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永磁无刷直流电机转矩脉动抑制的控制策略研究

冯翠萍  
【摘要】:永磁无刷直流电动机具有良好的机械特性和调节特性,调速范围宽,转矩大,结构简单、体积小、重量轻和高效节能等一系列优点,这一系列的优点使得它被广泛应用于传动系统和伺服驱动系统中,高性能的永磁材料比如稀土的出现,以其优越的磁性能和相对较低的价格,使得永磁无刷电机的开发和研究成为大家关注的热点,由于无刷直流电机转矩脉动,因此限制了其范围调速的宽度、位置的精确度以及速度控制方面的应用,因为永磁无刷电机存在定子电枢电感,换相过程中将不可避免产生转矩脉动,这已成为永磁无刷直流电机转矩脉动产生的重要因素,目前国内外研究的重点主要趋向于分析和抑制永磁无刷直流电机换相过程中产生的转矩脉动,针对永磁无刷直流电机运行与控制中存在的这些问题,探索全新的控制措施,进而到达抑制无刷直流电机在换相过程中转矩脉动的效果。 本论文首先介绍了永磁无刷直流电机控制系统的研究现状和发展趋势。先从永磁无刷直流电机的结构入手,分析了永磁无刷直流电机的运行原理以及运行特性。建立了无刷直流电机的数学模型,为新的控制策略提供了理论依据;详细分析了永磁无刷直流电机换相转矩脉动产生的原因,得出了转矩脉动的解析表达式。从永磁无刷直流电机的驱动过程讨论,分析了永磁无刷直流电机中几种比较常见的PWM调制方案对电磁转矩脉动的影响效果。分析了目前对国内外对换相转矩脉动抑制技术的一些成果,总结了一种全新的控制措施。采用PWM调制方法来控制三相定子电压,使关断相延迟,让关断相的电流变化平滑进行。与此与此同时,对非换相相以及导通相的电压采取控制措施,保证非换相的相电流不会发生变话,因此有效抑制永磁无刷电机的电流换相过程中产生的转矩脉动。在改进的控制措施的基础上,设计了使用数字信号处理器作为理论基础的永磁无刷直流电机的驱动系统的方案;分别进行硬件、软件的设计以及驱动系统的调试工作。比较了两种不同的控制方式对抑制转矩脉动的效果:120。导通型的方波驱动和改进过后的驱动策略,验证了新的方案对抑制换相转矩脉动有明显的效果,以及改善永磁无刷直流电机在低速运行区域的性能。 经实验验证,本文提出的无刷直流电机数字化控制策略正确、可行,控制系统硬件简单、可靠性高,控制系统具有良好的控制效果。论文所做的工作为无刷直流电机的广泛应用提供了一定的理论参考依据和工程实际方法。


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