2 控制器  93
    6.2.3 功率逆变器  93-94
    6.2.4 驱动电路  94-95
    6.2.5 检测电路  95-96
    6.2.6 保护电路  96-98
    6.2.7 LED 显示电路  98-99
  6.3 电梯门机控制系统软件设计  99-103
    6.3.1 门机控制系统主程序  99-100
    6.3.2 起动子程序  100-101
    6.3.3 无位置传感器控制子程序  101
    6.3.4 门宽自学习子程序  101-102
    6.3.5 门机运行子程序  102-103
    6.3.6 阻挡转矩检测子程序  103
  6.4 本章小结  103-104
第七章总结与展望  104-107
  7.1 总结  104-106
  7.2 展望  106-107
参考文献  107-117
发表论文与参加科研情况说明  117-119
致谢  119

无刷直流电机无位置传感器控制及四开关逆变器控制研究

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