【正文】 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)設計以及 無刷直流電機仿真技術 的 研究 與 實現(xiàn)。 學位論文作者簽名： 簽字日期： 年 月 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解 蘭州交通大學 有關保留、使用學位論文的規(guī)定。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。 （保密的學位論文在解密后適用 本授權說明） 學位論文作者簽名： 導師簽名： 簽字日期： 年 月 日 簽字日期： 年 月 日 碩 士 學 位 論 文 基于 DSP無刷 直流電機控制系統(tǒng)的設計與仿真 BLDC Motor Control System Design and Simulation Based on DSP 作 者 姓 名： 學科、專業(yè) ： 學 號 ： 指 導 教 師： 完 成 日 期： 蘭 州 交 通 大 學 Lanzhou Jiaotong University 蘭州交通大學碩士學位論文 I 摘 要 無刷直流電機 的 結構簡單、運行可靠、維護 方便等諸多 優(yōu)點， 使 其在當今眾多高新尖科技領域中獲得了 良好的應用前景。 然后，本文 根據(jù)該設計方案完成了整個控制系統(tǒng)的硬件 和軟件設計 工作 。 文中對 如何將 PSO 算法實現(xiàn)于模糊控制器的優(yōu)化設計進行原理闡述，使控制系統(tǒng)能夠在線自動調整模糊控制器的量化因子eK 、 ecK 和比例因子 uK ，進而調整 PID 的三個參數(shù)稱 pK 、 iK 、 dK 較好地實現(xiàn)系統(tǒng)快速 、 無超調的動態(tài)性能。 關鍵詞 ： 模糊 PID 控制器； DSP 控制系統(tǒng)設計； PSO 算法 ；無刷直流電機 論文類型：應用研究 蘭州交通大學碩士學位論文 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。導致這種 結果 的原因是多方面的，但主要的 原因 還是 因為 電刷 的存在 。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 半導體器件代替 電機 電刷 [1]。在接下來的較長時間里，直 流電機憑借著調速性能好、控制簡單、體積小、性價比高等優(yōu)點在工業(yè) 領域內得到重視與發(fā)展 [3]。 第二個階段： 誕生階段。從 1978 年起，無刷直流電機逐漸運用到工業(yè)生產中，這種實質性的發(fā)展也是 依賴于 電子技術、永磁材料等 以及 電機相關領域技術的發(fā) 展而得以實現(xiàn)的 ，使得無刷直流電機更具實用性 。 但 并不是所從事研究與開發(fā)的工程技術人員都 有 與 研究領域相適應的 進程相應的儀器設備。 而MATLAB 仿真軟件就是最為人們所熟知、應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)仿真的結果進行一定范圍的調整 以便 運用仿真器找到合適的系統(tǒng)的設定參數(shù)。仿真研究 的 優(yōu)勢在于，能夠為實際系統(tǒng)的設計提供 大量 、充分 、更利于觀察的 曲線與 圖標等依據(jù) ， 達到這樣的效果也與前兩者有著千絲萬縷的聯(lián)系 。 目前，對 于線性系統(tǒng)的 研究 已 經 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 的設計與研發(fā) 中 ，對永磁無刷直流電機控制技術的發(fā)展是不可替代的 [5][7]。 現(xiàn)在 ， 在眾多的電機控制策略中， 經典的 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 廣泛的應用 。近年來， 對 永磁無刷直流電機 控制技術的研究已 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 制或消除轉矩脈動 變得 十分 關鍵， 這也 是伺服控制系統(tǒng) 設計者所關注的重要問題之一 。因此 ，要想進一步 提高 電機的動態(tài)特性，還應該 針對 這個問題做 更加深入細致 的研究 與分析 。 但之所以 其 應用受到 了一定 限制 ，就 是因為 其動態(tài)響應、 抗干擾能力 相對較差 。 從鎖相環(huán)控制的鑒相器實現(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)永磁無刷直流電機及其控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，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 。 蘭州交通大學碩士學位論文 5 (6) 對系統(tǒng)的實驗平臺進行軟件和硬件的聯(lián)合調試 ，進行適當?shù)男薷?，最終達到理想的效果，然后 對實驗結果 進行分析 。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 反饋給驅動器，驅動器 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，控制電子開關線路， 使定子各相繞組按一定 邏輯順序 導通 。