【正文】 現(xiàn)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)平穩(wěn)起 動(dòng)，如何基于微控芯片 DSP 進(jìn)行 無刷直流電機(jī)硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及 無刷直流電機(jī)仿真技術(shù) 的 研究 與 實(shí)現(xiàn)。 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。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 （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(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 BLDC Motor Control System Design and Simulation Based on DSP 作 者 姓 名： 學(xué)科、專業(yè) ： 學(xué) 號(hào) ： 指 導(dǎo) 教 師： 完 成 日 期： 蘭 州 交 通 大 學(xué) Lanzhou Jiaotong University 蘭州交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 I 摘 要 無刷直流電機(jī) 的 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù) 方便等諸多 優(yōu)點(diǎn)， 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。 然后，本文 根據(jù)該設(shè)計(jì)方案完成了整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件 和軟件設(shè)計(jì) 工作 。 文中對(duì) 如何將 PSO 算法實(shí)現(xiàn)于模糊控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行原理闡述，使控制系統(tǒng)能夠在線自動(dòng)調(diào)整模糊控制器的量化因子eK 、 ecK 和比例因子 uK ，進(jìn)而調(diào)整 PID 的三個(gè)參數(shù)稱 pK 、 iK 、 dK 較好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速 、 無超調(diào)的動(dòng)態(tài)性能。 關(guān)鍵詞 ： 模糊 PID 控制器； DSP 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)； PSO 算法 ；無刷直流電機(jī) 論文類型：應(yīng)用研究 蘭州交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 III Abstract Brushless 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 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 chip DSP and implement simulation technology of brushless DC motor. First， learning the permanent mag brushless DC motor39。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?yàn)?電刷 的存在 。在這些研究成果中，對(duì)電機(jī)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(lì)磁 、 用 半導(dǎo)體器件代替 電機(jī) 電刷 [1]。在接下來的較長(zhǎng)時(shí)間里，直 流電機(jī)憑借著調(diào)速性能好、控制簡(jiǎn)單、體積小、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè) 領(lǐng)域內(nèi)得到重視與發(fā)展 [3]。 第二個(gè)階段： 誕生階段。從 1978 年起，無刷直流電機(jī)逐漸運(yùn)用到工業(yè)生產(chǎn)中，這種實(shí)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(jī)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā) 展而得以實(shí)現(xiàn)的 ，使得無刷直流電機(jī)更具實(shí)用性 。 但 并不是所從事研究與開發(fā)的工程技術(shù)人員都 有 與 研究領(lǐng)域相適應(yīng)的 進(jìn)程相應(yīng)的儀器設(shè)備。 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。 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(jìn)行一定范圍的調(diào)整 以便 運(yùn)用仿真器找到合適的系統(tǒng)的設(shè)定參數(shù)。仿真研究 的 優(yōu)勢(shì)在于，能夠?yàn)閷?shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供 大量 、充分 、更利于觀察的 曲線與 圖標(biāo)等依據(jù) ， 達(dá)到這樣的效果也與前兩者有著千絲萬縷的聯(lián)系 。 目前，對(duì) 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(yùn)用 在 永 磁無刷直流電機(jī) 的設(shè)計(jì)與研發(fā) 中 ，對(duì)永磁無刷直流電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展是不可替代的 [5][7]。 現(xiàn)在 ， 在眾多的電機(jī)控制策略中， 經(jīng)典的 PID 控制 以其算法簡(jiǎn)單緊湊、運(yùn)行可靠、控制器可以由模擬電路實(shí)現(xiàn) 等優(yōu)點(diǎn)得到 了 廣泛的應(yīng)用 。近年來， 對(duì) 永磁無刷直流電機(jī) 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 。 尤其是大慣性系統(tǒng)，控 制或消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 變得 十分 關(guān)鍵， 這也 是伺服控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)者所關(guān)注的重要問題之一 。因此 ，要想進(jìn)一步 提高 電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，還應(yīng)該 針對(duì) 這個(gè)問題做 更加深入細(xì)致 的研究 與分析 。 但之所以 其 應(yīng)用受到 了一定 限制 ，就 是因?yàn)?其動(dòng)態(tài)響應(yīng)、 抗干擾能力 相對(duì)較差 。 從鎖相環(huán)控制的鑒相器實(shí)現(xiàn)方式來看 [8][10]，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(shí)現(xiàn) 鎖相環(huán)非線性控 制方法 是 最效率的一種方法 。 (2) 根據(jù)永磁無刷直流電機(jī)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(jī)及其控制系統(tǒng)系統(tǒng)的模型 ， 并進(jìn)行仿真 。 蘭州交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 (6) 對(duì)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行軟件和硬件的聯(lián)合調(diào)試 ，進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，最終達(dá)到理想的效果，然后 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 進(jìn)行分析 。