基于DSP無刷直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真碩士學(xué)位論文

1、中圖分類號： 密 級： 看到頂上顯示的那個橫杠了嗎，那是表格下的一根線，因為對word2007不熟，所以要麻煩你幫忙給弄掉，謝謝，請注意千萬不要影響到其他地方udc： 本校編號： 碩 士 學(xué) 位 論 文論文題目： 基于dsp無刷直流電機控制 系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 研究生姓名： 學(xué)號： 學(xué)校指導(dǎo)教師姓名： 職稱： 申請學(xué)位等級： 專業(yè)： 論文提交日期： 論文答辯日期： 獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含獲得 蘭州交通大學(xué) 或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。

2、與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。學(xué)位論文作者簽名： 簽字日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解 蘭州交通大學(xué) 有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特授權(quán) 蘭州交通大學(xué) 可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。（保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明）學(xué)位論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名：簽字日期： 年 月 日 簽字日期： 年 月 日 碩 士 學(xué) 位 論 文基于dsp無刷直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真bldc motor

3、 control system designand simulation based on dsp 作 者 姓 名： 學(xué)科、專業(yè) ： 學(xué) 號 ： 指 導(dǎo) 教 師： 完 成 日 期： 蘭 州 交 通 大 學(xué)lanzhou jiaotong university摘 要無刷直流電機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等諸多優(yōu)點，使其在當(dāng)今眾多高新尖科技領(lǐng)域中獲得了良好的應(yīng)用前景。本文主要研究以下幾個方面：如何實現(xiàn)無刷直流電機控制系統(tǒng)平穩(wěn)起動，如何基于微控芯片dsp進行無刷直流電機硬件控制系統(tǒng)設(shè)計以及無刷直流電機仿真技術(shù)的研究與實現(xiàn)。本文對永磁無刷直流電機的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、數(shù)學(xué)模型等進行深入分析，并對目

4、前無刷直流電機常用的控制方法進行比較和分析，確定了以脈寬調(diào)制（pwm）技術(shù)方法為控制無刷直流電機控制原理；根據(jù)控制系統(tǒng)的控制性能要求及無刷直流電機的特點確立以tms320f2812控制芯片作為整個硬件系統(tǒng)的控制核心，利用tms320f2812芯片產(chǎn)生的pwm波實現(xiàn)對無刷直流電動機的控制，使控制系統(tǒng)具有良好的調(diào)速性能、實現(xiàn)快速起動、系統(tǒng)穩(wěn)定且具有較寬的調(diào)速范圍等優(yōu)點。不但簡化了控制系統(tǒng)的外圍設(shè)備、有效地降低了系統(tǒng)的功耗，而且提高了系統(tǒng)的準確性和實時性，獲得了更好的控制效果，具有廣泛的應(yīng)用范圍。然后，本文根據(jù)該設(shè)計方案完成了整個控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計工作。文中詳細闡述了tms320f2812的最

5、小系統(tǒng)及其外圍電路等多個電路的設(shè)計，并以ccs 3.3(code composer studio 3.3)為軟件調(diào)試平臺，從無刷直流電機控制思想出發(fā)，采用模塊化編程，分別對系統(tǒng)的主程序、子程序以及控制算法進行了設(shè)計與說明。在進行無刷直流電機控制系統(tǒng)仿真技術(shù)研究中，詳細闡述了模糊控制算法及模糊推理過程、模糊-pid控制器的設(shè)計步驟及使用對象；針對無刷直流電機多變量、時變性、非線性以及強耦合特性等，為了提高無刷直流電機的控制性能，提出了基于模糊自適應(yīng)pid控制方案與基于微粒群優(yōu)化算法(pso)的自適應(yīng)模糊pid控制方案兩種設(shè)計方面。同時，詳細介紹了基于群體智能的優(yōu)化算法，該算法具有算法簡潔、易于實

6、現(xiàn)等優(yōu)點，能夠在實現(xiàn)復(fù)雜的解空間中尋找最優(yōu)解優(yōu)點。文中對如何將pso算法實現(xiàn)于模糊控制器的優(yōu)化設(shè)計進行原理闡述，使控制系統(tǒng)能夠在線自動調(diào)整模糊控制器的量化因子、和比例因子，進而調(diào)整pid的三個參數(shù)稱、較好地實現(xiàn)系統(tǒng)快速、無超調(diào)的動態(tài)性能。在matlab/simulink環(huán)境下采用模塊建立無刷直流電機功能模塊，主要由無刷電機模塊、pwm波調(diào)節(jié)模塊、pso算法s函數(shù)編寫、模糊pid控制模塊等部分組成；再進行功能模塊的有機結(jié)合，搭建了無刷直流電機系統(tǒng)的仿真模型。仿真結(jié)果證明了基于pso參數(shù)自整定模糊-pid控制的有效性，同時驗證了該方法具有響應(yīng)速度更快、超調(diào)更小、穩(wěn)定性及跟蹤性能強的特點，明顯優(yōu)于傳

7、統(tǒng)的pid控制和自適應(yīng)模糊pid控制算法。這樣既驗證了控制算法理論的合理性，又節(jié)約了成本，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，為無刷直流電機控制的設(shè)計開發(fā)提供了較好的方法。關(guān)鍵詞：模糊pid控制器；dsp控制系統(tǒng)設(shè)計；pso算法；無刷直流電機論文類型：應(yīng)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

