无刷直流电机转矩脉动抑制的研究

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无刷直流电机,既保持了传统的直流电机优越的调速性能,又解决了传统直流电机固有的机械换相和电刷所引起的一系列问题,因此在现代社会各个领域有广泛的应用。
  无刷直流电机在两相120°导通模式下,由于电流换相导致的转矩脉动最高可以达到转矩输出平均值的50%。换相转矩脉动产生的原因主要是因为电枢电感的存在导致换相时开通相的电流上升速率与关断相电流的下降速率不一致,引起的非换相相的电流波动,导致输出转矩脉动。
  研究和解决永磁无刷直流电机换相转矩脉动的问题,成为国内和国外永磁无刷直流电机领域的重点和难点,常用的抑制转矩脉动的方法有重叠换相法、滞环电流法、PWM斩波法、电流预测控制。
  本文针对低成本的无位置传感器的无刷直流电机转矩脉动抑制进行了研究。首先分析无刷直流电机的原理及工作特性,其次建立无刷直流电机的数学模型和仿真模型,以此作为抑制策略的理论依据,分析多个常用无刷直流电机换相时PWM调制控制方式,最后采用了端电压检测法抑制换相时转矩脉动。此方法的关键是测量换相持续时间,得到精确地换相时间后才能在换相时间段内应用计算出来的换相期间的PWM占空比替代换相前的占空比,换相结束后,要立恢复成换相前的占空比。此方法根据测量到的端电压值与直流母线电压值的一半做差,经过过零比较器比较后,根据比较器的输出确定换相持续时间。根据换相时和非换相时非换相相的端电压表达式推导出换相时的PWM的占空比,以此占空比作用到换相时间段内,减少转矩脉动。仿真结果表明应用此方法可以有效的抑制换相期间的转矩脉动,未使用此方法时相电流波形中的电流尖峰,在抑制之后明显消除,相电流波形更接近于方波,验证了端电压检测法对换相转矩脉动抑制的有效性。基于FPGA芯片完成了系统功能模块的设计,实现了端电压检测、换相信号生成、换相PWM占空比计算等各个模块程序的功能。完成了无刷直流电机转速检测系统设计,并进行了硬件实验调试,给出实验结果。通过本文的分究,不仅为无刷直流电机的运行性能的提高奠定了理论基础,也提出了在转矩脉动抑制中存在的问题和难题,为下一步的研究指出了方向。
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