基于DSP无刷直流电机控制系统的设计与仿真送审稿

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1、中图分类号：密级：看到顶上显示的那个横杠了吗,那是表格下的一根线,因为对WORD2007不熟,所以要麻烦你帮忙给弄掉,谢谢,请注意千万不要影响到其他地方UDC：本校编号：硕 士 学 位 论 文论文题目：基于DSP无刷直流电机控制系统的设计与仿真研究生：_学校指导职称：申请学位等级：专业：论文提交日期： 论文答辩日期：独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含获得 交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了

2、明确的说明并表示了意。学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解 交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权 交通大学可以将学位论文的全部或部分容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。的学位论文在解密后适用本授权说明学位论文作者签名： 导师签名：签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 硕 士 学 位 论 文基于DSP无刷直流电机控制系统的设计与仿真BLDC Motor Control System Designand Simulation Based

3、 on DSP作 者 姓 名：学科、专业 ：学 号 ：指 导 教 师：完 成 日 期：兰 州 交 通 大 学Lanzhou Jiaotong University57 / 68摘 要无刷直流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等诸多优点,使其在当今众多高新尖科技领域中获得了良好的应用前景。本文主要研究以下几个方面：如何实现无刷直流电机控制系统平稳起动,如何基于微控芯片DSP进行无刷直流电机硬件控制系统设计以及无刷直流电机仿真技术的研究与实现。本文对永磁无刷直流电机的基本结构、工作原理、数学模型等进行深入分析,并对目前无刷直流电机常用的控制方法进行比较和分析,确定了以脉宽调制PWM技术方法为控制无

4、刷直流电机控制原理；根据控制系统的控制性能要求及无刷直流电机的特点确立以TMS320F2812控制芯片作为整个硬件系统的控制核心,利用TMS320F2812芯片产生的PWM波实现对无刷直流电动机的控制,使控制系统具有良好的调速性能、实现快速起动、系统稳定且具有较宽的调速围等优点。不但简化了控制系统的外围设备、有效地降低了系统的功耗,而且提高了系统的准确性和实时性,获得了更好的控制效果,具有广泛的应用围。然后,本文根据该设计方案完成了整个控制系统的硬件和软件设计工作。文中详细阐述了TMS320F2812的最小系统及其外围电路等多个电路的设计,并以CCS 3.3为软件调试平台,从无刷直流电机控制思

5、想出发,采用模块化编程,分别对系统的主程序、子程序以及控制算法进行了设计与说明。在进行无刷直流电机控制系统仿真技术研究中,详细阐述了模糊控制算法及模糊推理过程、模糊-PID控制器的设计步骤及使用对象；针对无刷直流电机多变量、时变性、非线性以及强耦合特性等,为了提高无刷直流电机的控制性能,提出了基于模糊自适应PID控制方案与基于微粒群优化算法的自适应模糊PID控制方案两种设计方面。同时,详细介绍了基于群体智能的优化算法,该算法具有算法简洁、易于实现等优点,能够在实现复杂的解空间中寻找最优解优点。文中对如何将PSO算法实现于模糊控制器的优化设计进行原理阐述,使控制系统能够在线自动调整模糊控制器的量

6、化因子、和比例因子,进而调整PID的三个参数称、较好地实现系统快速、无超调的动态性能。在MATLAB/SIMULINK环境下采用模块建立无刷直流电机功能模块,主要由无刷电机模块、PWM波调节模块、PSO算法S函数编写、模糊PID控制模块等部分组成；再进行功能模块的有机结合,搭建了无刷直流电机系统的仿真模型。仿真结果证明了基于PSO参数自整定模糊-PID控制的有效性,同时验证了该方法具有响应速度更快、超调更小、稳定性及跟踪性能强的特点,明显优于传统的PID控制和自适应模糊PID控制算法。这样既验证了控制算法理论的合理性,又节约了成本,缩短了产品的开发周期,为无刷直流电机控制的设计开发提供了较好的

7、方法。关键词：模糊PID控制器；DSP控制系统设计；PSO算法；无刷直流电机论文类型：应用研究AbstractBrushless DC motor does not only have simple structure,reliable operation,easy maintenance advantages,but also is same as DC motor has high efficiency,no excitation loss and speed performance advantages,has good application prospects in the fiel

8、d of science and technology. This article studies the following aspects：how to implement a brushless DC motor control system smooth start,how to design brushless DC motor control system of hardware based on microcontroller chip DSP and implement simulation technology of brushless DC motor.First,lear

9、ning the permanent magnet brushless DC motors basic structure,working principle,mathematical modeling and so on,and analyzing the current control methods of brushless DC motor commonly used. Also to determine the pulse-width modulation methods for the control of brushless DC motor control theory. Ac

10、cording to the control performance requirements and the characteristics of brushless DC motor,control-chip TMS320F2812 is selected as the entire hardware system control center. TMS320F2812 chip provides PWM wave to control the brushless DC motor. So the system has many advantages, such as good speed

11、 performance,starting fast and stable,wide speed ranges. Its not only simplifies the system peripherals,reducing system power consumption, but also improve the systems accuracy and timeliness,get better control effect,expand the range of applications. And complete the entire control system hardware

