【正文】 [19] 劉剛，王志強，房建成 .永磁無刷直流電機控制技術(shù)與應用 [M].北京：機械工業(yè)出版社， [20] 楊浩東，李榕，劉衛(wèi)國 .無刷直流電機的數(shù)學模型及其仿真 [J].微電機， 2020年 . [21] 陳伯時 .電力拖動自動控制系統(tǒng) —— 運動控制系統(tǒng) [M].北京：機械工業(yè)出版社 . [22] 馬建偉，李銀訝 .滿意 PID 控制設計理論與方法 [M].北京 :科學出版社， 2020 [23] 吳曉燕，張雙選 .MATLAB 在自動控制中的應用 [M].西安：西安電子科技大學出版社，～ 203 [24] 薛定宇 .控制系統(tǒng)仿真與計算機輔助設計 [M].北京：機械工業(yè)出版社， 2020。 最后， 感謝我的爸爸媽媽，養(yǎng)育之恩，無以回報，你們永遠健康快樂是我最大的心愿。 其次， 感謝大學四年來所有 為我們學習付出心血 的老師 們 ，這些老師 不僅 知識淵博 和 閱歷豐富， 而且 講課獨具風格 ， 在一定程度上 為我們打 了 下 堅實的 專業(yè)基礎(chǔ)知識 。在論文開始時，由于 實際 設計 經(jīng)驗 嚴重的 匱乏， 肯定 難免有許多考慮 不到，甚至是錯誤 的地方，但是 如果沒有導師 ***老師的認真指導和 一起 學習的 同學們 支持，想要完成這個設計是難以想象的。 這些都是本人以后 繼續(xù) 研究的方向 。由于 控制 系統(tǒng)設計 的內(nèi)容比較復雜而且難度也很高、存在著很大的限制，同時 時間 工作量同 樣也受到 限制，本文僅對無刷直流電機的控制系統(tǒng) 簡單的 進行了一些 最為 基本的 應用研究。 1 1 . 2 1 . 4 1 . 6 1 . 8 2 4 0 0 2 0 00200400無刷直流電機三相電流 )( aA/abcist /st /相電流無刷直流電機 A )( bA/aist /無刷直流電機轉(zhuǎn)速曲線 )( cmin//rnmNT?/st /無刷直流電機轉(zhuǎn)矩曲線 )( d給定轉(zhuǎn)速實際轉(zhuǎn)速1 1 . 2 1 . 4 1 . 6 1 . 8 2 1 5 1 050510151 1 . 2 1 . 4 1 . 6 1 . 8 2 1 5 1 050510151 1 . 2 1 . 4 1 . 6 1 . 8 2 2 0 1 0010203003 00? 圖 47 無刷直流電機正反轉(zhuǎn)仿真波形 第五章 總結(jié)與展望 總結(jié) 文章首先介紹了無刷直流電機的發(fā)展現(xiàn)狀，分析無刷直流電機的發(fā)展趨勢，介紹了無刷直流電機的應用場合，建立了無刷直流電機的數(shù)學模型，并設計了相應的數(shù)字控制系統(tǒng)，最后在 MATLAB 中對所建立的數(shù)學模型進行了仿真研究，仿真結(jié)果表明：本文設計的控制系統(tǒng)可以使電機輸出的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，具有較好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，滿足實際的應用要求。 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 00100 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 00100 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 801002003004000 . 2 4 0 . 2 6 0 . 2 8 0 . 3 0 . 3 2 0 . 3 4 0 . 3 62402602803003200 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 001020無刷直流電機三相電流 )( aA/abcist /st /相電流無刷直流電機 A )( bA/aist /無刷直流電機轉(zhuǎn)速曲線 )( cmin//rnmin//rnmNT?/st /無刷直流電機轉(zhuǎn)矩曲線 )( d給定轉(zhuǎn)速實際轉(zhuǎn)速 圖 46 無刷直流電機正轉(zhuǎn)仿真曲線 圖 47 為無刷直流電機正反轉(zhuǎn)時的仿真波形。 