基于DSPIC的无刷直流电机方波控制实现开题报告
2022-01-11 05:01
全文总字数：5250字
1. 研究目的与意义及国内外研究现状
| 1.1 目的
了解无刷直流电机[1]的基本工作原理，换相顺序及其数学模型；熟悉掌STM32单片机在电机控制上的运用；了解STM32并熟练基于STM32的硬件电路调试；学会编写方波控制程序完成电机运转及其他性能指标。 无刷直流电机的方波控制相对其他驱动方式操作简单，对于实验研究比较方便，相对于性能更好的的正弦波控制，其成本也是非常的低廉。希望能够在方波控制取得突破，结合其低廉简单的特点获得成功。
1.2 意义 无刷直流电机的特点是结构简单、运行可靠、维护方便。它又有传统直流电机控制简单、调速性能好、功率密度高、输出转矩大等特点[2]。因此，无刷直流电机在工业机器人控制、数控设备、纺织、化工等工业控制领域得到了广泛的应用。所以，对无刷直流电机及其控制方法进行系统、深入的研究有十分重要的意义。 无刷直流电机没有电刷和换向器[3]，故得其名。由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。作为电机行业的“新人”，虽然无刷直流电机进入中国的历史并不长，并且价格较有刷电机高，但由于无刷电机优势明显，发展势头可谓迅猛。进入中国以后，便迅速被家电、汽车、轮船和机械等行业所青睐，并在各个行业中占据一席之地，飞速发展。随着电力电子技术的发展，无刷直流电机的应用越来越广泛，如果能够改善方波控制的性能有着重要的经济价值和理论意义。
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国内外研究现状
近年来，国内外很多专家学者花费大把的精力去研究无刷直流电机及其控制，目的是为 了研究高性能的无刷直流伺服电机的控制系统，取得了很大的进步，但也还有很多需要有待深入研究的问题。
(1)电机本体设计[4]
无刷直流电机的绕组结构的设计一般参考交流电机，无刷直流电机的参数也是参照交流电机的公式计算出来的。这些计算公式是否需要修正，如何修正，目前有不少提出了猜想但是还没有人能说服所有人。无刷直流电机转子永磁体的放置形式也可以多种多样，磁场分布的实际情况又非常复杂，传统的等效磁路分析法有很多不足的地方。
(2)转矩脉动[5]
无刷直流电机控制存在的难题之一是转矩脉动，转矩脉动限制了速度控制精度和位置控制性能的进一步提升，比如在音响设备，电影机械中的无刷直流电机，要求电机能够运行平稳，尽可能减少噪声，因此抑制甚至消除转矩脉动成为提高系统性能的关键。转矩脉动为：纹波转矩脉动[6]，换流转矩脉动[7]，齿槽效应转矩脉动，枢反应转矩脉动。其中纹波转矩脉动是因为在电机的设计及其制作过程中，受接精度及其他条件的限制会产生纹波转矩脉动。无刷直流电机的电枢电流理论上为120的矩形波。此外，由于电机定子额齿槽效应也会产生齿槽效应转矩脉动。另外，电枢绕组流过的电流会产生的电枢反应磁势。这个磁势造成电机内部气隙磁场的畸变，从而也会引起电枢反应产生而转矩脉动。
针对以上问题，有研究学者提出把转矩闭环控制[8]的策略，比如DTC控制策略，来抑制转矩脉动，但这样会增加转矩检测的困难，提高系统的复杂程度。此外，还有力矩反馈法等方法可以在一定程度上消除转矩脉动。但不能从根本上消除转矩脉动，这一问题还有待于深入研究。
(3)控制算法
无刷直流电机是一个具有非线性、多变量、强耦合的被控对割[10]。对于这样一个复杂的系统，没有精确的数学模型，传统的PI很难达到理想的控制效果。因为在无刷直流电机控制系统中，PI简单易用，但在无刷直流电机控制系统中很难发挥它的作用。
随着控制理论的发展，近年来出现了很多先进的控制方法，比如变结构控制、智能控制等。这些先进控制理论的应用，大大提高了无刷直流电机控制系统的动静态性能。变结构控制的最主要特点是：结构简单、响应速度快、对控制对象参数变化依赖性不强。智能控制是近些年发展的一类新型控制策略，智能控制的主要特点是它有自学习、组织、以及适应功能，能够解决控制对象的数学模型不确定问题、非线性控制问题和其他一些比较复杂的问题。研究表明对于无刷直流电机这个控制对象，利用智能控制可以取得较满意的控制效果。模糊控制、专家系统、人工神经网络控制等是智能控制几种常见形式。
(4)抗干扰问题 目前，EMC[11]在很多工业现场得到了越来越多的关注。电子技术和电力电子技术中要特别注意EMC。无刷直流电机控制系统包括机械和电路两大部分，对于这样的系统，既要防止其对外界的抗干扰能力也要防止其对外界产生干扰和辐射。无刷直流电机控制器中包含强电驱动和弱电控制电路，特别是由于逆变器中的开关管的开关频率都很高，高的调制频率很容易导致电路受到外部的电磁干扰，随着电力电子设备本身功率容量和密度的不断增大，这个也会对电网产生谐波及污染周围的电磁场。无刷直流电机的抗干扰措施进行研究很有必要。一般的抗干扰措施有：强电驱动与弱电控制的完全隔离，考虑电路板中的布线，减小电路板的电磁辐射。
近年来很多专家学者都在致力于无刷直流电机的正弦波控制[12]相比方波控制，正弦波的优势也很明显，二种驱动方式的机械特性和转矩特性相接近 ,但运行平衡性、调速范围和噪声等则很不一样。正弦波驱动要好得多。但是其成本也是非常的高，所以本文将对成本较低，操作相对简单的方波控制进行研究。
2. 研究的基本内容
无刷直流电机的驱动方式一直是学者和专家们的热门研究对象，本文选择了操作简单成本低廉的方波驱动进行研究
1. 完成换相原理的驱动电路设计
2. 完成基于stm32单片机方波控制程序的编写
3. 实施方案、进度安排及预期效果
| 序号 | 工作进度 | 日期 | 预期效果 |
| 1 | 查找资料文献，设计需求分析 | 2.1-31 | 搜集需要文献，完成设计分析，采购实验所需材料 |
| 2 | 系统总体设计 | 3.2-3.16 | 完成设计STM32外围电路、驱动电路以及检测与保护等硬件电路 |
| 3 | 软件，硬件具体设计 | 3.17-4.1 | 完成基于STM32单片机方波控制程序的编写以及硬件电路调试 |
| 4 | 仿真与测试 | 4.2-4.16 | 在分析无刷直流电机数学模型的基础上，在MATLAB／SI下对系统进行仿真研究 |