12、and software design.Elaborate on TMS320F2812 minimum system and its peripheral circuit design. Select CCS 3.3 as software debugging platform. Use modular programming to control brushless DC motor. Design and instruct the main program of the system,subroutines and control algorithm respectively. Desc

13、ribe the process of fuzzy inference of fuzzy control algorithm in detail in the brushless DC motor control system simulation technology,fuzzy PID controller design procedure and the use of objects. Brushless DC machines have the characteristics of multiple variables,time-varying, nonlinear,strong co

14、upling. Propose two kinds of scheme to improve the performance of brushless DC motor control. One is based on fuzzy adaptive PID control,and the other is based on particle swarm optimization of the adaptive fuzzy PID control.Elaborate on swarm intelligence optimization algorithm,the algorithm is sim

15、ple and easy to implement,in the realization of complex solution space to find the optimal solution benefits. Expound the principles of using PSO algorithm to optimize the fuzzy controller design. The control system can automatically adjust the fuzzy controller online quantization factor 、and scale

16、Factor . Then adjust the three parameters of PID to achieve better system quickly and dynamic performance without overshoot. Build brushless DC motor function modules by module in MATLAB/SIMULINK environment. There are mainly brushless DC motor module, PWM wave adjustment module,writing S function o

17、f PSO algorithm,fuzzy PID control module and other components. Link functional modules to build a brushless DC motor system simulation model. Simulation results prove the effectiveness of the PSO-based parameter self-tuning fuzzy PID control,and verify the method is better than traditional PID contr

18、ol and adaptive fuzzy PID the former control algorithm. Also the new method has advantages,such as faster response,smaller overshoot,stability and strong tracking performance. This will not only verify the reasonableness of the theory of the control algorithm,also can shorten the development cycle a

19、nd save cost. Provide a good development methodology for the development of brushless DC motor control algorithms.Key Words：Brushless DC motor, Fuzzy PID controller, SP control system design, PSO algorithm目 录摘要IAbstractIII1绪论11.1 论文的背景及意义81.1.1课题研究的背景81.1.2电机的发展及其意义81.1.3 MATLAB仿真的意义21.2 国外研究现状及分析21

20、.3论文研究所做的主要工作42 永磁无刷直流电机工作过程分析52.1 永磁无刷直流电机的基本结构52.2 永磁无刷直流电机的工作原理62.3 永磁无刷直流电机数学模型的确定82.4 永磁无刷直流电机控制方案选择与确定112.4.1 调速系统的分类112.4.2 控制算法的确定122.4.3 主要控制模块的比较选择122.5小结133 基于DSP的直流电机系统控制方案设计143.1 控制系统总体结构143.1.1 硬件总体构成153.1.2 软件总体构成153.2 转子位置检测方案的选择163.3 起动方法的选择173.4 PDM调制方法的选择183.4.1 相电压控制PWM183.4.2 硬件

21、调制法193.4.3 软件生成法193.4.4 梯形波与三角波比较法193.5小结194 无刷直流电机控制系统的硬件及软件设计204.1 概述204.2 基于DSP无刷直流控制系统总体硬件框图204.3 TMS320F2812 DSP最小系统及其外设电路的设计214.3.1 TMS320F2812简介214.3.2 DSP最小系统级外围电路设计244.4 驱动电路的设计284.4.1 驱动芯片简介284.4.2 基于IR2130芯片驱动电路的设计284.5 显示电路的设计294.6 控制系统软件设计304.6.1 系统软件总体结构图设计304.6.2 主程序设计314.7 控制系统各子系统设计

22、324.7.1 AD采样程序设计324.7.2 定时器中断程序设计334.7.3 更新比较值或换相子程序344.7.4 基于TMS320F2812 DSP控制电机算法的实现344.8 小结355 无刷直流电机的控制系统建模与仿真365.1 无刷直流电机控制系统的仿真模型365.2常规的模糊PID控制系统365.2.1模糊控制系统的组成375.2.2模糊PID控制器的结构设计375.3基于自适应模糊算法的PID控制器设计385.4 运用微粒群算法实现自适应模糊HD控制器的优化395.4.1微粒群优化算法概述395.4.2基本微粒群算法405.4.3改进的微粒群优化算法405.4.4基于惯性权重和

23、分段时变学习因子的PSO算法405.5基于粒子群算法的模糊控制方法优化分析425.5.1微粒群算法对模糊隶属度函数优化分析425.5.2微粒群算法对模糊控制规则优化435.6微粒群算法优化的自适应模糊PID控制器仿真445.6.1程序描述445.6.2隶属度函数的确定455.7微粒群算法对模糊PID优化的设计495.7.1微粒群算法对模糊控制器参数自调整的实现505.7.2 MATLAB仿真结果分析535.8小结56结论57致58参考文献59附录系统硬件电路图621绪论1.1 论文的背景及意义1.1.1课题研究的背景直流电机是一种把电能转换成机械能的装置,已广泛用于国民经济和人们的生活中。尽管