8、 and speed performance advantages，has good application prospects in the field 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 c

9、hip dsp and implement simulation technology of brushless dc motor.first，learning 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

10、 modulation (pwm) methods for the control of brushless dc motor control theory. according 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 con

11、trol the brushless dc motor. so the system has many advantages， such as good speed 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，

12、expand the range of applications. and complete the entire control system hardware and software design.elaborate on tms320f2812 minimum system and its peripheral circuit design. select ccs 3.3 (code composer studio 3.3) as software debugging platform. use modular programming to control brushless dc m

13、otor. design and instruct the main program of the system，subroutines and control algorithm respectively. describe 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 ob

14、jects. brushless dc machines have the characteristics of multiple variables，time-varying， nonlinear，strong coupling. 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

15、(pso) of the adaptive fuzzy pid control.elaborate on swarm intelligence optimization algorithm， the algorithm is simple 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 contro

16、ller design. the control system can automatically adjust the fuzzy controller online quantization factor 、and scale 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 m

17、atlab/simulink environment. there are mainly brushless dc motor module, pwm wave adjustment module，writing s function of 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 effectiven

18、ess of the pso-based parameter self-tuning fuzzy pid control，and verify the method is better than traditional pid control 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

19、will not only verify the reasonableness of the theory of the control algorithm，also can shorten the development cycle and 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 syst

20、em design, pso algorithm目 錄摘 要iabstractiii1緒論11.1 論文的背景及意義81.1.1課題研究的背景81.1.2電機的發(fā)展及其意義81.1.3 matlab仿真的意義21.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析21.3論文研究所做的主要工作42 永磁無刷直流電機工作過程分析52.1 永磁無刷直流電機的基本結(jié)構(gòu)52.2 永磁無刷直流電機的工作原理62.3 永磁無刷直流電機數(shù)學(xué)模型的確定82.4 永磁無刷直流電機控制方案選擇與確定112.4.1 調(diào)速系統(tǒng)的分類112.4.2 控制算法的確定122.4.3 主要控制模塊的比較選擇122.5小結(jié)133 基于dsp的直流電機系

21、統(tǒng)控制方案設(shè)計143.1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)143.1.1 硬件總體構(gòu)成153.1.2 軟件總體構(gòu)成153.2 轉(zhuǎn)子位置檢測方案的選擇163.3 起動方法的選擇173.4 pdm調(diào)制方法的選擇183.4.1 相電壓控制pwm183.4.2 硬件調(diào)制法193.4.3 軟件生成法193.4.4 梯形波與三角波比較法193.5小結(jié)194 無刷直流電機控制系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計204.1 概述204.2 基于dsp無刷直流控制系統(tǒng)總體硬件框圖204.3 tms320f2812 dsp最小系統(tǒng)及其外設(shè)電路的設(shè)計214.3.1 tms320f2812簡介214.3.2 dsp最小系統(tǒng)級外圍電路設(shè)計244.4

22、驅(qū)動電路的設(shè)計284.4.1 驅(qū)動芯片簡介284.4.2 基于ir2130芯片驅(qū)動電路的設(shè)計284.5 顯示電路的設(shè)計294.6 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計304.6.1 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)圖設(shè)計304.6.2 主程序設(shè)計314.7 控制系統(tǒng)各子系統(tǒng)設(shè)計324.7.1 ad采樣程序設(shè)計324.7.2 定時器中斷程序設(shè)計334.7.3 更新比較值或換相子程序344.7.4 基于tms320f2812 dsp控制電機算法的實現(xiàn)344.8 小結(jié)355 無刷直流電機的控制系統(tǒng)建模與仿真365.1 無刷直流電機控制系統(tǒng)的仿真模型365.2常規(guī)的模糊pid控制系統(tǒng)365.2.1模糊控制系統(tǒng)的組成375.2.2模糊pi

23、d控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計375.3基于自適應(yīng)模糊算法的pid控制器設(shè)計385.4 運用微粒群算法實現(xiàn)自適應(yīng)模糊hd控制器的優(yōu)化395.4.1微粒群優(yōu)化算法概述395.4.2基本微粒群算法405.4.3改進的微粒群優(yōu)化算法405.4.4基于慣性權(quán)重和分段時變學(xué)習(xí)因子的pso算法405.5基于粒子群算法的模糊控制方法優(yōu)化分析425.5.1微粒群算法對模糊隸屬度函數(shù)優(yōu)化分析425.5.2微粒群算法對模糊控制規(guī)則優(yōu)化435.6微粒群算法優(yōu)化的自適應(yīng)模糊pid控制器仿真445.6.1程序描述445.6.2隸屬度函數(shù)的確定455.7微粒群算法對模糊pid優(yōu)化的設(shè)計495.7.1微粒群算法對模糊控制器參數(shù)自調(diào)整的

24、實現(xiàn)505.7.2 matlab仿真結(jié)果分析535.8小結(jié)56結(jié) 論57致 謝58參 考 文 獻59附錄 系統(tǒng)硬件電路圖621緒論1.1 論文的背景及意義1.1.1課題研究的背景直流電機是一種把電能轉(zhuǎn)換成機械能的裝置，已廣泛用于國民經(jīng)濟和人們的生活中。盡管直流電機具有工作效率高、調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點，但在實際應(yīng)用中，它的很多的缺陷也是不容忽視的。導(dǎo)致這種結(jié)果的原因是多方面的，但主要的原因還是因為電刷的存在。這種機械換向的結(jié)構(gòu)會給系統(tǒng)帶來很多不利的影響，如換向時摩擦產(chǎn)生的電火花、外界電磁干擾等，這種裝置還導(dǎo)致電機在保養(yǎng)和維修方面的不便和較高的費用。這些不利因素極大地制約了通用型直流電機在實際生產(chǎn)

