基于DSPIC的无刷直流电机方波控制实现开题报告

2022-01-11 17:42:42

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。

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

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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
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：

[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

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[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

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[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

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[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

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[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.

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