| 5 | 论文撰写 | 4.17-5 | 完成试验后结合实验结果完成论文撰写 |
| 6 | 论文修改 | 5-答辩前 |
通过导师了解并结合实验不断完善论文观点
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| 7 | 毕业设计答辩 | 五月底 | 完成论文答辩，结束大学论文毕业设计 |
4. 参考文献
| 5、已查阅参考文献： |
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[1] 芮涛.泵用无位置传感器直流无刷电动机驱动研究[D]华中科技大学，2012 [2] 陶桂林.大功率永磁无刷直流电机及其系统研究[D]华中科技大学，2004 [3] 余莉.高速永磁无刷直流电机性能分析与设计的研究[D]东南大学，2007 [4] 谢俊.基于DSP的无刷直流电机控制系统的设计与仿真研究[D]武汉理工大学，2010 [5] Jayetileke H, Mel W R D, Ratnayake H U W. Modelling and Simulation Analysis of the Genetic-Fuzzy Controller for Speed Regulation of a Sensored BLDC Motor Using MATLAB/SIMULINK[C]// IEEE, International Conference on Industrial and Information Systems. IEEE, 2017. [6] 李自成.无刷直流电机无位置传感器控制关键技术研究[D]华中科技大学，2010 [7]殷云华．基于DSP的无刷直流电机控制系统的设计和仿真研究 [D]．太原中北大学 [8] Gurumurthy S R, Agarwal V, Sharma A. A Novel Dual-Winding BLDC Generator–Buck Converter Combination for Enhancement of the Harvested Energy From a Flywheel[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2016, 63(12):7563-7573. [9] Jagadeeshwaran A, Vijayshankar S, Kannan N, et al. Limited angle BLDC for scan mirror application in space satellite system[J]. IEEE Aerospace Electronic Systems Magazine, 2016, 31(6):24-32. [10]李文．集成化无刷直流电机及其控制系统设计与研究 [D]．武汉理工大学，2009 [11]何锦权．基于泛布尔代数的永磁同步电机控制策略的研究 [D]．武汉理工大学，2009 [12] 雷波．永磁同步电机控制策略研究及仿真[D] ．武汉理工大学，2008 [13]庞向坤．基于DSP的无刷直流电机实验系统的研究与设计 [D]．济南山东大学，2008 [14] Chern T L, Pan P L, Chern Y L, et al. Sensorless speed control of BLDC motor using six step square wave and rotor position detection[C]// Industrial Electronics and Applications. IEEE, 2014:1358-1362. [15] 乔瑞芳．基于DSP的无刷直流电动机控制系统的研究与设计 [D]．长春吉林大学，2006 [16] Kim D, Noh M D, Park Y W. Unbalanced Magnetic Forces Due to Rotor Eccentricity in a Toroidally Wound BLDC Motor[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2016, 52(7):1-4. [17] 张琛．直流无刷电动机原理及应用 [M]．北京机械工业出版社，2004 [18] 李永东．交流电机数字控制系统[ M] ．北京机械工业出版社，2002 [19] Park J K, Wellawatta T R, Ullah Z, et al. New Equivalent Circuit of the IPM-Type BLDC Motor for Calculation of Shaft Voltage by Considering Electric and Magnetic Fields[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2016, 52(5):3763-3771. [20]唐任远．现代永磁电机理论与设计[M] ．北京机械工业出版社，1997 王维俊，江渝等．TMS320LF240xDSC语言开发应用[M] ．北京：北京航空航天大学出版社，2003 [21] Jeong C L, Jin H. A Novel Proposal to Improve Reliability of Spoke-Type BLDC Motor Using Ferrite Permanent Magnet[C]// Energy Conversion Congress and Exposition. IEEE, 2016:3814-3821. [22] Lee T Y, Seo M K, Kim Y J, et al. Motor Design and Characteristics Comparison of Outer-Rotor-Type BLDC Motor and BLAC Motor Based on Numerical Analysis[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 26(4):1-6. |