25、實踐中的推廣與應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展以及新型電機材料的開發(fā)應(yīng)用，永磁無刷直流電機得到了空前的發(fā)展。在這些研究成果中，對電機的發(fā)展帶來革命性突破的是用釹鐵硼等永磁材料來代替外加勵磁、用半導(dǎo)體器件代替電機電刷 1。電機的轉(zhuǎn)子是用永磁體制作而成，它為無刷直流電機提供主磁場，而電樞繞組在定子上的安裝方式有很多的形式可供選擇?？刂齐娐吩陔姍C控制系統(tǒng)中扮演著指揮官的角色，本文設(shè)計的直流電機控制系統(tǒng)采用電子開關(guān)電路作為電機的驅(qū)動電路，控制系統(tǒng)把傳感器反饋的信號與指令信號進行邏輯綜合，把處理后的指令發(fā)給驅(qū)動器，進而激勵電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來。1.1.2電機的發(fā)展及其意義在十九世紀中期，直流電動機逐漸替代其它類

26、型的電機在工業(yè)生產(chǎn)中得到運用。在接下來的較長時間里，直流電機憑借著調(diào)速性能好、控制簡單、體積小、性價比高等優(yōu)點在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)得到重視與發(fā)展3。按照時間順序，可以把直流電機的發(fā)展分為四個階段：第一個階段：理論階段。1917年，boligen等人嘗試用整流管代替普通電機的電刷，這樣做的目的是為了實現(xiàn)對電機的無刷控制。但由于當(dāng)時大功率電子器件還不成熟，使得這種無刷控制技術(shù)只能停留在理論階段。第二個階段：誕生階段。1955年，無刷直流電機技術(shù)的瓶頸終于被攻克，設(shè)計者d.harrison等科學(xué)家依托晶體管電子開關(guān)技術(shù)的發(fā)展和不斷成熟，使得無刷控制在電機控制中得以實現(xiàn)。但那時，受到啟動轉(zhuǎn)矩問題的制約，使得無

27、刷電機無法產(chǎn)品化。第三個階段：應(yīng)用階段。從1978年起，無刷直流電機逐漸運用到工業(yè)生產(chǎn)中，這種實質(zhì)性的發(fā)展也是依賴于電子技術(shù)、永磁材料等以及電機相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展而得以實現(xiàn)的，使得無刷直流電機更具實用性。第四個階段：智能化發(fā)展階段。低成本、高頻化、高智能、微型化、大容量是這個時期電子產(chǎn)品的顯著特點；在這個時期，永磁材料（釹鐵硼）的性能也得到了很大程度的優(yōu)化 2，在這個背景下，bldcm的應(yīng)用和發(fā)展也朝著大功率和微型化的方向邁進。1.1.3 matlab仿真的意義信息科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，用于研發(fā)、測試的儀器更新速度不斷加快，隨著技術(shù)含量的提高，價格也越來越貴。但并不是所從事研究與開發(fā)的工程技術(shù)人員

28、都有與研究領(lǐng)域相適應(yīng)的進程相應(yīng)的儀器設(shè)備。計算機可以用于大部分電子工程2。采用計算機仿真的這種方法的優(yōu)勢在于它可用虛擬的儀器來代替儀器設(shè)備。仿真時只要在計算機及其相應(yīng)軟件的協(xié)助下，操作人員只要通過特定的培訓(xùn)就可以完成對產(chǎn)品模型的仿真與驗證。而matlab仿真軟件就是最為人們所熟知、應(yīng)用最廣泛的仿真軟件之一。matlab仿真主要有以下幾個優(yōu)點：(1) 研究方法已經(jīng)有專門的設(shè)計人員事先調(diào)試好，仿真時只要選擇合適的構(gòu)建方法就能達到理想的仿真效果，具有簡單、快捷、多樣、方便多樣等優(yōu)點。仿真過程中只要把需要驗證的控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型放在matlab仿真器進行研究就可以，而不必考慮其他復(fù)雜的因素，因此與實際

29、物理系統(tǒng)相比要簡單的多。其方便快捷性主要體現(xiàn)在：仿真研究可以在實驗室進行，也可以在提供一定環(huán)境的其他場合進行所以很方便2。而其多樣性則體現(xiàn)在：仿真器的參數(shù)可以根據(jù)仿真的結(jié)果進行一定范圍的調(diào)整以便運用仿真器找到合適的系統(tǒng)的設(shè)定參數(shù)。(2) 與實際物理系統(tǒng)相比，實驗室matlab研究和仿真低成本是顯而易見的。這主要是由于仿真研究的對象是控制系統(tǒng)虛擬的數(shù)學(xué)模型，而模型與實際的物理系統(tǒng)所需要的費用是截然不同的。(3) 實驗結(jié)果分析。仿真研究的優(yōu)勢在于，能夠為實際系統(tǒng)的設(shè)計提供大量、充分、更利于觀察的曲線與圖標(biāo)等依據(jù)，達到這樣的效果也與前兩者有著千絲萬縷的聯(lián)系。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析永磁無刷直流電

