【正文】 在實(shí)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(yùn)用反饋信號作為高速運(yùn)行的控制條件時(shí)，需要高靈敏度的反應(yīng) 。 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 和開關(guān)頻率 ，最終 會使 無刷直流伺服電機(jī) 得轉(zhuǎn)矩波動更加明顯 。 實(shí)踐證明， 對于傳統(tǒng)基于線性控制方法 具有諸多 缺點(diǎn) ，如 對 控制 模型依賴性強(qiáng) 、 不能在線 動態(tài)調(diào)整 、 對于大滯后強(qiáng)耦合 、 非線性強(qiáng)的系統(tǒng)進(jìn)行 動態(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 所 淘汰 。 針對 該 問題， 無位置傳感器 控制法 應(yīng)運(yùn)而生，并 逐漸受到國內(nèi)外專家的關(guān)注 。一般 為 速度閉環(huán)，反饋量也是電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 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 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)。無刷直流電動機(jī)的原理 框 圖如 圖 所示。 然而，電刷的存在使電動機(jī)的各方面的性能受到很大的限制 。 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 ，而且還可以 提高電動 機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性 。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 。 蘭州交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 (6) 對系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行軟件和硬件的聯(lián)合調(diào)試 ，進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷模罱K達(dá)到理想的效果，然后 對實(shí)驗(yàn)結(jié)果 進(jìn)行分析 。 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 。因此 ，要想進(jìn)一步 提高 電機(jī)的動態(tài)特性，還應(yīng)該 針對 這個(gè)問題做 更加深入細(xì)致 的研究 與分析 。近年來， 對 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 。 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(yùn)用 在 永 磁無刷直流電機(jī) 的設(shè)計(jì)與研發(fā) 中 ，對永磁無刷直流電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展是不可替代的 [5][7]。 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)。 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。 第二個(gè)階段： 誕生階段。在這些研究成果中，對電機(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]。 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。 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 。與我一同工作的同志對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。本文主要研究以下幾個(gè)方面：如何實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)平穩(wěn)起 動，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)。在 MATLAB/SIMULINK 環(huán)境下采用模塊建立無刷直流電機(jī)功能模塊，主要由無刷電機(jī)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(jìn)行功能模塊的有機(jī)結(jié)合，搭建了無刷直流電機(jī)系統(tǒng)的仿真模型 。 這種 機(jī)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(shí) 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(jī)在 保養(yǎng)和維修 方面的不便 和較高的費(fèi)用 。 按照時(shí)間順序，可以把直流電機(jī)的發(fā)展分為四個(gè)階段 ： 第一個(gè)階段 ： 理論階段。 第四個(gè)階段：智能化發(fā)展階段。 MATLAB 仿 真主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： (1) 研究方法 已經(jīng)有專門的設(shè)計(jì)人員事先調(diào)試好，仿真時(shí)只要選擇合適的構(gòu)建方法就能達(dá)到理想的仿真效果，具有 簡單、 快捷 、 多樣、方便 多樣 等優(yōu)點(diǎn) 。 國內(nèi)外 研究現(xiàn)狀及分析 永磁無刷直流電機(jī) 之所以比傳統(tǒng)的 直流電機(jī) 更具競爭力， 是因?yàn)橛来艧o刷直流電機(jī)在保留了傳統(tǒng)直流電機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)的 同時(shí)，還隨著其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，使得 我們 不得不重新認(rèn)識 無刷電機(jī)的 定義。 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(jī)控制中 的應(yīng)用， 也對 電機(jī)的運(yùn)行性能 的改善與提高起到了不可替代的作用 。 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。 特別是 在大轉(zhuǎn)動慣量永磁無刷直流電機(jī)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特性。 (3) 對 永磁無刷直流電機(jī)系統(tǒng) 硬件構(gòu)成 及 軟件 運(yùn)行原理 進(jìn)行了詳盡的說明， 并 建立電機(jī)的運(yùn)動學(xué)模型、電器模型以及電器模型并 分析 了電機(jī)的 運(yùn)行特性及其調(diào)速的方法 。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(jī)械換向器的作用。A? 、 B39。 永磁 無刷直流電機(jī)的工作原理 傳統(tǒng)直流電動機(jī)的構(gòu)造時(shí)，都會把電樞安裝在轉(zhuǎn)子上。 從圖 不難看出， 無刷直流電動機(jī) 主要 由電動機(jī)和驅(qū)動器 兩部分 構(gòu) 成。 ， 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(shí)現(xiàn)無 刷直流電動機(jī)連續(xù) 運(yùn)動 。 永磁無刷 直流電機(jī) 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。 之所以采用 雙閉 環(huán)控制系統(tǒng) ，是因?yàn)槠?轉(zhuǎn)速響應(yīng) 、 轉(zhuǎn)矩響應(yīng) 速度快、控制 精度高 、系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)；而 其 缺點(diǎn)是 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 、 成本高。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(dá)到較好的控制效果 [19][21]。 可編程 控制器 可對 無刷直流伺服電機(jī) 控制系統(tǒng) 進(jìn)行 邏輯控制。 小結(jié) 本章 主要內(nèi)容是對 無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理 進(jìn)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(jī)控制方案 進(jìn)行優(yōu)化 設(shè)計(jì)， 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(shí)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) 。 該處理器可以滿足高速運(yùn)行的控制要求，使無刷直流電機(jī)的優(yōu)秀性能充分發(fā)揮，也為 伺服 控制系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供了強(qiáng)有力硬件支持。 而且， 基于 DSP 對無刷直流電機(jī)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 。 根據(jù)工程需求 和實(shí)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(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 14 護(hù)、性能穩(wěn)定、控制簡單、 時(shí)效性編程效率 高 。 物理實(shí)現(xiàn)簡單等優(yōu)點(diǎn)， 越來越受到人們的關(guān)注。 (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(shí)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(jī)的電流參考值 （轉(zhuǎn)速與電流有一定的線性關(guān)系） ； 同時(shí)，通過 特定的 電 流檢測電路實(shí)時(shí)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(jì)算的轉(zhuǎn)子 位置 [15]，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器后確定各個(gè)功率開關(guān)器 件導(dǎo)通時(shí)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(jī)轉(zhuǎn)動起來， 并 再次對這些 步驟進(jìn)行循環(huán)實(shí)時(shí)反饋與調(diào)整 。 (3) 狀態(tài) 方程 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????cbacbassscbacba000000100010001eeeiiiRRRUUUMLMLMLiiiP （ ） (4) 不帶 負(fù)載 的運(yùn)動學(xué) 方程 aaaaa dtd ueiRiL ??? （ ） meθ?Ce? （ ） amm iCT ? （ ） mmmmLm θθ ??? BJTT ??? （ ） 將上式經(jīng)過拉式變換得電動機(jī)的電路回路的模型，即 蘭州交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 11 )()()( aaaaa sUEsIRssIL ??? （ ） )(θme sCE ?? （ ） )(θ)(θs mmmmLm sBsJTT ?? ??? （ ） 因?yàn)?0L?T ，所以 有 mmema2mamam )( )(θ BCCsJR