无刷直流电机控制系统的设计与研究

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永磁无刷直流电机具有结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点,在当今国民经济各个领域得到了广泛的应用。本文阅读了大量的国内外文献,在研究了目前无位置传感器的无刷直流电机的控制系统的各种控制方法的前提下,分析了各种方法的利弊,最后选择了反电势法作为本系统的基本控制方法。反电动势过零点检测法是目前技术最成熟,实现最简单,应用最广泛的转子位置检测方法。这种方法用三相低通滤波器和电压比较器所组成的电子电路取代了传统的机械位置传感器,实现了转子位置信息的获得。 对于传统的无刷直流电机的数学模型进行改进。建立改进后的无传感器电机的数学模型。本文中采用状态方程的方法建立电机的动态模型。并在不同条件下对系统进行仿真,在改进后的无传感器的电机的数学模型的基础上,结合设计软件、硬件对控制系统进行仿真,检验控制方案的正确性。 抑制电磁干扰和降低转矩脉动方法的研究。在电路设计中采用频率特性好,稳定性高的电子元件,设计成低噪声稳压电路以抑制电磁干扰。无刷直流电动机中存大的转矩脉动问题,使电机无法实现更精确的位置控制和更高性能的速度控制。电机的齿槽效应及磁通畸变可引起转矩脉动,反电势的谐波,相电流换向也可引起的转矩脉动,因此在系统设计过程中采用相应的措施,降低转矩脉动。 在结合DSP控制器开发平台的基础上设计了无位置传感器的无刷直流电机的硬件控制电路。并对功率逆变器电路、功率驱动电路、电流、反电势检测电路进行了设计。系统采用TI公司TMS320LF2407作为控制芯片是专门为了电机控制和运动控制而设计的,其事件管理模块所内含的定时器、比较单元、捕获单元、积分编码脉冲电路使其拥有比较宽范围的电机控制应用场合。其应用优化的外围设备单元与高性能的DSP内核一起,使在大气层有类型电机的高精度、高效、全变速控制中使用先进的控制技术成为可能。系统主电路采用电力MOSFET模块作为开关元件构成逆变器,电网电压首先经过不可控整流,再由大电容滤波输出直流电压,经6个电力 MOSFET 开关为电机三相绕组供电,其实质是一种电流控制的电压源型交—直—交变频器。电力场效应晶体管的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小;第二个显著特点是开关速度快、工作频率高,电力 MOSFET 的工作频率在所有电力电子器件中是最高的。 针对电机的硬件控制电路设计了无传感器控制电机的软件电路。本系统采用速度环和电流环双闭环PID控制算法。电流环的主要作用是限制电机的最大电流,调节对象的动态结构,加快系统动态响应,减小因电网电压波动等环内因素引起的动态速变。通常调速系统要求稳态时电流环无静差,在动态过程中,电流环保证电枢电流不超过允许值,超调越小越好。从这两个角度出发,我们可将电流环设计成Ⅰ型系统,电流调节器采用PI调节器。速度调节器的主要作用是:使转速跟随给定值变化,稳态无静差;对负载变化起抗扰作用;输出限幅决定允许的最大电流。可将速度环设计成典型Ⅱ型系统。 综上所述,本文所提出和设计的控制方案的思路经理论分析、仿真证明是可行的,本文所研究的控制系统达到了设计任务的要求。该系统还具有结构简单、可靠性高等特点,具有广泛的应用前景。
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