圖 44 無刷直流電機整體仿真模型 內(nèi)部 圖 3O u t 32O u t 21O u t 1P r o d u ct 3P r o d u ct 2P r o d u ct 1P r o d u ct1sI n t e g r a t o r 11sI n t e g r a t o r1G a i n7I n 76I n 65I n 54I n 43I n 32I n 21I n 1 圖 45 無刷直流電機仿真外部圖 無刷直流電機仿真波形 如圖 46 所示為無刷直流電機正轉(zhuǎn)時的仿真波形。 圖 43 轉(zhuǎn)矩測量模塊 原理 以及轉(zhuǎn)速的計算 原理圖 無刷直流電機仿真波形 無刷直流電機仿真模型 如圖 44 和圖 45 為無刷直流電機在 MATLAB/Simulink 中的仿真模型圖，圖44 為直流電機內(nèi)部圖，由整流電路、逆變電路、速度外環(huán)控制器、電流內(nèi)環(huán)控制器、速度反饋環(huán)節(jié)組成。 我們可以事先給定一個速度初值，給定的速度初值 與 實際測得的 速度反饋信號比較后， 將差值 送入 速度環(huán)的PI 控制器； PI 控制器將 輸出 的值 與 實際測得 電流反饋信號比較后， 接著 送入電流 PI 調(diào)節(jié)器 ，接下里就是滯環(huán)比較部分和逆變器驅(qū)動部分 。電流滯環(huán)控制 比較 模塊的作用是實現(xiàn) 電流跟蹤給定電流的控制方法 ，輸入為三相參考電流 ，整個三相電流為外環(huán)控制輸出的，將 三相實際電流， 做差，然后將差輸送到滯環(huán)比較器中， 輸出為逆變器控制信號選擇適當?shù)臏h(huán)環(huán)寬，即可使實際電流不斷跟蹤參考電流的波形，實現(xiàn)電流閉環(huán)控制。根據(jù) MATLAB 模塊化 數(shù)學模型建立 的思想，將 整個仿真模型分為控制系統(tǒng)和主電路，整個 控制系統(tǒng) 又可以 分割為各個功能 相互 獨立的子模塊， 最后 搭建出 無刷直流電機 BLDCM 整個 控制系統(tǒng)的仿真模型，并 且利用轉(zhuǎn)速外環(huán) +電流內(nèi)環(huán) 實現(xiàn)雙閉環(huán)的控制 策略， 各 個 功能 子模塊 的作用與結(jié)構(gòu) 原理可以 簡述如下。故實際采用的轉(zhuǎn)速計算公式為 : N r p mNm a id e rNQ u o t ie n tn 91091 0 0 0 0Re1091 0 0 0 0 ???????????????? （ 311） 第四章 無刷直流電機的仿真 MATLAB/Simulink 簡介及其功能 MATLAB 于 1984 年開始出現(xiàn)，它 是矩陣實驗室（ Matrix Laboratory）的 英文 簡稱，是美國 MathWorks 公司 開發(fā) 出品的 ， 到目前已經(jīng)發(fā)展了快 30 年了，MATLAB 可以 用 在 算法 原理設計與 開發(fā)、數(shù)據(jù) 采集和處理 可視化、數(shù)據(jù) 傳送和 分析以及 科學 數(shù)值計算 上應用，其中，它有仿真和鏈接兩個重要功能， MATLAB特點如下： MATLAB 最主要的特點可以慨括如下： (1)具有優(yōu)秀的友好的工作運行平臺與程序編寫的環(huán)境； (2)具有簡單易懂且易用的，符合人們思維的程序語言； (3)具有強大的矩陣科學計算功能和強大的數(shù)據(jù)處理能力； (4)具有優(yōu)秀的圖形顯示和處理功能； (5)具有應用廣泛的，各個專業(yè)模塊集合的工具箱 simulink； (6)具有與其它程序接口的能力和處理發(fā)布平臺的能力； (7)具有應用軟件的設計和開發(fā)能力，與 C 語言兼容的能力。 在 DSP內(nèi)部的控制 程序中 ， 每經(jīng)歷 一個 PWM周期 就 對 BCOUNT計數(shù)一次，即 BCOUNT 的計數(shù)單位為 s?150 (即產(chǎn)生三次定時器 T1 下溢中斷的時間間隔 )。比較值周期值PW M周 期計數(shù)值TxP W M 引腳（高有效）TxP W M 引腳（低有效）死區(qū)死區(qū) 圖 35 比較單元產(chǎn)生的對稱 PWM 波形 測速度算法 由于本 控制調(diào)速 系統(tǒng) 中 采用的是無 電壓電流 傳感器 進行的 控制， 從而可以有效的取消了傳統(tǒng)在無刷直流電機上裝設的霍爾 傳感器和速度 檢測 傳感器，因此 無刷直流電機的 速度反饋 數(shù)字 信號只能夠通過 DSP 對無傳感器 的 控制方法 來檢測到 轉(zhuǎn)子位置信號 ，同時并對速度信號和電流信號加以處理來計算輸出脈沖 。 