24、直流电机具有工作效率高、调速性能好等诸多优点,但在实际应用中,它的很多的缺陷也是不容忽视的。导致这种结果的原因是多方面的,但主要的原因还是因为电刷的存在。这种机械换向的结构会给系统带来很多不利的影响,如换向时摩擦产生的电火花、外界电磁干扰等,这种装置还导致电机在保养和维修方面的不便和较高的费用。这些不利因素极制约了通用型直流电机在实际生产实践中的推广与应用。随着电力电子技术的发展以及新型电机材料的开发应用,永磁无刷直流电机得到了空前的发展。在这些研究成果中,对电机的发展带来革命性突破的是用钕铁硼等永磁材料来代替外加励磁、用半导体器件代替电机电刷 1。电机的转子是用永磁体制作而成,它为无刷直流电

25、机提供主磁场,而电枢绕组在定子上的安装方式有很多的形式可供选择。控制电路在电机控制系统中扮演着指挥官的角色,本文设计的直流电机控制系统采用电子开关电路作为电机的驱动电路,控制系统把传感器反馈的信号与指令信号进行逻辑综合,把处理后的指令发给驱动器,进而激励电机转子转动起来。1.1.2电机的发展及其意义在十九世纪中期,直流电动机逐渐替代其它类型的电机在工业生产中得到运用。在接下来的较长时间里,直流电机凭借着调速性能好、控制简单、体积小、性价比高等优点在工业领域得到重视与发展3。按照时间顺序,可以把直流电机的发展分为四个阶段：第一个阶段：理论阶段。1917年,Boligen等人尝试用整流管代替普通电

26、机的电刷,这样做的目的是为了实现对电机的无刷控制。但由于当时大功率电子器件还不成熟,使得这种无刷控制技术只能停留在理论阶段。第二个阶段：诞生阶段。1955年,无刷直流电机技术的瓶颈终于被攻克,设计者D.Harrison等科学家依托晶体管电子开关技术的发展和不断成熟,使得无刷控制在电机控制中得以实现。但那时,受到启动转矩问题的制约,使得无刷电机无法产品化。第三个阶段：应用阶段。从1978年起,无刷直流电机逐渐运用到工业生产中,这种实质性的发展也是依赖于电子技术、永磁材料等以及电机相关领域技术的发展而得以实现的,使得无刷直流电机更具实用性。第四个阶段：智能化发展阶段。低成本、高频化、高智能、微型化

27、、大容量是这个时期电子产品的显著特点；在这个时期,永磁材料钕铁硼的性能也得到了很大程度的优化 2,在这个背景下,BLDCM的应用和发展也朝着大功率和微型化的方向迈进。1.1.3 MATLAB仿真的意义信息科学技术发展迅速,用于研发、测试的仪器更新速度不断加快,随着技术含量的提高,价格也越来越贵。但并不是所从事研究与开发的工程技术人员都有与研究领域相适应的进程相应的仪器设备。计算机可以用于大部分电子工程2。采用计算机仿真的这种方法的优势在于它可用虚拟的仪器来代替仪器设备。仿真时只要在计算机及其相应软件的协助下,操作人员只要通过特定的培训就可以完成对产品模型的仿真与验证。而MATLAB仿真软件就是

28、最为人们所熟知、应用最广泛的仿真软件之一。MATLAB仿真主要有以下几个优点：研究方法已经有专门的设计人员事先调试好,仿真时只要选择合适的构建方法就能达到理想的仿真效果,具有简单、快捷、多样、方便多样等优点。仿真过程中只要把需要验证的控制系统的数学模型放在MATLAB仿真器进行研究就可以,而不必考虑其他复杂的因素,因此与实际物理系统相比要简单的多。其方便快捷性主要体现在：仿真研究可以在实验室进行,也可以在提供一定环境的其他场合进行所以很方便2。而其多样性则体现在：仿真器的参数可以根据仿真的结果进行一定围的调整以便运用仿真器找到合适的系统的设定参数。与实际物理系统相比,实验室MATLAB研究和仿

29、真低成本是显而易见的。这主要是由于仿真研究的对象是控制系统虚拟的数学模型,而模型与实际的物理系统所需要的费用是截然不同的。实验结果分析。仿真研究的优势在于,能够为实际系统的设计提供大量、充分、更利于观察的曲线与图标等依据,达到这样的效果也与前两者有着千丝万缕的联系。1.2 国外研究现状及分析永磁无刷直流电机之所以比传统的直流电机更具竞争力,是因为永磁无刷直流电机在保留了传统直流电机的诸多优点的同时,还随着其应用领域的不断扩展,使得我们不得不重新认识无刷电机的定义。无刷直流电机已经从单指电子换相直流电机,拓展到指具有刷直流电机外部特性的电子换相电机。借着永磁材料、电子技术、自动控制理论以及电力电

30、子技术不断进步的东风,特别是高频、大功率开关器件的快速发展,永磁无刷直流电机及其控制技术也得到了较大的发展。目前,对于线性系统的研究已经形成了完备的理论体系,这些理论和方法很多都已运用在永磁无刷直流电机的设计与研发中,对永磁无刷直流电机控制技术的发展是不可替代的57。但永磁无刷直流电机是由很多种元器件构成的集合体,而在其中很多元器件是非线性的,这就必然导致永磁无刷直流电机是一个多变量、非线性系统。为了研究方便,我们把永磁无刷直流电机看作线性系统来研究,是在一定理想条件下对电机系统的近似描述。而在对永磁无刷直流电机控制系统的精度和性能要求不高的场合,可以把电机的系统近似地看成线性系统,或者局部线

