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永磁无刷直流电机控制及其在变桨距系统中的应用研究

作　者: 周志超
导　师: 庄圣贤
学　校: 西南交通大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 电动变桨距永磁无刷直流电机二自由度内模控制 TMS320F2812
分类号: TM315
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

风能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的重视。变桨距系统是大型风电机组控制系统的核心部分之一,它对机组的安全、稳定、高效地运行具有十分重要的作用。因此开展针对大型风力发电机组变桨距的控制研究具有十分重要的意义。本文首先介绍了国内外风力发电技术的发展情况,对比分析了液压变桨距系统和电动变桨距系统的优劣。通过电动变桨距系统结构及基本工作原理,研究了以永磁无刷直流电机(PMBLDCM)为动力的变桨距伺服系统。然后介绍了PMBLDCM的结构、工作原理,给出了其数学模型,并详尽介绍了伺服控制中应用最为广泛三闭环控制技术原理及数字化实现的关键方法。在此基础上讨论了直流伺服系统的控制结构,在速度控制环中引入二自由度内模控制(2DOF-IMC)方法,在位置环中引入了积分分离PI控制方法,实现电动变桨距伺服控制系统的指令跟踪性能和抗扰动性能的双优控制,改善了PMBLDCM在低速运行时转矩脉动,仿真实验验证了该方法的有效性。其次,对基于TMS320F2812DSP的电动变桨距伺服控制系统硬件平台,包括控制模块、主电路以及驱动模块等的设计实现做了详尽描述,给出了DSP控制系统的设计方案、主电路、驱动电路和信号检测模块等的设计方法。同时给出了电动变桨距伺服控制系统软件设计思想,介绍了系统主要模块的程序设计流程,完成了系统主程序及各功能模块的软件设计。最后,完成系统并进行调试与实验测试。对实验结果进行分析和讨论。实验证明该系统设计满足了电动变桨距伺服控制系统基本要求,为后续更进一步研究改进奠定了基础。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-10
第1章绪论  10-16
  1.1 课题背景及意义  10
  1.2 国内外相关技术的发展现状  10-14
    1.2.1 永磁无刷直流电机及控制技术发展状况  10-12
    1.2.2 电动变桨距技术发展状况  12-14
  1.3 本课题研究的目的与主要工作内容  14-16
    1.3.1 课题研究目的  14
    1.3.2 本文研究的主要内容  14-16
第2章风电机组电动变桨距系统分析  16-29
  2.1 变桨距风力发电机组的运行状态  16-17
  2.2 变桨距系统的驱动方案比较  17-18
    2.2.1 液压变桨  17
    2.2.2 电动变桨  17-18
  2.3 电动变桨距系统  18-21
    2.3.1 电动变桨系统的工作原理  18-19
    2.3.2 电机选型  19-21
  2.4 永磁无刷直流电机的结构和工作原理  21-27
    2.4.1 永磁无刷直流电机的结构  21
    2.4.2 永磁无刷直流电机的工作原理  21-23
    2.4.3 电机位置传感器  23-24
    2.4.4 永磁无刷直流电机数学模型的建立  24-27
  2.5 本章小结  27-29
第3章伺服控制器设计  29-45
  3.1 电流环设计  29-32
  3.2 速度环设计  32-39
    3.2.1 内模控制基本原理  32-34
    3.2.2 二自由度内模控制器设计  34-36
    3.2.3 二自由度内模控制器的数字化实现  36-39
  3.3 位置环设计  39-41
  3.4 仿真结果分析  41-43
  3.5 本章小结  43-45
第4章电动变桨距伺服控制系统硬件设计  45-59
  4.1 电动变桨距系统伺服控制部分硬件总体结构  45
  4.2 控制板硬件设计  45-54
    4.2.1 TMS320F2812系统  46-48
    4.2.2 母线电压的检测及保护  48-49
    4.2.3 电流检测及过流保护  49-50
    4.2.4 过热保护电路  50-51
    4.2.5 缺相保护电路  51-52
    4.2.6 速度给定电路  52
    4.2.7 通信电路  52-53
    4.2.8 隔离电路  53-54
  4.3 驱动板硬件设计  54-58
    4.3.1 直流母线电压等级  54
    4.3.2 整流电路  54-55
    4.3.3 滤波电路  55
    4.3.4 缓冲电路  55-56
    4.3.5 功率模块设计  56-58
  4.4 本章小结  58-59
第5章伺服控制系统软件设计  59-68
  5.1 伺服控制系统软件总体结构  59-60
  5.2 主程序  60-61
  5.3 中断服务程序  61-64
    5.3.1 定时器下溢中断  61-63
    5.3.2 捕获中断  63-64
    5.3.3 外部故障中断  64
  5.4 功能模块软件设计  64-67
    5.4.1 电机绕组换相控制原理  64-65
    5.4.2 电机换向控制  65-66
    5.4.3 转速计算  66
    5.4.4 软件保护设计  66-67
    5.4.5 SCI通信  67
  5.5 本章小结  67-68
第6章实验结果及分析  68-75
  6.1 霍尔位置信号波形  69
  6.2 PWM信号的检测  69-70
  6.3 端电压波形  70-71
  6.4 电流测试结果分析  71-72
  6.5 速度测试结果  72-73
  6.6 本章小结  73-75
总结与展望  75-77
致谢  77-78
缩略语  78-79
参考文献  79-83
攻读硕士学位期间发表论文  83

永磁无刷直流电机控制及其在变桨距系统中的应用研究

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