轉子的結構可以分凸極式和嵌入式，凸極式就是在轉子表面上貼上瓦片狀的永磁體 ； 嵌入式就 是 在 轉子的鐵心中 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原理圖， 其中 A39。 在設計定子的繞組時，通常把短距繞組 設計成 分布式 的 ，這樣 做不但可以 減 少 電機的轉矩脈動 ，而且還可以 提高電動 機運行平穩(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，最主要的是它能產生穩(wěn)定的磁場 。 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 。 要想使 電動機 旋轉 ，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 相對于 轉子不斷地變化， 從而達到了電樞繞組切割磁感線的效果 ， 進而產生電磁感應效應 推動轉子旋轉 [14]。無刷直流電動機的原理 框 圖如 圖 所示。 每路電路導通時會讓 定子繞組 圍繞 軸線轉動 60176。 蘭州交通大學碩士學位論文 9 AB ’BA ’C ’CNSABCAB ’BA ’C ’CN SABCAB ’BA ’C ’CNSABCFfFAFBFa 1( T 6 , T 1 )( a ) T 6 、 T 1 導 通 過FfFCFa 2( T 1 , T 2 )( b ) T 1 、 T 2 導 通 過FAFfFa 3( T 2 , T 3 )( c ) T 2 、 T 3 導 通 過FCFBAB ’BA ’C ’CNSABCAB ’BA ’C ’CNSABCAB ’BA ’C ’CNSABCFfFAFBFa 4( T 3 , T 4 )( d ) T 3 、 T 4 導 通 過FfFCFa 5( T 4 , T 5 )( e ) T 4 、 T 5 導 通 過FAFfFa 6( T 5 , T 6 )( f ) T 5 、 T 6 導 通 過FCFB 圖 Fa與轉子磁勢 Ff之間的空間相位關系 表 永磁無刷 直流電機正反轉換邏輯表 狀態(tài) A B C D E F 邏輯量 （ 正轉 ） 101 100 110 010 011 001 正轉 時電流流向 A+B A+C B+C B+A C+A C+B 邏輯量 （ 反轉 ） 010 011 001 101 100 110 反轉 時電流流向 BA+ CA+ CB+ AB+ AC+ BC+ 永磁無刷 直流電機 數(shù)學 模型的 確定 本節(jié)數(shù)學模型建立 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；忽 略齒槽效應。 )(a s aa m RsL C ?mm1BsJ ?lT mθ?eC 圖 機電系統(tǒng)伺服驅動系統(tǒng)控制方框圖 (5) 帶 負載 的運動學 方程 aiCT mm? （ ） MeθCe ?? （ ） M1?? ?? i? （ ） iTTθBθ)Ji1(JT mm2mm LfL ????? ??? （ ）daaadtd UeiRiL ??? （ ） L21 JiJJ m ?? （ ） 以上各式經過拉 氏 變換整理得： 基于 DSP 無刷 直流電機控制系統(tǒng)的設計與仿真 12 fLa )()()( TiTsBssJsIC mmm ???? ?? ?? （ ） BJsTiTsIBJs Cs mm ????? fLa )()(?? （ ） )()( e sCsE m??? （ ） 其中 J 為電機的轉動慣量， 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， fT 為摩擦力矩， 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)，反饋量也是電機的轉速。根據(jù)以上定義，蘭州交通大學碩士學位論文 13 顯然 本文所研究的永磁無刷直流電機系 統(tǒng)采用的正是轉速電流雙閉環(huán)控制，其中 把 電流環(huán) 做 為內環(huán)，轉速環(huán) 做 為外環(huán)。 針對 該 問題， 無位置傳感器 控制法 應運而生，并 逐漸受到國內外專家的關注 。 變結構開關模式 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)設計 。 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 量過大 而 不易收斂 等，前 兩種算法已經 很難滿足現(xiàn)代 控制的需求， 而 逐漸被 市場 所 淘汰 。故微處理器的選擇是整個控制系統(tǒng)設計工作的關鍵步驟之一。 市面上可供選擇的 單片機的種類很多 ，但 單片機 開關的 控制 頻率與控制精度 不高，這 直接影響到電機的轉矩波動 和開關頻率 ，最終 會使 無刷直流伺服電機 得轉矩波動更加明顯 。最 重要 的 ，這樣 就可以實現(xiàn)無傳感器控制。 在實際 的 工程 應用中，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 。 由 DSP 提供的六路 PWM 信號經過高速光