【正文】 （ ） meθ?Ce? （ ） amm iCT ? （ ） mmmmLm θθ ??? BJTT ??? （ ） 將上式經(jīng)過拉式變換得電動機的電路回路的模型，即 蘭州交通大學碩士學位論文 11 )()()( aaaaa sUEsIRssIL ??? （ ） )(θme sCE ?? （ ） )(θ)(θs mmmmLm sBsJTT ?? ??? （ ） 因為 0L?T ，所以 有 mmema2mamam )( )(θ BCCsJRsJL CsU s ????? （ ） 其中 e 為 反電動勢的常數(shù) ， mT 為電機的輸出力矩， LT 為負載力矩， eC 為 直流電機的反電動勢的常數(shù) ， mC 為力矩常數(shù)， aR 為 電動機電樞回路的電 阻 ， mB 轉(zhuǎn)子的粘性摩擦系數(shù) ， mJ 為等效轉(zhuǎn)動慣量， aL 為 電樞的電感 ， au 為 電樞的電流 ， ai 為 電樞的電流 。 (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 。 (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 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器 件導通時間 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 。 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 。 物理實現(xiàn)簡單等優(yōu)點， 越來越受到人們的關注。 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)學模型， 具有良好 系統(tǒng)動態(tài)響應 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 用于無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 。 根據(jù)工程需求 和實際使用的 角度 來 說 ， 要求微處理器易維基于 DSP 無刷 直流電機控制系統(tǒng)的設計與仿真 14 護、性能穩(wěn)定、控制簡單、 時效性編程效率 高 。 毋庸置疑， 這 對設計者帶來的壓力是巨大的 。 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 。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、端領域 展現(xiàn) 出 良好的應用前景。 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。 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。 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 進行了相關的分析，建立了 數(shù)學模 型及其電氣模型 ， 并在此 基礎上 對 無 刷直流電機控制方案 進行優(yōu)化 設計， 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 。 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。 可編程 控制器 可對 無刷直流伺服電機 控制系統(tǒng) 進行 邏輯控制。 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)響應快、 超調(diào)量小 、 穩(wěn)態(tài) 精度高等 諸多 優(yōu)點 。二者得到的變結(jié)構(gòu)開關模式都能 使系統(tǒng)的位置控制達到較好的控制效果 [19][21]。 (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)的設計中。 之所以采用 雙閉 環(huán)控制系統(tǒng) ，是因為其 轉(zhuǎn)速響應 、 轉(zhuǎn)矩響應 速度快、控制 精度高 、系統(tǒng)抗干擾能力強；而 其 缺點是 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)復雜 、 成本高。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。 永磁無刷 直流電機 控制方案 選擇與確定 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。 (1) 電壓平衡方 程 基于 DSP 無刷 直流電機控制系統(tǒng)的設計與仿真 10 ???????????????????????????????????????????????????????????????cbacbaccbcabcbaacabacbacbacba000000eeeiiiPLLLLLLLLLiiiRRRUUUb （ ） 其中 P 為 磁極對數(shù)矩陣； aU 、 bU 、 cU 是三相定子的電壓 ； ae 、 be 、 ce 是三相 繞組的 電勢 ； ai 、 bi 、 ci 是 三相繞組的相電流 ； aL 、 bL 、 cL 是 三相繞組的 電流自感 ； abL 、acL 、 baL 、 bcL 、 caL 、 cbL 是 繞相之間互感 ； aR 、 bR 、 cR 是繞組的相電阻。 ， 以此類推形成 傳感器 U、 V、 W 根據(jù)預定控制邏輯產(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 。 基于 DSP 無刷 直流電機控制系統(tǒng)的設計與仿真 8 P W M+Vd ct 1t 2t 3t 4t 5t 6ABCUVW單相或三相速 度 指 令速 度 反 饋邏輯組件正 / 反 轉(zhuǎn)T 1T 2T 3T 4T 5T 6UVWn 圖 三相橋式結(jié)構(gòu)無刷直流電動機工作原理圖 電 流 采 樣電 流 控 制 器 三 相 逆 變 器P W M 生 成 器速 度 計 算 光 電 編 碼 器 位 置 傳 感 器速 度 控 制 器進 給 點永 磁 無 刷直 流 電 機 圖 圖 中 主電路是 較典型的 電流轉(zhuǎn)換 電路， 輸入信號 預處理得到 對稱 交變矩形波信號。 從圖 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。 在設計 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 。 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。 同時 優(yōu)化設計時，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 。A? 、 B39。在設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。由于電子開關線路的導通 次序與 轉(zhuǎn)角同步 ， 因而 能 起到機械換向器的作用。 基于 DSP 無刷 直流電機控制系統(tǒng)的設計與仿真 6 2 永磁無刷 直流電機工作過程分析 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 所示 。 (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 建立電機的運動學模型、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 。 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 設計、仿真與優(yōu)化 。 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特性。 基于 DSP 無刷 直流電機控制系統(tǒng)的設計與仿真 4 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)。 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。 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。 當然 現(xiàn)代控制理論 ， 如最優(yōu)控制、自適應控制 策略 等 在電機控制中 的應用， 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 。但永磁 無刷直流電機是 由很多種元器件構(gòu)成的集合體，而在其中很多元器件是非線性的，這就 必然導致 永磁無刷直流電機 是 一個多變量、非線性系統(tǒng) 。 國內(nèi)外 研究現(xiàn)狀及分析 永磁無刷直流電機 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，還隨著其應用領域的不斷擴展，使得 我們 不得不重新認識 無刷電機的 定義。 (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。 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 。計算機可以用于大部分電子工程 [2]。 第四個階段：智能化發(fā)展階段。 1955 年， 無刷直流電機 技術(shù) 的 瓶頸 終于 被攻克，設計者 等科學家 依托 晶體管電子開關 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) 。 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。 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 。 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 導致 電機在 保養(yǎng)和維修 方面的不便 和較高的費用 。s basic structure， working principle， mathematical modeling and so on， and analyzing the current control methods of brushless DC motor monly used. Also to determine the pulsewidth 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 ， controlchip 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 performance， starting fast and stable， wide speed ranges. It’s not only simplifies the system peripherals， reducing system power consumption， but also improve the system39。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 。 文中詳細闡述了 TMS320F2812 的最小系統(tǒng)及其外圍電路等 多個電路的 設計， 并 以CCS (Code Composer Studio )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 設計與說明。本文主要研究以下幾個方面：如何實