30、機之所以比傳統(tǒng)的直流電機更具競爭力，是因為永磁無刷直流電機在保留了傳統(tǒng)直流電機的諸多優(yōu)點的同時，還隨著其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，使得我們不得不重新認識無刷電機的定義。無刷直流電機已經(jīng)從單指電子換相直流電機，拓展到指具有刷直流電機外部特性的電子換相電機。借著永磁材料、電子技術(shù)、自動控制理論以及電力電子技術(shù)不斷進步的東風(fēng)，特別是高頻、大功率開關(guān)器件的快速發(fā)展，永磁無刷直流電機及其控制技術(shù)也得到了較大的發(fā)展。目前，對于線性系統(tǒng)的研究已經(jīng)形成了完備的理論體系，這些理論和方法很多都已運用在永磁無刷直流電機的設(shè)計與研發(fā)中，對永磁無刷直流電機控制技術(shù)的發(fā)展是不可替代的57。但永磁無刷直流電機是由很多種元器件構(gòu)成

31、的集合體，而在其中很多元器件是非線性的，這就必然導(dǎo)致永磁無刷直流電機是一個多變量、非線性系統(tǒng)。為了研究方便，我們把永磁無刷直流電機看作線性系統(tǒng)來研究，是在一定理想條件下對電機系統(tǒng)的近似描述。而在對永磁無刷直流電機控制系統(tǒng)的精度和性能要求不高的場合，可以把電機的系統(tǒng)近似地看成線性系統(tǒng)，或者局部線性化，根據(jù)實踐經(jīng)驗這樣也可以滿足對控制的要求3?，F(xiàn)在，在眾多的電機控制策略中，經(jīng)典的pid控制以其算法簡單緊湊、運行可靠、控制器可以由模擬電路實現(xiàn)等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)然現(xiàn)代控制理論，如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制策略等在電機控制中的應(yīng)用，也對電機的運行性能的改善與提高起到了不可替代的作用。雖然，無刷直流電機

32、控制的技術(shù)經(jīng)過了多年的發(fā)展，其控制技術(shù)與控制方法也已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒欤S著人們需求的多樣性與高精度、高可靠性的依賴性，使得無刷直流電機的發(fā)展受到嚴峻的考驗。最大的挑戰(zhàn)則是無刷直流電機很多的元器件都不是線性的，導(dǎo)致其本質(zhì)的非線性，而我們在做控制系統(tǒng)時往往把電機看成是線性系統(tǒng)，這樣必然會導(dǎo)致電機大范圍運動時，相應(yīng)的系統(tǒng)誤差也會增大。近年來，對永磁無刷直流電機控制技術(shù)的研究已由原來的線性系統(tǒng)的研究方向向非線性控制理論的研究方向發(fā)展，而且受重視的程度逐年提高。與此同時，數(shù)字信號處理器和可編程邏輯器件技術(shù)的飛速發(fā)展，推動了無刷直流電機控制領(lǐng)域的進一步發(fā)展，為實現(xiàn)電機的非線性控制提供硬件基礎(chǔ)。 由于電機是一

33、個復(fù)雜的機電系統(tǒng)，導(dǎo)致其具有許多不穩(wěn)定因素。在這些因素中，轉(zhuǎn)矩脈動對電機的動態(tài)穩(wěn)定性影響相對較大，從一定程度上阻礙了伺服電機控制方面的發(fā)展。尤其是大慣性系統(tǒng)，控制或消除轉(zhuǎn)矩脈動變得十分關(guān)鍵，這也是伺服控制系統(tǒng)設(shè)計者所關(guān)注的重要問題之一。近年來，國內(nèi)外的研究人員對轉(zhuǎn)矩脈動問題做了全面的分析研究。根據(jù)研究結(jié)果并結(jié)合實踐經(jīng)驗，針對不同脈動產(chǎn)生的原因，研究人員提出了抑制或削弱轉(zhuǎn)矩脈動的策略6，從而為一定程度上提高永磁無刷直流電機控制性能帶來了可能。但是，這些研究僅僅是在原有的結(jié)構(gòu)、方案上做出修改，并沒有從本質(zhì)上，即從原理上消除轉(zhuǎn)矩脈動。因此，要想進一步提高電機的動態(tài)特性，還應(yīng)該針對這個問題做更加深入細

34、致的研究與分析。在無刷直流電機控制傳感器的選擇上，一般采用光電碼盤、旋轉(zhuǎn)變壓器等測速器件作為反饋裝置來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和位置的控制閉環(huán)。一般情況下，采用傳統(tǒng)的pid控制方法提高轉(zhuǎn)速和位置控制的精度都能夠滿足控制的要求；而對于那些要求精度較高和動態(tài)性能較好的場合則需要考慮采用現(xiàn)代控制方法來實現(xiàn)。在控制策略中，轉(zhuǎn)速鎖相環(huán)控制也是提高電機轉(zhuǎn)速控制高精度的有效方法之一。但之所以其應(yīng)用受到了一定限制，就是因為其動態(tài)響應(yīng)、抗干擾能力相對較差。特別是在大轉(zhuǎn)動慣量永磁無刷直流電機的鎖相環(huán)控制系統(tǒng)中，由于其快捕帶較窄，導(dǎo)致系統(tǒng)對擾動和噪聲極其敏感，容易引起失鎖和誤鎖定，而造成這種后果的主要因素是鎖相環(huán)鑒相器的非線性鑒相

