【正文】 帶來的壓力是巨大的 。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 良好的應用前景。 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。 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。 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 。 (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。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。 (1) 電壓平衡方 程 基于 DSP 無刷 直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)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。 基于 DSP 無刷 直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)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。 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 。 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 。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。 基于 DSP 無刷 直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)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 。 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 。 基于 DSP 無刷 直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)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)。 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)。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) 。 (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。計算機可以用于大部分電子工程 [2]。 1955 年， 無刷直流電機 技術(shù) 的 瓶頸 終于 被攻克，設(shè)計者 等科學家 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) 。 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 。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。 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(shè)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(shè)計與說明。 學位論文作者簽名： 簽字日期： 年 月 日 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者完全了解 蘭州交通大學 有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定。 （保密的學位論文在解密后適用 本授權(quán)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(shè)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(jié)構(gòu)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(lǐng)域中獲得了 良好的應用前景。 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eK 、 ecK 和比例因子 uK ，進而調(diào)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(diào)的動態(tài)性能。導致這種 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 。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]。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 。 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。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 。 現(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 廣泛的應用 。 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 。 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 。 (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 。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 導通 。 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。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 。 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)生電磁感應效應 推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) [14]。 每路電路導通時會讓 定子繞組 圍繞 軸線轉(zhuǎn)動 60176。 )(a s aa m RsL C ?mm1BsJ ?lT mθ?eC 圖 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 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 直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 12 fLa )()()( TiTsBssJsIC mmm ???? ?? ?? （ ） BJsTiTsIBJs Cs mm ????? fLa )()(?? （ ） )()( e sCsE m??? （ ） 其中 J 為電機的轉(zhuǎn)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(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。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(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)。 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 。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。最 重要 的 ，這樣 就可以實現(xiàn)無傳感器控制。 由 DSP 提供的六路 PWM 信號經(jīng)過高速光