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随着高性能永磁材料、微电子技术、自动控制技术和电力电子技术特别是大功率半导体器件的快速发展,永磁同步电机的应用范围也日益扩大。由于其调速性能优越,且体积小、重量轻、效率高、转动惯量小、不存在励磁损耗问题,因此在各个领域具有广阔的应用前景。永磁同步电机按其工作原理、驱动电流和控制方式的不同,可分为具有正弦波反电势的永磁同步电机(PMSM)和具有梯形波反电势的永磁同步电机,后者又称为直流无刷电机(BLDCM)。BLDCM和PMSM相比,具有明显的优越性,反馈装置简单,功率密度更高,输出转矩更大,控制结构更为简单。因此,直流无刷电机的应用和研究受到了广泛的重视,凭其技术优势在许多场合取代着其它种类的电动机。
本文首先论述了直流无刷电机基本工作原理,对中央处理单元DSP做了一个简单的介绍,重点介绍了TMS320LF2407ADSP控制器的特点。然后,详细阐述了本文的研究重点:基于反电动势法的无位置传感器换相检测,采用模糊控制方法减少输出转矩脉动的控制及如何减少逆变器输出谐波的方法。首先介绍了直流无刷电机转子位置检测的几种方法,然后通过比较它们的优缺点选择了反电动势过零检测的方法,进而说明并分析了反电动势过零检测原理和算法以及该算法的软件实现、软件滤波和相移修正、换相点的软件实现等过程。我们针对引起转矩脉动产生的主要原因一相电流换相引起的转矩脉动,研究和采用了一种模糊控制的电流控制器来控制非换相电流,从而达到减少换相引起的转矩脉动的目的。提出了一种两点式不对称规则SPWM的采样方法,不但具有规则采样法的可实时计算的确定性,更使其脉冲波形接近于自然采样法的脉冲波形,从而减少了逆变器输出谐波。硬件部分先做了整体设计的介绍,然后具体进行了几个主要环节的电路设计,电子元器件的选择原则和参数计算过程。软件部分首先给出了整体设计流程图,接着详细分析了软件实现方面的几个问题,进而讲述了几个主要子程序的设计,最后给出了数字控制系统的整体控制策略。
将本文的研究设计方案具体应用到一台实验用直流无刷电动机上,实验结果表明本文所设计的基于TMS320LF2407ADSP芯片的数字控制系统能够控制电机起动、调速且起动时间不超过3秒,而且很好地实现了实验电机的正确换相和稳定运行,本文设计的系统所对应的端电压波形平稳,其控制效果好。