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无刷直流电机直接转矩控制系统的研究与设计

作　者: 杨永君
导　师: 赵影
学　校: 天津理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 无刷直流电机 离散滑模观测器 直接转矩控制 转矩脉动
分类号: TM33
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 203次
引　用: 1次
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内容摘要


在工业、航空航天和家用电器等各个领域的应用中，无刷直流电机在体积、效率、可控性、可靠性、经济性等方面具有明显优势。但是无刷直流电机的转矩脉动较大。转矩脉动会带来震动、噪音等问题，这就限制了其在低噪音、转速精度要求较高、定位精度要求较高的系统中的应用。永磁无刷直流电机的转矩脉动包括齿槽转矩脉动、非理想反电势引起的电磁转矩脉动和换相电磁转矩脉动。一般情况下，前两种转矩脉动均较小，所以抑制或消除换相电磁转矩脉动是提高系统性能的关键。无刷直流电机传统脉宽调制电流控制会产生较大的换相电磁转矩脉动，且出现非理想反电势时，还会产生原理性电磁转矩脉动。为抑制由非理想反电势引起的电磁转矩脉动和换相电磁转矩脉动，本文提出无刷直流电机直接转矩控制。在无刷直流电机传统数学模型的基础上，搭建具有非理想反电势的无刷直流电机的仿真模型。为便于计算机控制，设计离散滑模观测器以获取无刷直流电机反电势，并证明离散滑模观测器的到达条件和稳定条件。分析电压空间矢量的选取规则、定子磁链的轨迹及电磁转矩的控制机理。受现有电力电子功率器件开关频率的限制，本文还推导了开关频率与滞环宽度的关系，并以此作为计算滞环宽度的依据。在此基础上，设计无刷直流电机直接转矩控制。采用离散滑模观测器获取无刷直流电机反电势，进而完成电磁转矩的估算，然后由转矩滞环的输出和磁极位置来选择电压空间矢量。根据无刷直流电机直接转矩控制系统的结构，并计算各种控制参数，在MATLAB中搭建仿真模型。由仿真结果，进而分析无刷直流电机直接转矩控制抑制换相电磁转矩脉动的适用范围及高速时的失效原因。最后，介绍了控制系统的硬件组成和软件设计。无刷直流电机直接转矩控制可以有效抑制由非理想反电势引起的电磁转矩脉动和低速换相电磁转矩脉动。离散滑模观测器算法简单，参数鲁棒性强，而且适合于计算机控制，可以为无刷直流电机直接转矩控制系统提供电磁转矩反馈。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-9
第一章 绪论  9-13
  1.1 研究背景与意义  9
  1.2 国内外研究现状分析  9-11
  1.3 目前国内外研究所存在的问题  11-12
  1.4 主要研究内容  12-13
第二章 无刷直流电机的原理及数学模型  13-26
  2.1 无刷直流电机的原理  13-19
    2.1.1 无刷直流电机的结构  13-14
    2.1.2 电枢绕组的连接方式  14-15
    2.1.3 电枢绕组的电子换相  15-16
    2.1.4 无刷直流电机的正反转  16-17
    2.1.5 无刷直流电机的运行原理  17-19
  2.2 无刷直流电机的数学模型  19-21
  2.3 考虑非理想反电势的无刷直流电机的建模方法  21-23
  2.4 无刷直流电机的 PWM 电流控制  23-26
第三章 无刷直流电机直接转矩控制  26-46
  3.1 电磁转矩的计算  26-31
    3.1.1 电磁转矩的一般计算方法  26
    3.1.2 滑模观测器的原理  26-29
    3.1.3 反电势离散滑模观测器的设计  29-30
    3.1.4 滑模到达条件和稳定条件  30-31
  3.2 定子磁链的观测  31-32
  3.3 电压空间矢量的选取及定子磁链的轨迹  32-35
  3.4 电磁转矩的控制  35-36
  3.5 开关频率与滞环宽度的关系  36
  3.6 无刷直流电机直接转矩控制系统的结构  36-38
  3.7 无刷直流电机直接转矩控制系统的 MATLAB 仿真  38-46
    3.7.1 参数的计算  38-39
    3.7.2 基于 MATLAB/SIMULINK 的仿真模型  39-43
    3.7.3 仿真结果分析  43-46
第四章 基于 lpc1766 的无刷直流电机控制系统设计  46-55
  4.1 控制系统的硬件组成  46-51
    4.1.1 主控电路  46
    4.1.2 电源电路  46-47
    4.1.3 霍尔磁极位置信号检测电路  47-48
    4.1.4 逆变电路及直流侧电流检测电路  48-49
    4.1.5 驱动电路  49-51
  4.2 控制系统的软件设计  51-55
    4.2.1 控制系统主程序  51-53
    4.2.2 子功能模块  53-55
第五章 总结与展望  55-57
参考文献  57-60
发表论文和科研情况说明  60-61
致谢  61-62

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电机 > 直流电机
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