35、特性。近年來，鎖相環(huán)控制方法的優(yōu)化工作也是研究的熱點之一。很多研究學(xué)者用非線性控制方法對鎖相環(huán)進行優(yōu)化，這種優(yōu)化的控制方法使鎖相環(huán)控制方法不但繼承了原來控制的優(yōu)點，并且還提高了系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能與抗干擾能力。從鎖相環(huán)控制的鑒相器實現(xiàn)方式來看810，可分為模擬鎖相環(huán)、模數(shù)混合鎖相環(huán)、數(shù)字鎖相環(huán)和軟件鎖相環(huán)10，其中用軟件來實現(xiàn)鎖相環(huán)非線性控制方法是最效率的一種方法。1.3論文研究所做的主要工作本文中，我們著重對永磁無刷直流電機的模糊-pid運動控制系統(tǒng)進行了設(shè)計、仿真與優(yōu)化。首先，我們分析了電機的運動狀態(tài)，建立起了永磁無刷直流電機的數(shù)學(xué)模型，分析并確定了無刷直流電機的控制方案；以tms320f28

36、12數(shù)字信號處理器及其最小系統(tǒng)為控制核心，設(shè)計了無刷直流電機控制系統(tǒng)的硬件和軟件；使用matlab/simulink，建立了系統(tǒng)模型并完成了若干種控制算法的對比與仿真工作。本文對系統(tǒng)的研究具體有以下幾個方面的內(nèi)容：(1) 閱讀了大量與課題研究相關(guān)的文獻，了解并進一步認識永磁無刷直流電機的優(yōu)缺點，及其研究的現(xiàn)狀；同時進入工程現(xiàn)場，進行了相關(guān)的實踐調(diào)研。(2) 根據(jù)永磁無刷直流電機及其控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，利用matlab/simulink搭建模糊-pid控制器和無刷直流電機及其控制系統(tǒng)系統(tǒng)的模型，并進行仿真。(3) 對永磁無刷直流電機系統(tǒng)硬件構(gòu)成及軟件運行原理進行了詳盡的說明，并建立電機的運動學(xué)模

37、型、電器模型以及電器模型并分析了電機的運行特性及其調(diào)速的方法。(4) 介紹幾種常用的電機控制方法，根據(jù)工程需要確定了最優(yōu)的控制方案。(5) 以工程需要要求，分別對永磁無刷直流電機運動控制系統(tǒng)的硬件與軟件電路進行了設(shè)計，其中主要包括驅(qū)動電機路、控制電源電路、保護電路、dsp控制電路、逆變電路、整流電路，位置檢測電路；并對出現(xiàn)的問題進行探討與修改，確定最佳的方案。(6) 對系統(tǒng)的實驗平臺進行軟件和硬件的聯(lián)合調(diào)試，進行適當(dāng)?shù)男薷模罱K達到理想的效果，然后對實驗結(jié)果進行分析。2 永磁無刷直流電機工作過程分析2.1 永磁無刷直流電機的基本結(jié)構(gòu)永磁無刷直流電動機的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。從示意圖上看，它是

38、由電動機本體(定子和轉(zhuǎn)子)、位置傳感器和電子開關(guān)線路三大部分組成的。當(dāng)相電流通過任意定子繞組時，該電流產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用，使轉(zhuǎn)子受到電磁轉(zhuǎn)矩作用而旋轉(zhuǎn)。把位置傳感器與電機的主軸同軸安裝，用以檢測電機磁鋼的位置，進而將位置信號反饋給驅(qū)動器，驅(qū)動器再將給定的控制信號和反饋的位置信號進行邏輯綜合后發(fā)送信號，控制電子開關(guān)線路，使定子各相繞組按一定邏輯順序?qū)?。由于電子開關(guān)線路的導(dǎo)通次序與轉(zhuǎn)角同步，因而能起到機械換向器的作用。圖2.1 無刷直流電機拓撲結(jié)構(gòu)永磁無刷直流電機的電動機本體從外觀上看與普通電機相似，定子和轉(zhuǎn)子也是最基本的兩大部件。轉(zhuǎn)子顧名思義是電動機可以轉(zhuǎn)動的那

39、一部分，它是由永磁材料做成的成，在轉(zhuǎn)子上對稱分布著一定磁極對數(shù)的永磁體7，一般情況下由轉(zhuǎn)軸、永久磁鋼及磁軛等部件組成。轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)可以分凸極式和嵌入式，凸極式就是在轉(zhuǎn)子表面上貼上瓦片狀的永磁體；嵌入式就是在轉(zhuǎn)子的鐵心中嵌入永磁體。在設(shè)計電機磁鋼的形狀時，多數(shù)做成弧形(瓦片形)，這樣做的目的是為了產(chǎn)生梯形波電動勢。定子則是電機轉(zhuǎn)動時相對于電機殼體固定不動的部分，其上安裝有電樞，該結(jié)構(gòu)與永磁有刷電機完全相反。定子主要是由硅鋼沖片與分布在它們槽內(nèi)的繞組以及機殼、端蓋、軸承等部件組成，電樞繞組采用整距集中式繞組，繞組的相數(shù)有三相繞組和多相繞組，但應(yīng)用最多的是三相20。如圖2.1所示的電路中就具有三相繞組

