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高效无刷直流电机控制系统的设计与研究

作　者: 杨奎滨
导　师: 唐任远；陈丽香；朱建光
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 电气工程
关键词: 无刷直流电机 MC33035 效率优化 FPGA
分类号: TM33
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


目前,水泵是广泛应用于我国国民生产和生活中最主要的耗能设备之一,其耗电量约占全国总发电量的20%。对于能源危机日益严峻的今天,通过提高水泵电机的运行效率来降低能耗,对我国“十二五”规划中提出的节能减排目标具有重要意义。本课题以沈阳工业大学特种电机研究所的“新型二次供水设备研制及产业化”项目为工程背景,采用控制简单、调速方便和效率高的无刷直流电机驱动水泵,研究高效无刷直流电机控制系统,并对其进行效率优化,旨在提高控制器与系统的效率。本文主要内容如下:首先,设计了一套额定功率为4.5kW,额定转速为3000r/min无刷直流电机的控制器,采用成本低、控制简单和便于实现的专用芯片MC33035为控制核心,完成了外围硬件电路的设计和改进,对设计完成的控制器进行了试验验证,系统的性能基本达到了项目高效节能的要求。其次,分析和计算了无刷直流电机控制系统的损耗,并从开关频率、PWM调制方式、霍尔传感器位置和换流超前角这四个方面对无刷直流电机系统进行了效率优化。经过分析选优,确定了无刷直流电机系统的最佳开关频率、最优PWM调制方式、霍尔元件的最佳换相位置和最佳换流超前角。最后,为了进一步实现无刷直流电机控制系统的高效,在第一套控制器的基础上开发了一套基于现场可编程门阵列(FPGA)的无刷直流电机控制系统。完成了相关硬件电路的设计,并用HDL语言进行了模块电路设计。搭建了试验平台对无刷直流电机的控制器进行试验验证,系统的性能满足项目的预期要求:高效、节能、稳定性好。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-21
  1.1 课题的背景及意义  10
  1.2 课题的国内外研究现状  10-19
    1.2.1 BLDCM 控制器的研究现状  10-14
    1.2.2 BLDCM 驱动策略的研究现状  14-19
  1.3 课题的研究内容  19-21
第二章 基于MC33035 的无刷直流电机控制系统的设计  21-32
  2.1 控制器的总体设计方案  21
  2.2 控制电路的设计  21-25
    2.2.1 MC33035 最小系统  21-22
    2.2.2 霍尔信号接口电路  22-23
    2.2.3 过流检测电路  23-24
    2.2.4 故障信号检测电路  24-25
  2.3 驱动电路的设计  25-26
  2.4 开关电源  26
  2.5 试验及结果分析  26-30
  2.6 本章小结  30-32
第三章 无刷直流电机控制系统的效率优化  32-44
  3.1 BLDCM 控制系统的损耗分析  32-34
    3.1.1 整流电路的损耗分析  32-33
    3.1.2 逆变电路的损耗分析  33-34
  3.2 BLDCM 控制系统的效率优化  34-43
    3.2.1 开关频率对BLDCM 控制系统的影响  34-35
    3.2.2 PWM 调制方式对BLDCM 控制系统的影响  35-38
    3.2.3 霍尔传感器位置的偏移对BLDCM 控制系统的影响  38-42
    3.2.4 换流超前角γ对BLDCM 控制系统的影响  42-43
  3.3 本章小结  43-44
第四章 基于FPGA 的无刷直流电机控制器的设计  44-53
  4.1 基于FPGA 的BLDCM 控制系统的硬件设计  44-47
    4.1.1 位置信号采样电路  45-46
    4.1.2 电流采样电路  46
    4.1.3 A/D 转换电路  46-47
  4.2 基于FPGA 的BLDCM 控制系统的模块电路设计  47-52
    4.2.1 PI 调节器模块  48
    4.2.2 PWM 模块和换相模块  48-49
    4.2.3 测速模块  49-50
    4.2.4 数字RC 滤波模块  50-51
    4.2.5 脉冲干扰滤波器模块  51-52
    4.2.6 前馈模块  52
  4.3 本章小结  52-53
第五章 试验结果分析  53-61
  5.1 转速稳定性分析  53-56
  5.2 效率分析  56-60
  5.3 本章小结  60-61
第六章 结论  61-62
参考文献  62-64
在学研究成果  64-65
致谢  65

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电机 > 直流电机
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