31、性化,根据实践经验这样也可以满足对控制的要求3。现在,在众多的电机控制策略中,经典的PID控制以其算法简单紧凑、运行可靠、控制器可以由模拟电路实现等优点得到了广泛的应用。当然现代控制理论,如最优控制、自适应控制策略等在电机控制中的应用,也对电机的运行性能的改善与提高起到了不可替代的作用。虽然,无刷直流电机控制的技术经过了多年的发展,其控制技术与控制方法也已经相当的成熟,但随着人们需求的多样性与高精度、高可靠性的依赖性,使得无刷直流电机的发展受到严峻的考验。最大的挑战则是无刷直流电机很多的元器件都不是线性的,导致其本质的非线性,而我们在做控制系统时往往把电机看成是线性系统,这样必然会导致电机大围

32、运动时,相应的系统误差也会增大。近年来,对永磁无刷直流电机控制技术的研究已由原来的线性系统的研究方向向非线性控制理论的研究方向发展,而且受重视的程度逐年提高。与此同时,数字信号处理器和可编程逻辑器件技术的飞速发展,推动了无刷直流电机控制领域的进一步发展,为实现电机的非线性控制提供硬件基础。由于电机是一个复杂的机电系统,导致其具有许多不稳定因素。在这些因素中,转矩脉动对电机的动态稳定性影响相对较大,从一定程度上阻碍了伺服电机控制方面的发展。尤其是大惯性系统,控制或消除转矩脉动变得十分关键,这也是伺服控制系统设计者所关注的重要问题之一。近年来,国外的研究人员对转矩脉动问题做了全面的分析研究。根据研

33、究结果并结合实践经验,针对不同脉动产生的原因,研究人员提出了抑制或削弱转矩脉动的策略6,从而为一定程度上提高永磁无刷直流电机控制性能带来了可能。但是,这些研究仅仅是在原有的结构、方案上做出修改,并没有从本质上,即从原理上消除转矩脉动。因此,要想进一步提高电机的动态特性,还应该针对这个问题做更加深入细致的研究与分析。在无刷直流电机控制传感器的选择上,一般采用光电码盘、旋转变压器等测速器件作为反馈装置来实现转速和位置的控制闭环。一般情况下,采用传统的PID控制方法提高转速和位置控制的精度都能够满足控制的要求；而对于那些要求精度较高和动态性能较好的场合则需要考虑采用现代控制方法来实现。在控制策略中,

34、转速锁相环控制也是提高电机转速控制高精度的有效方法之一。但之所以其应用受到了一定限制,就是因为其动态响应、抗干扰能力相对较差。特别是在大转动惯量永磁无刷直流电机的锁相环控制系统中,由于其快捕带较窄,导致系统对扰动和噪声极其敏感,容易引起失锁和误锁定,而造成这种后果的主要因素是锁相环鉴相器的非线性鉴相特性。近年来,锁相环控制方法的优化工作也是研究的热点之一。很多研究学者用非线性控制方法对锁相环进行优化,这种优化的控制方法使锁相环控制方法不但继承了原来控制的优点,并且还提高了系统动态响应性能与抗干扰能力。从锁相环控制的鉴相器实现方式来看810,可分为模拟锁相环、模数混合锁相环、数字锁相环和软件锁相

35、环10,其中用软件来实现锁相环非线性控制方法是最效率的一种方法。1.3论文研究所做的主要工作本文中,我们着重对永磁无刷直流电机的模糊-PID运动控制系统进行了设计、仿真与优化。首先,我们分析了电机的运动状态,建立起了永磁无刷直流电机的数学模型,分析并确定了无刷直流电机的控制方案；以TMS320F2812数字信号处理器及其最小系统为控制核心,设计了无刷直流电机控制系统的硬件和软件；使用MATLAB/SIMULINK,建立了系统模型并完成了若干种控制算法的对比与仿真工作。本文对系统的研究具体有以下几个方面的容：阅读了大量与课题研究相关的文献,了解并进一步认识永磁无刷直流电机的优缺点,及其研究的现状

36、；同时进入工程现场,进行了相关的实践调研。根据永磁无刷直流电机及其控制系统的数学模型,利用MATLAB/SIMULINK搭建模糊-PID控制器和无刷直流电机及其控制系统系统的模型,并进行仿真。对永磁无刷直流电机系统硬件构成及软件运行原理进行了详尽的说明,并建立电机的运动学模型、电器模型以及电器模型并分析了电机的运行特性及其调速的方法。 介绍几种常用的电机控制方法,根据工程需要确定了最优的控制方案。以工程需要要求,分别对永磁无刷直流电机运动控制系统的硬件与软件电路进行了设计,其中主要包括驱动电机路、控制电源电路、保护电路、DSP控制电路、逆变电路、整流电路,位置检测电路；并对出现的问题进行探讨与

