基于软开关逆变器的无刷直流电机控制系统研究

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无刷直流电机由于具有结构简单、采用电子换向等特点,相比传统的直流电机具有诸多优势,应用范围也越来越广。但在无刷直流电机控制系统中,采用硬开关逆变器会产生较大的开关损耗与电磁干扰问题,因此本文将软开关技术用于无刷直流电机控制系统中,以减小硬开关模式下的开关损耗与电磁干扰问题。在将软开关技术应用于无刷直流电机控制之后,通过对谐振电路的深入分析,提出了通过谐振电路对电压进行调制的方法并进行了仿真与实验验证。首先,对无刷直流电机的数学模型进行了推导,给出了两两导通条件下电机的等效电路及无刷直流电机正反转条件下的逻辑换向表。之后对四种典型直流环节谐振型逆变器进行了分析对比,说明了PRDCLI2型软开关逆变器的优势。然后详细分析了该种软开关逆变器结构的工作原理与工作过程,并在负载电流恒定的条件下对其简化电路进行了仿真,验证了理论分析的正确性。其次,研究了控制时序变化对谐振过程的影响,包括电感充能时间及LS再次导通时刻对谐振过程的影响,得出了电感充能时间在大于阈值时能保证谐振电路正常工作的结论。之后分别讨论了LS的导通时刻变化、谐振元件参数变化及负载电流的变化对谐振过程的影响,论证了通过对辅助开关管控制时序的调节,可以保证参数在一定范围内变化时谐振电路仍能正常工作,简化了控制方法。研究了母线谐振凹槽的存在造成的输出偏差电压的大小,给出了偏差电压的补偿方法。再次,研究了软开关技术与无刷直流电机的控制相结合的方法,给出了桥臂开关管零电压通断的实现过程。推导了电机负载条件下的谐振电路工作过程,并与恒流源负载进行了对比,对零电压区间内电机的续流通路进行了说明。在上述基础上建立了基于软开关逆变器的控制系统仿真模型,对相关结论进行了仿真验证。然后提出了利用谐振电路调制母线电压控制无刷直流电机的方法,并对其进行了仿真验证以及对调制占空比的限制进行了相关推导与说明。最后,设计了控制电路和功率主电路的原理图,完成硬件电路的调试和软件程序的编写,实现了桥臂开关管的零电压通断,并对谐振电路调压的控制方法进行了实验验证。
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