【導(dǎo)讀】究成果，也不包含獲得蘭州交通大學(xué)或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。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。印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國家有關(guān)部門或機。構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。尖科技領(lǐng)域中獲得了良好的應(yīng)用前景。以及無刷直流電機仿真技術(shù)的研究與實現(xiàn)。實現(xiàn)快速起動、系統(tǒng)穩(wěn)定且具有較寬的調(diào)速范圍等優(yōu)點。效果，具有廣泛的應(yīng)用范圍。然后，本文根據(jù)該設(shè)計方案完成了整個控制系統(tǒng)的硬件和。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。方案與基于微粒群優(yōu)化算法的自適應(yīng)模糊PID控制方案兩種設(shè)計方面。速、無超調(diào)的動態(tài)性能。在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下采用模塊建立無刷直流電機功。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。產(chǎn)品的開發(fā)周期，為無刷直流電機控制的設(shè)計開發(fā)提供了較好的方法。

　　

【正文】 acabacbacbacba000000eeeiiiPLLLLLLLLLiiiRRRUUUb （ ） 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。 我們假定 aL = bL = cL ， aR = bR = cR ， abL = acL = baL = bcL = caL = cbL ， 并由 aR + bR + cR =0可得 ??????????????????????????????????????????????????????????????????cbacbacbassscba000000000000eeeiiiPMLMLMLiiiRRRUUU （ ） (2) 轉(zhuǎn)矩 方程 wieieieT /)( ccbbaae ??? （ ） )(e dtdwJBwTT L ??? （ ） 其中， w 為角速度， B 為阻尼系數(shù)， J 為電機的轉(zhuǎn)動慣量， LT 為負載的轉(zhuǎn)矩 ，eT 為等效轉(zhuǎn)矩 。 (3) 狀態(tài) 方程 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????cbacbassscbacba000000100010001eeeiiiRRRUUUMLMLMLiiiP （ ） (4) 不帶 負載 的運動學(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 。 )(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(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。 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。 當(dāng)速度需要發(fā)生改變時 ，系統(tǒng)只需 通過 改變 PWM 的占空 比，進而 改變電機電樞 上 電壓的大小， 最終實現(xiàn)對 電機轉(zhuǎn)速 的 控制。 (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 。一般 為 速度閉環(huán)，反饋量也是電機的轉(zhuǎn)速。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。給定轉(zhuǎn)速 就是預(yù)先 輸入 的 n，結(jié)合測速傳感器 反饋的實際轉(zhuǎn) 速 nf，兩者 進行邏輯運算 后得到轉(zhuǎn)速誤差信號 ne，轉(zhuǎn)速誤差信號經(jīng)過速度調(diào)節(jié)器的處理就輸出PWM 值 ,然后把 PWM 信號經(jīng)過 驅(qū)動器 放大 后就可以驅(qū)動電機轉(zhuǎn)起來，這樣 就實現(xiàn)了對電機的單閉環(huán) 控制。 (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(guān)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(guān)器 件導(dǎo)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 。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)。 之所以采用 雙閉 環(huán)控制系統(tǒng) ，是因為其 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；而 其 缺點是 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 、 成本高。 控制算法的 確定 (1) 無位置 傳感器 的 控制 算法 在 伺服電機控制系統(tǒng)設(shè)計 的過程中 ，需要對轉(zhuǎn)子 位置的檢測和換相技術(shù) 進行周密 的思考 與論證 ， 這也是能否得到優(yōu)良控制系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。 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(dān) 。 針對 該 問題， 無位置傳感器 控制法 應(yīng)運而生，并 逐漸受到國內(nèi)外專家的關(guān)注 。 (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。其中，變結(jié)構(gòu)控制 以其響應(yīng)速度快、對控制對象參數(shù)變化不敏感、抗干擾能力強、物理實現(xiàn)簡單等 諸多 優(yōu)點，被 越來越多的設(shè)計人員 推崇。 物理實現(xiàn)簡單等優(yōu)點， 越來越受到人們的關(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 。二者得到的變結(jié)構(gòu)開關(guān)模式都能 使系統(tǒng)的位置控制達到較好的控制效果 [19][21]。 (3) 基于模糊控制和 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制算法 在這個控制算法中， 對伺服電機電流調(diào)節(jié)特性的改善以及減小力矩波動 是設(shè)計伺服控制系統(tǒng)所關(guān)注的重要問題之一 。 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(xué)模型， 具有良好 系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng) 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(yīng) 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 。 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(diào)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(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 。 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(yīng)快、 超調(diào)量小 、 穩(wěn)態(tài) 精度高等 諸多 優(yōu)點 。 主要控制 模塊的比較選擇 目前，通常 采用微處理器作為 無刷直流伺服電機控制 核心 ，它的結(jié)構(gòu)及性能對 系統(tǒng)控制 精度 起著 決定性的 作用 。 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(shè)計與仿真 14 護、性能穩(wěn)定、控制簡單、 時效性編程效率 高 。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。 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。 這 需要扎實的編程基礎(chǔ) ， 同時還 要 非常熟悉無刷直流電機的控制過程 ， 必要時 編程者還得參與硬件電路的設(shè)計 。 毋庸置疑， 這 對設(shè)計者帶來的壓力是巨大的 。 市面上可供選擇的 單片機的種類很多 ，但 單片機 開關(guān)的 控制 頻率與控制精度 不高，這 直接影響到電機的轉(zhuǎn)矩波動 和開關(guān)頻率 ，最終 會使 無刷直流伺服電機 得轉(zhuǎn)矩波動更加明顯 。 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。而作為 專用 數(shù)字信號處理器 DSP 相對于單 片機而言，由于結(jié)構(gòu)上的本質(zhì)區(qū)別，使得 DSP 在控制速度和控制效率方面 達到了一個理想 的 高度。 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 。最 重要 的 ，這樣 就可以實現(xiàn)無傳感器控制。 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(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 刷直流電機控制方案 進行優(yōu)化 設(shè)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(chǔ) 。 蘭州交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 15 3 基于 DSP 的 直流 電機系統(tǒng)控制方案設(shè)計 控制系統(tǒng) 總體結(jié)構(gòu) 無刷直流電機是伺服控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件，是其至關(guān)重要的一部分，它集 有刷直流電動機 和交流電機的優(yōu)點于一身，具有結(jié)構(gòu)簡單、維護便利、具有 較好的啟動性能和轉(zhuǎn)速控制性能 等諸多優(yōu)點 。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(yīng)用前景。 在實際 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(yīng) 。 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。為此，在本 文 中 選取由美國 TI 公司生產(chǎn)的 TMS320F2812 數(shù)字信號處理器 [2225]作為無刷直流電機的控制器 。 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。 由 DSP 提供的六路 PWM 信號經(jīng)過高速光