无绳吸尘器高速单相无刷直流电机控制系统的研究与开发

作     者：郑建梅 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘建群;王溢清

授予年度：2022年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：永磁单相无刷直流电机 高速电机 不均匀气隙 吸尘器 提前换向 

摘      要：相对于三相无刷直流电机,单相无刷直流电机的应用领域少一些,但在某些场合,单相无刷直流电机有着独特的优势。与多相无刷直流电机相比,单相无刷直流电机的机械结构更简单,生产成本更低廉,故在一些对电机控制精度要求较低的产品上,具有不错的应用价值。本文根据吸尘器企业的实际需求,为用于手持式无绳吸尘器的一款单相无刷直流电机设计控制系统,该电机在吸尘器中作为风机使用。课题要求控制系统能使该电机带动风叶以超高转速稳定运行,最大转速超过每分钟10万转,为吸尘器提供强大吸力;电机转速分级可调,以满足不同工作场景的使用要求;电机运行时的振动和噪声较小,提升用户体验;系统能安全可靠地运行,出现任何异常情况时能及时地停机报警。基于以上需求,本文主要研究工作如下:首先,分析了永磁单相无刷直流电机的工作原理。针对单相电机具有起动死点的问题,电机的气隙被设计成不均匀的结构,使得电机静止时具有一个偏心转矩,转子可以成功起转。分析单相无刷直流电机各组成部分的工作原理,研究单相无刷直流电机的工作过程。推导了电机的简化数学模型,为电机控制策略的制定建立理论基础。其次,对单相无刷直流电机的换向策略进行了研究和分析。本课题设计的电机系统具有三种速度模式,分别是高速模式、中速模式和低速模式,根据不同的速度模式,需要采用不同的控制策略。在高速模式时,由于传统的单相无刷直流电机的控制方式不能满足用于无绳吸尘器的高速电机的性能要求,本文提出了一种将提前换向和关断续流相结合的控制方法,使电机的转速突破了100000r/min。针对电机在中低速模式运行时,会产生大电流尖峰的问题,提出了一种在绕组导通区间内插入一段短续流区间的方法来平缓电流波形,减小电机运行时的转矩波动。再次,设计了永磁单相无刷直流电机的硬件方案。基于电机系统的功能需求完成了硬件系统的总体设计和芯片选型。根据硬件系统的总体设计分别设计出电源电路、程序下载与复位电路、H桥逆变电路、电流采样电路、霍尔信号检测电路、电流放大及过流保护电路等各个电路模块,完成电机控制系统硬件电路的开发。然后,设计了永磁单相无刷直流电机的软件方案,对电机系统的各个功能模块进行了软件开发。根据高、中、低三种速度模式下电机运行的特点,对相应的电子换向流程进行了设计。通过固定导通角,对超前角进行PI调节的方式实现恒功率,保证电机系统在电压和负载动态变化的情况下仍能维持恒定的输出功率。为了优化电机的起动性能,设计了以低占空比的PWM起动电机的控制方式,使电机先以较低的电流和转速起动,电机起动成功并稳定运行一段时间后再切换控制策略进入不同的速度模式。最后,搭建了实验平台,对设计完成的电机系统进行了各项测试。对使用低占空比的PWM起动电机的控制方式进行了实验,证明了该起动方式能够以较小的电流安全可靠地起动电机;对电机的恒功率控制策略进行了实验,证明了电机在各速度模式下均能以设计好的恒定功率稳定运行,恒功率控制效果良好;将设计完成的电机系统安装进吸尘器中,对吸尘器整机性能进行测试,实验结果表明,本文研究的电机系统,应用于吸尘器时,能为吸尘器提供强大的吸力,其各项性能达到了商用标准。