37、修改,确定最佳的方案。对系统的实验平台进行软件和硬件的联合调试,进行适当的修改,最终达到理想的效果,然后对实验结果进行分析。2 永磁无刷直流电机工作过程分析2.1 永磁无刷直流电机的基本结构永磁无刷直流电动机的拓扑结构如图2.1所示。从示意图上看,它是由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三大部分组成的。当相电流通过任意定子绕组时,该电流产生的磁场与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用,使转子受到电磁转矩作用而旋转。把位置传感器与电机的主轴同轴安装,用以检测电机磁钢的位置,进而将位置信号反馈给驱动器,驱动器再将给定的控制信号和反馈的位置信号进行逻辑综合后发送信号,控制电子开关线路,使定子各相

38、绕组按一定逻辑顺序导通。由于电子开关线路的导通次序与转角同步,因而能起到机械换向器的作用。图2.1 无刷直流电机拓扑结构永磁无刷直流电机的电动机本体从外观上看与普通电机相似,定子和转子也是最基本的两大部件。转子顾名思义是电动机可以转动的那一部分,它是由永磁材料做成的成,在转子上对称分布着一定磁极对数的永磁体7,一般情况下由转轴、永久磁钢及磁轭等部件组成。转子的结构可以分凸极式和嵌入式,凸极式就是在转子表面上贴上瓦片状的永磁体；嵌入式就是在转子的铁心中嵌入永磁体。在设计电机磁钢的形状时,多数做成弧形,这样做的目的是为了产生梯形波电动势。定子则是电机转动时相对于电机壳体固定不动的部分,其上安装有电

39、枢,该结构与永磁有刷电机完全相反。定子主要是由硅钢冲片与分布在它们槽的绕组以及机壳、端盖、轴承等部件组成,电枢绕组采用整距集中式绕组,绕组的相数有三相绕组和多相绕组,但应用最多的是三相20。如图2.1所示的电路中就具有三相绕组无刷直流电机原理图,其中、分别为三相绕组。在设计定子的绕组时,通常把短距绕组设计成分布式的,这样做不但可以减少电机的转矩脉动,而且还可以提高电动机运行平稳性。同时优化设计时,绕组通常采用星型连接,目的在于减少电动机的杂质损耗。当定子绕组过三相交流电时,就会有等频率的旋转磁场产生。在永磁同步电机的转子中,铁氧体、铁硼、稀土钴等永磁体使用较多11-13,而新一代伺服电机转子则

40、把铁硼等新兴材料用到电机转子的制造中。这种材料具有好的宽磁滞回线、高矫顽力、高剩磁等优点,最主要的是它能产生稳定的磁场。2.2 永磁无刷直流电机的工作原理传统直流电动机的构造时,都会把电枢安装在转子上。而由定子产生的磁场是固定的,要想达到驱动电机旋转目的,就必须使电枢中的电流的方向发生改变,而这一实现过程一般是通过在电机中安装换向器和电刷来实现的。根据电磁感应定律得知,转子电枢受到感应磁场的作用力而使电动机旋转起来。然而,电刷的存在使电动机的各方面的性能受到很大的限制。在设计永磁无刷直流电动机时,把电枢放在定子上,而把永磁体放在转子上,这样就可以省去电刷。这样的结构和传统的直流电机相比,在设计

41、思想上是辩证对立的。当然以上工作只是设计工作的一部分,因为定子上的电枢通电后,产生的磁场是恒定的,而根据电磁感应定律,这样并不能驱动电动机转动。要想使电动机旋转,定子电枢各相绕组中还必须有变换的相电流通过,这样才能使定子磁场相对于转子不断地变化,从而达到了电枢绕组切割磁感线的效果,进而产生电磁感应效应推动转子旋转14。从图2.2不难看出,无刷直流电动机主要由电动机和驱动器两部分构成。无刷直流电动机绕组的接法形接法与三相异步电动机相似,都采用星型连接。驱动器的主要作用是接收上位机传达的指令,进而控制电动机的启动、停止、制动25；驱动器的另一个功能是对电机进行状况进行预警保护和显示等。无刷直流电动

42、机的原理框图如图2.3所示。图2.2三相桥式结构无刷直流电动机工作原理图图2.3无刷直流电动机工作原理框图图2.2中主电路是较典型的电流转换电路,输入信号预处理得到对称交变矩形波信号。利用转子旋转技术获得120相位差反馈信号,并进行逻辑计算,从而编码器获得有效编码对信号分别为101、100、110、010、011、001,通过逻辑器件控制T1-T4、T1-T6、T3-T6、T3-T2、T5-T2、T5-T4分别导通,利用N-S极交替变换进行依次导通控制。每路电路导通时会让定子绕组围绕轴线转动60,以此类推形成传感器U、V、W根据预定控制逻辑产生新编码,无限的循环下去,最终实现无刷直流电动机连续

43、运动。无刷直流电动机本身具有自动换向的性质,不需要换向器,因此成为自控式同步电动机1619。表2.1为永磁无刷直流电机正反转换逻辑表。图2.5定子绕组的合成磁势Fa与转子磁势Ff之间的空间相位关系表2.1 永磁无刷直流电机正反转换逻辑表状态ABCDEF逻辑量正转101100110010011001正转时电流流向A+B-A+C-B+C-B+A-C+A-C+B-逻辑量反转010011001101100110反转时电流流向B-A+C-A+C-B+A-B+A-C+B-C+2.3 永磁无刷直流电机数学模型的确定本节数学模型建立是在理想情况下建立的,即磁路不饱和、气隙均匀、定子三相绕组对称、星形联接；绕组