40、無刷直流電機原理圖，其中、分別為三相繞組。在設(shè)計定子的繞組時，通常把短距繞組設(shè)計成分布式的，這樣做不但可以減少電機的轉(zhuǎn)矩脈動，而且還可以提高電動機運行平穩(wěn)性。同時優(yōu)化設(shè)計時，繞組通常采用星型連接，目的在于減少電動機的雜質(zhì)損耗。當(dāng)定子繞組中通過三相交流電時，就會有等頻率的旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生。在永磁同步電機的轉(zhuǎn)子中，鐵氧體、鐵硼、稀土鈷等永磁體使用較多11-13，而新一代伺服電機轉(zhuǎn)子則把鐵硼等新興材料用到電機轉(zhuǎn)子的制造中。這種材料具有好的寬磁滯回線、高矯頑力、高剩磁等優(yōu)點，最主要的是它能產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場。2.2 永磁無刷直流電機的工作原理傳統(tǒng)直流電動機的構(gòu)造時，都會把電樞安裝在轉(zhuǎn)子上。而由定子產(chǎn)生的磁場是

41、固定的，要想達到驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)目的，就必須使電樞中的電流的方向發(fā)生改變，而這一實現(xiàn)過程一般是通過在電機中安裝換向器和電刷來實現(xiàn)的。根據(jù)電磁感應(yīng)定律得知，轉(zhuǎn)子電樞受到感應(yīng)磁場的作用力而使電動機旋轉(zhuǎn)起來。然而，電刷的存在使電動機的各方面的性能受到很大的限制。在設(shè)計永磁無刷直流電動機時，把電樞放在定子上，而把永磁體放在轉(zhuǎn)子上，這樣就可以省去電刷。這樣的結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的直流電機相比，在設(shè)計思想上是辯證對立的。當(dāng)然以上工作只是設(shè)計工作的一部分，因為定子上的電樞通電后，產(chǎn)生的磁場是恒定的，而根據(jù)電磁感應(yīng)定律，這樣并不能驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動。要想使電動機旋轉(zhuǎn)，定子電樞各相繞組中還必須有變換的相電流通過，這樣才能使定子磁

42、場相對于轉(zhuǎn)子不斷地變化，從而達到了電樞繞組切割磁感線的效果，進而產(chǎn)生電磁感應(yīng)效應(yīng)推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)14。從圖2.2不難看出，無刷直流電動機主要由電動機和驅(qū)動器兩部分構(gòu)成。無刷直流電動機繞組的接法形接法與三相異步電動機相似，都采用星型連接。驅(qū)動器的主要作用是接收上位機傳達的指令，進而控制電動機的啟動、停止、制動25；驅(qū)動器的另一個功能是對電機進行狀況進行預(yù)警保護和顯示等。無刷直流電動機的原理框圖如圖2.3所示。圖2.2 三相橋式結(jié)構(gòu)無刷直流電動機工作原理圖圖2.3無刷直流電動機工作原理框圖圖2.2中主電路是較典型的電流轉(zhuǎn)換電路，輸入信號預(yù)處理得到對稱交變矩形波信號。利用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)技術(shù)獲得120相位差反饋

43、信號，并進行邏輯計算，從而編碼器獲得有效編碼對信號分別為101、100、110、010、011、001，通過邏輯器件控制t1-t4、t1-t6、t3-t6、t3-t2、t5-t2、t5-t4分別導(dǎo)通，利用n-s極交替變換進行依次導(dǎo)通控制。每路電路導(dǎo)通時會讓定子繞組圍繞軸線轉(zhuǎn)動60，以此類推形成傳感器u、v、w根據(jù)預(yù)定控制邏輯產(chǎn)生新編碼，無限的循環(huán)下去，最終實現(xiàn)無刷直流電動機連續(xù)運動。無刷直流電動機本身具有自動換向的性質(zhì)，不需要換向器，因此成為自控式同步電動機1619。表2.1為永磁無刷直流電機正反轉(zhuǎn)換邏輯表。圖2.5定子繞組的合成磁勢fa與轉(zhuǎn)子磁勢ff之間的空間相位關(guān)系表2.1 永磁無刷直流電

44、機正反轉(zhuǎn)換邏輯表狀態(tài)abcdef邏輯量（正轉(zhuǎn)）101100110010011001正轉(zhuǎn)時電流流向a+b-a+c-b+c-b+a-c+a-c+b-邏輯量（反轉(zhuǎn)）010011001101100110反轉(zhuǎn)時電流流向b-a+c-a+c-b+a-b+a-c+b-c+2.3 永磁無刷直流電機數(shù)學(xué)模型的確定本節(jié)數(shù)學(xué)模型建立是在理想情況下建立的，即磁路不飽和、氣隙均勻、定子三相繞組對稱、星形聯(lián)接；繞組電阻、電感和互感值均為為常數(shù)；不計電樞反應(yīng)；忽略齒槽效應(yīng)。(1) 電壓平衡方程 （2.1）其中為磁極對數(shù)矩陣；、是三相定子的電壓；、是三相繞組的電勢；、是三相繞組的相電流；、是三相繞組的電流自感 ；、是繞相之間互

