高速空心杯电动机控制技术研究

作     者：李建宁 

作者单位：山东理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘剑

授予年度：2023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：空心杯电机 无位置传感器控制 PWM调制 换相误差 换相校正 

摘      要：空心杯电机是一种高速、高精度的电机,凭借其响应速度快、功率密度高、运行平稳、伺服性能好的特点,使其在军事、航空航天、医疗器械、自动化设备等高速、高精度的场合中得到了广泛的应用。在空心杯电机控制系统中换相误差会制约控制系统性能,并使电机的精度和稳定性下降,另外转矩脉动也会对电机运行的稳定性造成影响,为了提升空心杯电机控制系统的性能,本文在空心杯电机无位置控制的基础上对电机的换相误差和转矩脉动抑制进行研究。首先,介绍了高速空心杯无刷电机的结构,深入分析空心杯无刷电机的基本原理,并构建其数学模型,介绍六步法控制方法、反电势检测法、转子启动方法以及速度调制方式在内的电机控制相关步骤,分析了电机换相误差的来源。针对空心杯电机无位置控制问题,采用三段式的空心杯电机无位置控制方法,最后对高速空心杯电机无位置控制系统进行仿真分析。其次,对空心杯电机无位置控制系统的实验平台进行搭建,设计控制系统的硬件电路并详细分析了软件算法的实现过程,为后续验证本文所提的控制策略的有效性打好基础。再次,详细分析不同PWM调制方式下非导通相的续流情况,在考虑了非导通相换相续流、开关损耗和转矩脉动影响后最终选择PWM-ON-PWM的功率电路驱动方式,并对其实现方法进行研究,设计了换相角度细分程序,并通过实验验证了该程序的正确性。最后,针对高速空心杯电机高速运行中因为滤波采样电路、软硬件延迟、采样延迟引起的换相误差问题,提出一种基于母线电流积分的自适应换相校正策略,以母线电流在一个导通周期的前后半个周期的电流积分值相等为目标,将电机的母线电流积分值作为反馈信号对换相角度进行闭环补偿,并通过实验进行了验证。该换相校正策略只需对电机的母线电流进行检测,不依赖于任何电机参数。