44、电阻、电感和互感值均为为常数；不计电枢反应；忽略齿槽效应。电压平衡方程 2.1其中为磁极对数矩阵；、是三相定子的电压；、是三相绕组的电势；、是三相绕组的相电流；、是三相绕组的电流自感 ；、是绕相之间互感；、是绕组的相电阻。我们假定=,=,=,并由+=0可得2.2 转矩方程2.32.4其中,为角速度,为阻尼系数,为电机的转动惯量,为负载的转矩,为等效转矩。 状态方程2.5 不带负载的运动学方程2.62.72.82.9将上式经过拉式变换得电动机的电路回路的模型,即 2.102.112.12因为,所以有 2.13其中为反电动势的常数,为电机的输出力矩,为负载力矩,为直流电机的反电动势的常数,为力矩常

45、数,为电动机电枢回路的电阻,转子的粘性摩擦系数,为等效转动惯量,为电枢的电感,为电枢的电流,为电枢的电流。图2.6 机电系统伺服驱动系统控制方框图 带负载的运动学方程2.142.15 2.162.172.18 2.19以上各式经过拉氏变换整理得：2.20 2.212.22其中为电机的转动惯量,为反电动势的常数,为电机的输出力矩,为负载力矩,为摩擦力矩,为直流电机的反电动势的常数,为力矩常数,为电动机电枢回路的电阻,转子的粘性摩擦系数,为电枢的电感,为电枢的电流,为电枢的电流。2.4 永磁无刷直流电机控制方案选择与确定2.4.1 调速系统的分类 开环控制系统顾名思义,开环控制就是不具有反馈信号的

46、控制系统,驱动器接受到速度信号后,输出一定的PWM波。当速度需要发生改变时,系统只需通过改变PWM的占空比,进而改变电机电枢上电压的大小,最终实现对电机转速的控制。 单闭环控制系统不难理解,单闭环控制就是控制系统中只存在一个反馈闭环的控制方式。一般为速度闭环,反馈量也是电机的转速。这种控制系统一般由速度给定、速度反馈以及速度调节等几个模块构成。给定转速就是预先输入的n,结合测速传感器反馈的实际转速nf,两者进行逻辑运算后得到转速误差信号ne,转速误差信号经过速度调节器的处理就输出PWM值,然后把PWM信号经过驱动器放大后就可以驱动电机转起来,这样就实现了对电机的单闭环控制。 双闭环控制系统事先

47、将给定的速度值n与测速元器件反馈的实际转速nf做差,得到转速误差信号ne,转速误差信号经过速度调节器处理后,就可以作为电机的电流参考值转速与电流有一定的线性关系；同时,通过特定的电流检测电路实时检测定子绕组的电流值,两者的差值就为电流误差信号；最后根据转子位置检测电路计算的转子位置15,经过电流调节器后确定各个功率开关器件导通时间和占空比,再经过PWM驱动器放大处理后就可以控制电机转动起来,并再次对这些步骤进行循环实时反馈与调整。根据以上定义,显然本文所研究的永磁无刷直流电机系统采用的正是转速电流双闭环控制,其中把电流环做为环,转速环做为外环。之所以采用双闭环控制系统,是因为其转速响应、转矩响

48、应速度快、控制精度高、系统抗干扰能力强；而其缺点是系统结构复杂、成本高。2.4.2 控制算法的确定 无位置传感器的控制算法在伺服电机控制系统设计的过程中,需要对转子位置的检测和换相技术进行周密的思考与论证,这也是能否得到优良控制系统的关键之一。虽然采用位置传感器来实现位置检测是传统的方法,但这样会加重控制系统的负担。针对该问题,无位置传感器控制法应运而生,并逐渐受到国外专家的关注。 变结构控制算法控制性能良好控制系统一直是设计人员不断的追求,为了达到这个目的,人们不断把代表最新科技技术的控制方法运用在电机控制系统的设计中。其中,变结构控制以其响应速度快、对控制对象参数变化不敏感、抗干扰能力强、

49、物理实现简单等诸多优点,被越来越多的设计人员推崇。物理实现简单等优点,越来越受到人们的关注。变结构开关模式可以有两种方式得到：第一种是根据系统的传递函数导出；第二种是依据系统的最大速度、最大加速度等系统参数设计。二者得到的变结构开关模式都能使系统的位置控制达到较好的控制效果1921。 基于模糊控制和神经网络的控制算法在这个控制算法中,对伺服电机电流调节特性的改善以及减小力矩波动是设计伺服控制系统所关注的重要问题之一。模糊控制法是基于专家系统经验转换为控制语句进行系统控制,因此对不依赖于数学模型,具有良好系统动态响应特性；而PID控制算法的显著作用在于它能很好的消除系统的稳态误差；鉴于此,人们将