45、感；、是繞組的相電阻。我們假定=，=，=，并由+=0可得 （2.2）(2) 轉(zhuǎn)矩方程 （2.3） （2.4）其中，為角速度，為阻尼系數(shù)，為電機的轉(zhuǎn)動慣量，為負載的轉(zhuǎn)矩，為等效轉(zhuǎn)矩。(3) 狀態(tài)方程 （2.5）(4) 不帶負載的運動學(xué)方程 （2.6） （2.7） （2.8） （2.9）將上式經(jīng)過拉式變換得電動機的電路回路的模型，即 （2.10） （2.11） （2.12）因為，所以有 （2.13）其中為反電動勢的常數(shù)，為電機的輸出力矩，為負載力矩，為直流電機的反電動勢的常數(shù)，為力矩常數(shù)，為電動機電樞回路的電阻，轉(zhuǎn)子的粘性摩擦系數(shù)，為等效轉(zhuǎn)動慣量，為電樞的電感，為電樞的電流，為電樞的電流。圖2.6

46、 機電系統(tǒng)伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制方框圖(5) 帶負載的運動學(xué)方程 （2.14） （2.15） （2.16） （2.17） （2.18） （2.19）以上各式經(jīng)過拉氏變換整理得： （2.20） （2.21） （2.22）其中為電機的轉(zhuǎn)動慣量，為反電動勢的常數(shù)，為電機的輸出力矩，為負載力矩，為摩擦力矩，為直流電機的反電動勢的常數(shù)，為力矩常數(shù)，為電動機電樞回路的電阻，轉(zhuǎn)子的粘性摩擦系數(shù)，為電樞的電感，為電樞的電流，為電樞的電流。2.4 永磁無刷直流電機控制方案選擇與確定2.4.1 調(diào)速系統(tǒng)的分類(1) 開環(huán)控制系統(tǒng)顧名思義，開環(huán)控制就是不具有反饋信號的控制系統(tǒng)，驅(qū)動器接受到速度信號后，輸出一定的pwm波。

47、當(dāng)速度需要發(fā)生改變時，系統(tǒng)只需通過改變pwm的占空比，進而改變電機電樞上電壓的大小，最終實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制。(2) 單閉環(huán)控制系統(tǒng)不難理解，單閉環(huán)控制就是控制系統(tǒng)中只存在一個反饋閉環(huán)的控制方式。一般為速度閉環(huán)，反饋量也是電機的轉(zhuǎn)速。這種控制系統(tǒng)一般由速度給定、速度反饋以及速度調(diào)節(jié)等幾個模塊構(gòu)成。給定轉(zhuǎn)速就是預(yù)先輸入的n，結(jié)合測速傳感器反饋的實際轉(zhuǎn)速nf，兩者進行邏輯運算后得到轉(zhuǎn)速誤差信號ne，轉(zhuǎn)速誤差信號經(jīng)過速度調(diào)節(jié)器的處理就輸出pwm值,然后把pwm信號經(jīng)過驅(qū)動器放大后就可以驅(qū)動電機轉(zhuǎn)起來，這樣就實現(xiàn)了對電機的單閉環(huán)控制。(3) 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)事先將給定的速度值n與測速元器件反饋的實際轉(zhuǎn)速

48、nf做差，得到轉(zhuǎn)速誤差信號ne，轉(zhuǎn)速誤差信號經(jīng)過速度調(diào)節(jié)器處理后，就可以作為電機的電流參考值（轉(zhuǎn)速與電流有一定的線性關(guān)系）；同時，通過特定的電流檢測電路實時檢測定子繞組的電流值，兩者的差值就為電流誤差信號；最后根據(jù)轉(zhuǎn)子位置檢測電路計算的轉(zhuǎn)子位置15，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器后確定各個功率開關(guān)器件導(dǎo)通時間和占空比，再經(jīng)過pwm驅(qū)動器放大處理后就可以控制電機轉(zhuǎn)動起來，并再次對這些步驟進行循環(huán)實時反饋與調(diào)整。根據(jù)以上定義，顯然本文所研究的永磁無刷直流電機系統(tǒng)采用的正是轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制，其中把電流環(huán)做為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)做為外環(huán)。之所以采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，是因為其轉(zhuǎn)速響應(yīng)、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快、控制精度高、系統(tǒng)抗干擾能力

49、強；而其缺點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。2.4.2 控制算法的確定(1) 無位置傳感器的控制算法在伺服電機控制系統(tǒng)設(shè)計的過程中，需要對轉(zhuǎn)子位置的檢測和換相技術(shù)進行周密的思考與論證，這也是能否得到優(yōu)良控制系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。雖然采用位置傳感器來實現(xiàn)位置檢測是傳統(tǒng)的方法，但這樣會加重控制系統(tǒng)的負擔(dān)。針對該問題，無位置傳感器控制法應(yīng)運而生，并逐漸受到國內(nèi)外專家的關(guān)注。(2) 變結(jié)構(gòu)控制算法控制性能良好控制系統(tǒng)一直是設(shè)計人員不斷的追求，為了達到這個目的，人們不斷把代表最新科技技術(shù)的控制方法運用在電機控制系統(tǒng)的設(shè)計中。其中，變結(jié)構(gòu)控制以其響應(yīng)速度快、對控制對象參數(shù)變化不敏感、抗干擾能力強、物理實現(xiàn)簡單等諸多優(yōu)點