把 位置傳感器 與電 機(jī)的主軸同軸安裝，用以檢測(cè)電機(jī)磁鋼的位置，進(jìn)而將位置信號(hào) 反饋給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器 再將給定的控制信號(hào)和反饋的位置信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合后發(fā)送信號(hào)，控制電子開關(guān)線路， 使定子各相繞組按一定 邏輯順序 導(dǎo)通 。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 。 如 圖 所示的電 路中就具有三相繞組無刷直流電機(jī)原理圖， 其中 A39。 在設(shè)計(jì)定子的繞組時(shí)，通常把短距繞組 設(shè)計(jì)成 分布式 的 ，這樣 做不但可以 減 少 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) ，而且還可以 提高電動(dòng) 機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性 。這種材料 具有 好的寬磁滯回線、高矯頑力、 高剩磁等優(yōu)點(diǎn)，最主要的是它能產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng) 。 然而，電刷的存在使電動(dòng)機(jī)的各方面的性能受到很大的限制 。 要想使 電動(dòng)機(jī) 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 子磁場(chǎng) 相對(duì)于 轉(zhuǎn)子不斷地變化， 從而達(dá)到了電樞繞組切割磁感線的效果 ， 進(jìn)而產(chǎn)生電磁感應(yīng)效應(yīng) 推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) [14]。無刷直流電動(dòng)機(jī)的原理 框 圖如 圖 所示。 每路電路導(dǎo)通時(shí)會(huì)讓 定子繞組 圍繞 軸線轉(zhuǎn)動(dòng) 60176。 蘭州交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 9 AB ’BA ’C ’CNSABCAB ’BA ’C ’CN SABCAB ’BA ’C ’CNSABCFfFAFBFa 1( T 6 , T 1 )( a ) T 6 、 T 1 導(dǎo) 通 過FfFCFa 2( T 1 , T 2 )( b ) T 1 、 T 2 導(dǎo) 通 過FAFfFa 3( T 2 , T 3 )( c ) T 2 、 T 3 導(dǎo) 通 過FCFBAB ’BA ’C ’CNSABCAB ’BA ’C ’CNSABCAB ’BA ’C ’CNSABCFfFAFBFa 4( T 3 , T 4 )( d ) T 3 、 T 4 導(dǎo) 通 過FfFCFa 5( T 4 , T 5 )( e ) T 4 、 T 5 導(dǎo) 通 過FAFfFa 6( T 5 , T 6 )( f ) T 5 、 T 6 導(dǎo) 通 過FCFB 圖 Fa與轉(zhuǎn)子磁勢(shì) Ff之間的空間相位關(guān)系 表 永磁無刷 直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)換邏輯表 狀態(tài) A B C D E F 邏輯量 （ 正轉(zhuǎn) ） 101 100 110 010 011 001 正轉(zhuǎn) 時(shí)電流流向 A+B A+C B+C B+A C+A C+B 邏輯量 （ 反轉(zhuǎn) ） 010 011 001 101 100 110 反轉(zhuǎn) 時(shí)電流流向 BA+ CA+ CB+ AB+ AC+ BC+ 永磁無刷 直流電機(jī) 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(duì)稱 、 星形聯(lián)接 ； 繞組電阻 、 電感和互感 值 均為 為 常數(shù)； 不計(jì) 電樞反應(yīng)；忽 略齒槽效應(yīng)。 )(a s aa m RsL C ?mm1BsJ ?lT mθ?eC 圖 機(jī)電系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制方框圖 (5) 帶 負(fù)載 的運(yùn)動(dòng)學(xué) 方程 aiCT mm? （ ） MeθCe ?? （ ） M1?? ?? i? （ ） iTTθBθ)Ji1(JT mm2mm LfL ????? ??? （ ）daaadtd UeiRiL ??? （ ） L21 JiJJ m ?? （ ） 以上各式經(jīng)過拉 氏 變換整理得： 基于 DSP 無刷 直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 12 fLa )()()( TiTsBssJsIC mmm ???? ?? ?? （ ） BJsTiTsIBJs Cs mm ????? fLa )()(?? （ ） )()( e sCsE m??? （ ） 其中 J 為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， e 為反電動(dòng)勢(shì)的常數(shù)， mT 為電機(jī)的輸出力矩， LT 為負(fù)載力矩， fT 為摩擦力矩， eC 為直流電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)的常數(shù)， mC 為力矩常數(shù)， aR 為電動(dòng)機(jī)電樞回路的電阻， mB 轉(zhuǎn)子的粘性摩擦系數(shù) ， aL 為電樞的電感， au 為電樞的電流， ai 為電樞的電流。一般 為 速度閉環(huán)，反饋量也是電機(jī)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)以上定義，蘭州交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 13 顯然 本文所研究的永磁無刷直流電機(jī)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)。 針對(duì) 該 問題， 無位置傳感器 控制法 應(yīng)運(yùn)而生，并 逐漸受到國(guó)內(nèi)外專家的關(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(jì) 。 實(shí)踐證明， 對(duì)于傳統(tǒng)基于線性控制方法 具有諸多 缺點(diǎn) ，如 對(duì) 控制 模型依賴性強(qiáng) 、 不能在線 動(dòng)態(tài)調(diào)整 、 對(duì)于大滯后強(qiáng)耦合 、 非線性強(qiáng)的系統(tǒng)進(jìn)行 動(dòng)態(tài) 控制時(shí)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(chǎng) 所 淘汰 。故微處理器的選擇是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的關(guān)鍵步驟之一。 市面上可供選擇的 單片機(jī)的種類很多 ，但 單片機(jī) 開關(guān)的 控制 頻率與控制精度 不高，這 直接影響到電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng) 和開關(guān)頻率 ，最終 會(huì)使 無刷直流伺服電機(jī) 得轉(zhuǎn)矩波動(dòng)更加明顯 。最 重要 的 ，這樣 就可以實(shí)現(xiàn)無傳感器控制。 在實(shí)際 的 工程 應(yīng)用中，對(duì)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(yùn)用反饋信號(hào)作為高速運(yùn)行的控制條件時(shí)，需要高靈敏度的反應(yīng) 。 由 DSP 提供的六路 PWM 信號(hào)經(jīng)過高速光