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无刷直流电机控制策略的研究

作　者: 李运德
导　师: 张淼
学　校: 广东工业大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 无刷直流电机 PID控制滑模变结构控制自抗扰控制方波驱动正弦波驱动转矩脉动
分类号: TM33
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

无刷直流电机是一种典型的机电一体化产品,它以电子换向取代机械刷和机械换向器,技术上要优于有刷电机。由于无刷电机没有电刷和机械换向器,降低了电机磨损的不可靠性,减小了电刷与换向器接触的机械噪声。采用微处理器控制技术,它的效率比有刷电机提高了15～20%,并且寿命提高了大概6倍。随着电力电子技术、现代控制理论、新型永磁材料的迅速发展和功率组件切换频率的加快,无刷直流电机及其控制技术已有了突破性的进展。这种电机的机械特性和调节特性的线性度好,有着性能可靠、故障率低、空载电流小、调速范围广、体积小、维护方便、噪声小等优点,不存在因电刷而引起的一系列问题,所以这种电动机在控制系统中有很大的应用潜力。本文首先介绍了无刷直流电机的特点、发展及研究意义,国内外的研究现状及分析,课题的主要研究内容和主要研究目标等。其次,详细描述了无刷直流电机的基本结构与工作原理、数学模型及其运行特性,包括无刷直流电机的启动特性、工作特性、调速特性和机械特性。再次,论述了无刷直流电机的几种控制策略,以及这几种控制器的设计,并分析比较控制方法各自的优缺点。然后,对非理想反电动势的无刷直流电机分别进行方波电流和正弦波电流两种驱动方法的分析,和对电机运行过程中存在的转矩脉动等问题进行研究,并得出在非理想反电动势情况下采用正弦波电流驱动无刷直流电机能更有效地抑制转矩脉动。为了证明理论分析的合理性,本文利用MATLAB/Simulink软件进行仿真和搭建实验平台来验证。通过Simulink软件仿真,分别对PID控制、滑模变结构控制和自抗扰控制三种控制策略进行分析,以及方波电流和正弦波电流驱动电机运行的转矩脉动研究。另外,还搭建试验系统,包括硬件设计和软件设计以及软硬件的抗干扰设计,对无刷直流电机的控制系统进行实验研究。在硬件电路的实现中,本文设计了电源电路、时钟电路、复位电路、控制电路、驱动电路以及保护电路等；软件程序主要是在集成开发环境(CCS)里设计,包括主程序设计、中断子程序设计和软件抗干扰设计等。通过软件仿真和搭建系统实验得出结论,结果表明本文在无刷直流电机控制系统中所研究的方法是正确的和有效的。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
第一章绪论  14-19
  1.1 课题背景  14-16
    1.1.1 无刷直流电机的特点、发展及研究意义  14-15
    1.1.2 国内外研究现状及分析  15-16
  1.2 课题主要研究内容  16-17
    1.2.1 控制策略  16
    1.2.2 转矩脉动  16-17
    1.2.3 电磁干扰  17
  1.3 课题主要研究目标  17
  1.4 论文的主要内容  17-18
  1.5 本章小结  18-19
第二章无刷直流电机的工作原理及数学模型  19-28
  2.1 无刷直流电机的基本结构和工作原理  19-22
    2.1.1 无刷直流电机的基本结构  19-20
    2.1.2 无刷直流电机的工作原理  20-22
  2.2 无刷直流电机的数学模型  22-23
  2.3 无刷直流电机的运行特性  23-27
    2.3.1 无刷直流电机的启动特性  24-25
    2.3.2 无刷直流电机的工作特性  25-26
    2.3.3 无刷直流电机的调速特性  26
    2.3.4 无刷直流电机的机械特性  26-27
  2.4 本章小结  27-28
第三章无刷直流电机的控制策略及其仿真  28-48
  3.1 无刷直流电机的调速控制  28-30
    3.1.1 开环调速控制  28-29
    3.1.2 双闭环调速控制  29-30
  3.2 无刷直流电机的控制策略  30-45
    3.2.1 PID控制及仿真  30-34
    3.2.2 滑模变结构控制及仿真  34-40
    3.2.3 自抗扰控制及仿真  40-45
  3.3 三种控制方法的优缺点分析  45-47
    3.3.1 PID控制分析  45-46
    3.3.2 滑模变结构控制分析  46-47
    3.3.3 自抗扰控制分析  47
  3.4 本章小结  47-48
第四章正弦波驱动无刷直流电机的转矩脉动研究  48-66
  4.1 无刷直流电机的方波驱动分析  48-58
    4.1.1 齿槽转矩脉动  48-49
    4.1.2 换相转矩脉动  49-58
  4.2 无刷直流电机的正弦波驱动分析  58-60
    4.2.1 正弦波控制原理  58-59
    4.2.2 正弦波驱动分析  59-60
  4.3 转矩脉动分析  60-65
    4.3.1 方波电流驱动的转矩脉动分析  60-62
    4.3.2 正弦波电流驱动的转矩脉动分析  62-63
    4.3.3 转矩脉动系数  63-65
  4.4 方波和正弦波驱动的仿真实验  65
  4.5 本章小结  65-66
第五章无刷直流电机控制系统的硬件和软件设计  66-80
  5.1 TMS320LF2407A芯片简介  66
  5.2 硬件电路的实现  66-75
    5.2.1 电源、时钟及复位电路  66-69
    5.2.2 控制电路  69
    5.2.3 驱动电路  69-72
    5.2.4 保护电路  72-74
    5.2.5 电磁抗干扰设计  74-75
  5.3 软件程序设计  75-79
    5.3.1 主程序设计  75
    5.3.2 中断子程序设计  75-77
    5.3.3 软件抗干扰设计  77-79
  5.4 本章小结  79-80
第六章无刷直流电机控制的实验结果  80-86
  6.1 实验平台  80-82
  6.2 实验结果  82-83
  6.3 实验结果的比较与分析  83-85
  6.4 本章小结  85-86
结论和展望  86-87
参考文献  87-92
攻读硕士学位期间所发表的论文  92-94
致谢  94

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