50、，被越來越多的設(shè)計人員推崇。物理實現(xiàn)簡單等優(yōu)點，越來越受到人們的關(guān)注。變結(jié)構(gòu)開關(guān)模式可以有兩種方式得到：第一種是根據(jù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)導(dǎo)出；第二種是依據(jù)系統(tǒng)的最大速度、最大加速度等系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計。二者得到的變結(jié)構(gòu)開關(guān)模式都能使系統(tǒng)的位置控制達到較好的控制效果1921。(3) 基于模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制算法在這個控制算法中，對伺服電機電流調(diào)節(jié)特性的改善以及減小力矩波動是設(shè)計伺服控制系統(tǒng)所關(guān)注的重要問題之一。模糊控制法是基于專家系統(tǒng)經(jīng)驗轉(zhuǎn)換為控制語句進行系統(tǒng)控制，因此對不依賴于數(shù)學(xué)模型，具有良好系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性；而pid控制算法的顯著作用在于它能很好的消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；鑒于此，人們將兩者結(jié)合應(yīng)用于無

51、刷直流電機的伺服控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)同時兼有上述兩種方法的優(yōu)點。實踐證明，對于傳統(tǒng)基于線性控制方法具有諸多缺點，如對控制模型依賴性強、不能在線動態(tài)調(diào)整、對于大滯后強耦合、非線性強的系統(tǒng)進行動態(tài)控制時出現(xiàn)超調(diào)量過大而不易收斂等，前兩種算法已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代控制的需求，而逐漸被市場所淘汰。 本文一個亮點是綜合了先進的模糊控制理論與傳統(tǒng)pid控制器的優(yōu)點，使得優(yōu)化后的控制策略具有動態(tài)響應(yīng)快、超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)精度高等諸多優(yōu)點。2.4.3 主要控制模塊的比較選擇目前，通常采用微處理器作為無刷直流伺服電機控制核心，它的結(jié)構(gòu)及性能對系統(tǒng)控制精度起著決定性的作用。根據(jù)工程需求和實際使用的角度來說，要求微處理器易維護、

52、性能穩(wěn)定、控制簡單、時效性編程效率高。故微處理器的選擇是整個控制系統(tǒng)設(shè)計工作的關(guān)鍵步驟之一?？删幊炭刂破骺蓪o刷直流伺服電機控制系統(tǒng)進行邏輯控制。這需要扎實的編程基礎(chǔ)，同時還要非常熟悉無刷直流電機的控制過程，必要時編程者還得參與硬件電路的設(shè)計。毋庸置疑，這對設(shè)計者帶來的壓力是巨大的。市面上可供選擇的單片機的種類很多，但單片機開關(guān)的控制頻率與控制精度不高，這直接影響到電機的轉(zhuǎn)矩波動和開關(guān)頻率，最終會使無刷直流伺服電機得轉(zhuǎn)矩波動更加明顯。因此，由單片機控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制速度無法達到理想的要求，其控制精度也無法滿足要求。而作為專用數(shù)字信號處理器dsp相對于單片機而言，由于結(jié)構(gòu)上的本質(zhì)區(qū)別，使得

53、dsp在控制速度和控制效率方面達到了一個理想的高度。而且，基于dsp對無刷直流電機的控制系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)元器件的數(shù)量也明顯減少19，從而降低了成本。最重要的，這樣就可以實現(xiàn)無傳感器控制。2.5小結(jié)本章主要內(nèi)容是對無刷直流電機的結(jié)構(gòu)原理進行了相關(guān)的分析，建立了數(shù)學(xué)模型及其電氣模型，并在此基礎(chǔ)上對無刷直流電機控制方案進行優(yōu)化設(shè)計，其中包括調(diào)速方法、控制算法、中央控制單元等做了對比說明，并根據(jù)實際需要做了必要的調(diào)整，為后續(xù)的研究工作奠定基礎(chǔ)。3 基于dsp的直流電機系統(tǒng)控制方案設(shè)計3.1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)無刷直流電機是伺服控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件，是其至關(guān)重要的一部分，它集有刷直流電動機和交

54、流電機的優(yōu)點于一身，具有結(jié)構(gòu)簡單、維護便利、具有較好的啟動性能和轉(zhuǎn)速控制性能等諸多優(yōu)點。由于隨著電機理論與加工技術(shù)的發(fā)展可做到高效率、小體積，因此己經(jīng)在許多高、新、端領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。在實際的工程應(yīng)用中，對于伺服控制系統(tǒng)的速度控制精度有著較高的要求，尤其是在運用反饋信號作為高速運行的控制條件時，需要高靈敏度的反應(yīng)。然而，由于傳統(tǒng)微處理器的運行速度較慢(如mcu)，無法滿足高速的運行狀態(tài)，從而無法展現(xiàn)出無刷直流電機的突出性能。為此，在本文中選取由美國ti公司生產(chǎn)的tms320f2812數(shù)字信號處理器22-25作為無刷直流電機的控制器。該處理器可以滿足高速運行的控制要求，使無刷直流電機的優(yōu)秀性能充分發(fā)揮，也為伺服控制系統(tǒng)的可靠運行提供了強有力硬件支持。由dsp提供的六路pwm信號經(jīng)過高速光藕隔離后送至驅(qū)動芯片ir2130，再由驅(qū)動芯片輸出到驅(qū)動橋電路從而控制電機的運轉(zhuǎn)，上位機顯示通過串口與dsp通信，發(fā)送指令來控制電機起動、停止等命令及