50、两者结合应用于无刷直流电机的伺服控制系统,使系统同时兼有上述两种方法的优点。实践证明,对于传统基于线性控制方法具有诸多缺点,如对控制模型依赖性强、不能在线动态调整、对于大滞后强耦合、非线性强的系统进行动态控制时出现超调量过大而不易收敛等,前两种算法已经很难满足现代控制的需求,而逐渐被市场所淘汰。本文一个亮点是综合了先进的模糊控制理论与传统PID控制器的优点,使得优化后的控制策略具有动态响应快、超调量小、稳态精度高等诸多优点。2.4.3 主要控制模块的比较选择目前,通常采用微处理器作为无刷直流伺服电机控制核心,它的结构及性能对系统控制精度起着决定性的作用。根据工程需求和实际使用的角度来说,要求微

51、处理器易维护、性能稳定、控制简单、时效性编程效率高。故微处理器的选择是整个控制系统设计工作的关键步骤之一。可编程控制器可对无刷直流伺服电机控制系统进行逻辑控制。这需要扎实的编程基础,同时还要非常熟悉无刷直流电机的控制过程,必要时编程者还得参与硬件电路的设计。毋庸置疑,这对设计者带来的压力是巨大的。市面上可供选择的单片机的种类很多,但单片机开关的控制频率与控制精度不高,这直接影响到电机的转矩波动和开关频率,最终会使无刷直流伺服电机得转矩波动更加明显。因此,由单片机控制的闭环控制系统的控制速度无法达到理想的要求,其控制精度也无法满足要求。而作为专用数字信号处理器DSP相对于单片机而言,由于结构上的

52、本质区别,使得DSP在控制速度和控制效率方面达到了一个理想的高度。而且,基于DSP对无刷直流电机的控制系统相对于传统的控制系统,系统元器件的数量也明显减少19,从而降低了成本。最重要的,这样就可以实现无传感器控制。2.5小结本章主要容是对无刷直流电机的结构原理进行了相关的分析,建立了数学模型及其电气模型,并在此基础上对无刷直流电机控制方案进行优化设计,其中包括调速方法、控制算法、中央控制单元等做了对比说明,并根据实际需要做了必要的调整,为后续的研究工作奠定基础。3 基于DSP的直流电机系统控制方案设计3.1 控制系统总体结构无刷直流电机是伺服控制系统的执行部件,是其至关重要的一部分,它集有刷直

53、流电动机和交流电机的优点于一身,具有结构简单、维护便利、具有较好的启动性能和转速控制性能等诸多优点。由于随着电机理论与加工技术的发展可做到高效率、小体积,因此己经在许多高、新、端领域展现出良好的应用前景。在实际的工程应用中,对于伺服控制系统的速度控制精度有着较高的要求,尤其是在运用反馈信号作为高速运行的控制条件时,需要高灵敏度的反应。然而,由于传统微处理器的运行速度较慢,无法满足高速的运行状态,从而无法展现出无刷直流电机的突出性能。为此,在本文中选取由美国TI公司生产的TMS320F2812数字信号处理器22-25作为无刷直流电机的控制器。该处理器可以满足高速运行的控制要求,使无刷直流电机的优

54、秀性能充分发挥,也为伺服控制系统的可靠运行提供了强有力硬件支持。由DSP提供的六路PWM信号经过高速光藕隔离后送至驱动芯片IR2130,再由驱动芯片输出到驱动桥电路从而控制电机的运转,上位机显示通过串口与DSP通信,发送指令来控制电机起动、停止等命令及转速等参数,使电机按照预先设定的方式和状态运行；通过显示模块获得用户需要重要信息,具有良好人机交互功能；控制系统在上电启动后,若没有对参数重新设置时,系统将会沿用上一次存储的参数,自动从存储模块中读前一次存入的参数。同时,上位机在系统调试过程中也是相当重要的,可以通过面板对控制程序中的一些参数进行实时调整,这样不仅可以减小代码反复烧写次数,又可以

55、增加修改程序灵活度。控制系统的总体框图见图3.1。图3.1 总体控制框图3.1.1 硬件总体构成该控制系统硬件电路主要由主电路模块、控制电路模块和辅助电路模块等组成,其中主电路模块则主要包含整流模块及滤波模块。一般情况下,逆变电路是由三相桥式连接的功率开关管组成。交流信号经过整流、滤波后变为直流电压,然后在经过逆变器把直流变成电压、频率可调的电流输入到无刷直流电机,这样就完成无刷直流电机启动过程。控制电路以具有高速运算能力DSP芯片为核心,这样对构成数字化控制系统,并对其保护电路等设计等24。其硬件的总体设计框图见图3.2。图3.2控制系统总体硬件设计框图3.1.2 软件总体构成将层次模块化思

56、想运用到系统的软件部分设计之中,将主要程序部分分块存放,便于系统的升级换代。在该系统中软件主要分为主程序模块和中断程序模块两大部分,然后在这两大部分中分别应用模块化思想,继续将子程序模块化。主程序模块由三部分组成,即系统初始化模块、捕获当前位置模块和设置中断标志模块；中断程序模块同样也由三部分组成,分别是位置捕获中断模块、速度控制中断模块及故障保护中断模块。系统软件结构框图见图3.3。图3.3 系统软件总框图3.2 转子位置检测方案的选择在无刷直流伺服电机中使用位置传感器来检测转子的磁极位置,在通过逻辑开关电路确定是否换相。随着电力电子技术的发展,现在已有各种各样的位置传感器,且每种传感器都各

57、具特点并有其不同的应用畴,现在主要有以下几种形式的位置传感器应用在无刷直流电机中。(1) 电磁式位置传感器电磁式位置传感器的原理是根据电磁效应利用电机部绕组确定磁极位置。该类型传感器拥有众多优点,例如输出信号大、使用环境要求不高、适应性强等；但是也存在许多不足之处,其抗干扰能力差且体积较大,对电源要求高且不易控制。(2) 光电式位置传感器光电式位置传感器的原理主要是光电效应,由电机转子上的遮光板、提供确定光线的固定光源以及接收光信号的光电管等共同构成的。该类型感器拥有稳定的性能,但同时存在输出信号信噪比较大、固定光源使用时间等问题。(3) 磁敏式位置传感路磁敏式位置传感的基本原理是利用霍尔元件

58、的磁阻效应来确定转子位置。霍尔元件根据不同的磁感应强度差生相应效果,经过放大和滤波处理后,再由模数转换模块转换成数字信号。永磁转子和定子的电枢在不同的位置反应合成不同强度的磁场,再由霍尔元件将磁场强度信号检测出来,传递给DSP,即可确定转子所在位置17-23。通过对上述各种方案的对比分析,再结合在本系统中的实际应用,最终确定光电式传感器作为本系统的位置检测。不但能够很好的保障位置的检测精度,而且无需对输出信号加以调整就可直接使用,含有与DSP相连接的接口,提高了控制的可靠性。3.3 起动方法的选择无位置无刷直流电机启动方法研究很多,例如高速运行电机,可通过检测反电动势过零点来确定转子的位置。现

59、在已经有许多公司将这种方法集成到芯片中并应用到实际中。然而该方法存在一个弊端,那就是在低速阶段无法得到转子位置的精确信息。因此在电机启动的初始阶段,由于反电动势电压很小甚至于为零,此时反电动势法无法检测到转子的准确位置,从而其不再适用。对以下三种启动方法进行简要的介绍。 三段式启动法三段式启动方式为他控式同步电机控制方式,主要包括三个部分,即刚起始的转子自定位,之后从静止时刻就开始强制加速,在强制加速的过程中会产生足够电机强制换向的反电动势,从而将无刷直流电机从强制加速状态切换至自同步运行状态,实现启动控制。通常,三段式启动主要应用在负载较轻的情况下。但三段式启动方式会通过存强制加速来实现明显

60、的换向过程,往往在换向时运行会出现波动。假如负载较重的话,外同步信号无法使与反电动势信号的相位差为零,在换向时会发生失步从而导致电机无常启动。但若选取合适的参数,可能成功启动电机,但又可能出现切换时电机转矩较小而无法满足需要的情况。 电感法结合前面的知识可以知道,具有凸极效应的电机,可以利用电机直轴和交轴电感的不同,通过检测定子绕组的电感变化,实现转子位置的的确定。然而,电机的定子绕组电感不仅与转子位置有关,同时还受到定子电流大小的影响。由于随着负载的变化电流大小也随之不同,电感参数也会发生相应的变化,从而无法通过电感的变化准确的获得转子的位置信息；而且该方法在实现上成本较高、计算复杂,故在实

61、际应用中很少使用。 开环启动方法开环启动前需要预先知道转子的准确位置,坚决不允许因为相序的错误导致电机堵转,甚至反转的情况发生。为了解决转子位置信息不易获取的难题,专家学者通过将转子转动到可以确定的的位置,之后再按相序导通,最终驱动转子转动,即强制定位法。在完成强制定位之后,就可以进行开环启动。现有的开环启动方法主要有三种,分别是固定相序启动法、外同步开环启动法、升频升压开环启动法。固定相序启动法的原理主要是按照固定的时间间隔以及固定的导通相序,驱动电机转子转动,一般只适用于空载情况,无法满足负载变化的情况下的使用要求27。外同步开环启动法的原理主要是通过外加电路获取一定频率的信号,从而使转子

62、发生转动,当转子速度达到一定值时,将其切换到反电动势下运行。负载对这种方法也具有较大的影响,负载的每一次变化,都需要调整一次外同步频率,同时还需要改变外加电路,从而提高了系统的开发成本。升频升压开环启动法的原理主要是将永磁同步电机的控制方法应用到直流无刷电机的启动上,实现直流无刷电机的正常启动,这种方法实用性也不高。3.4 PDM调制方法的选择根据采样控制理论可知：把冲量相等形状各异窄脉冲作用在惯性环节时,其产生作用相识。通过对该理论的深入研究,在其基础上发展了PWM控制技术,其主要实现方法是运用电力电子技术生产一系列的脉冲信号,这些脉冲信号具有幅值大小相等,宽度不相等的特点,在将这些信号经过合理迭代组合成需要波形。根据控制规则对脉冲宽度调节,从而改变电压及频率大小。3.4.1 相电压控制PWM随着电力电子技术迅速发展,PWM控制技术逐渐在实际工程中得到应用。并应用到其他领域,如现代控制理论、非线性系统控制思想中,由PWM控制技术的特点可为以下几类主要方法。 等脉宽PWM法VVVF装置早期主要运用PWM控制技术完成调节,其基本控制思想主要是通过把同宽的脉冲列当作PWM波,通过对脉冲周期、脉冲宽度、占空比的调整实现