3)利用比較單元產(chǎn)生 PWM 波 利用比較單元產(chǎn)生 PWM 波與利用定時器產(chǎn)生 PWM 波的方法幾乎相同，只不過前者使用比較和死區(qū)單元，而后者使用定時器比較寄存器且沒有死區(qū)功能。當定時器的計數(shù)值與比較單元的比較寄存器的比較值相等時，就會在該比較單元的兩個 PWM 引腳上產(chǎn)生跳變（兩個引腳上的跳變與比較方式寄存器 ACTRx 的設置有關(guān)），并經(jīng)過 1 個 CPU時鐘后發(fā)出比較中斷申請。它還可以產(chǎn)生空間矢量 PWM 波形。每個比較單元都有 1 個比較寄存器 CMPRx（注意區(qū)別于定時器比較寄存器 TxCMPR），以及 2 個 PWM 輸出引腳。這種情況下硬件會自動使輸出總是 1，除非新的比較值為 0。如果在增計數(shù)和減計數(shù)時的比較值都大于等于周期值，則引腳輸出保持為 0，即占空比為 0（見圖 34）。 由圖 34 可見，在 DSP 產(chǎn)生 對稱 的 PWM 脈沖 波形 的過程中， PWM 脈沖矩形 波形的占空比計算公式 可表示 為： 周期值 比較值周期值周期值 比較值周期值周期正脈寬 ????? 2 22P W Ma （ 38） 同樣，低有效 PWM 波形的占空比公式也不變。在 定時器 計數(shù)器 的 初值為 0 且比較值是小于周期值兩 個的 條件下 DSP 則 開始增計數(shù)。由于本論文采用對稱 PWM 脈沖 波，所以此種方法 產(chǎn)生不對稱脈沖波這里 不做過多介紹。 TXPWM 引腳的輸出 的 極性 是可以控制的，即 可以通過 控制定時器內(nèi)的 寄存器 GPTCONX的 TXPIN 位 進行 設置， 設置 中包括強制 輸出 高 電平（輸出 電平 總是 為的 1）、強制 輸出 低 電平即 （輸出 的電平 總是 0 的 ）、高 電平 有效 的 （與波形發(fā)生器 的 輸出 脈沖 極性 是 相同 的 ）、低 電平 有效（與波形發(fā)生器輸出 脈沖的 極性 是 相反 的 ）。 1)利用定時器比較寄存器產(chǎn)生 PWM 波 每個 TMS320LF2407 的 DSP 中的 定時器都有 且僅有 一個定時器比較寄存器TXCMPR 和一個 PWM 脈沖 輸出引腳 TXPWM。因此，比較值要小于周期值。 TMS320LF240x DSP 設計了使用定時器周期值和比較器的比較值來實現(xiàn)產(chǎn)生 PWM 波的方法。 PWM 產(chǎn)生原理 PWM 調(diào)制 波是一種 基于 脈寬可調(diào) 但復制不變 的 矩形 脈沖波， 不僅可以用于交流電機的控制，而且也可以用于直流電動機的 控制。 12） 32 位累加器 和寄存器 和 32 位 中央算術(shù)邏輯 計算 單元（ CALU）； 16 位乘以 16 位并行 的 乘法器， 這些都可實現(xiàn)單指令周期 乘法運算； 另外還有 5 個外部中斷 ，它們是直流 電機 的驅(qū)動保護，復位保護而設置的 。 10） 基于鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生器。 8） 串行通訊接口 (SCI)。 6） 16 通道 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時間為 500ns，可選擇兩個事件管理器來觸發(fā)的兩個 8 通道輸入 A/D 轉(zhuǎn)換器或一個 16 位通道輸入的 A/D 轉(zhuǎn)換器。 4） 可擴展的外部程序存儲器，總共 192K 字； 64K 字程序存儲器空間； 64K字數(shù)據(jù)存儲器空間； 64K 字 I/O 尋址空間。544 字雙端口 RAM(DRRAM)和 2K 字的單口 RAM( SARAM )。 TMS320LF2407X數(shù)字信號 DSP 簡介 TMS320LF2407A 是 DSP 系列中的一種 ， 具 有如下 的 一些特點： 1） 采用 CMOS 傳感的高性能靜態(tài) 技術(shù)，供電 直流電壓低，直流 電壓 約 為 ，從而有效的 減小控制器的功耗； 30M/S 的 處理和 執(zhí)行速度 能有效的 使得 單個 指令周期 大大的 縮短到 了 33ns 左右 ，從而 有效的 提高了 數(shù)字信號 DSP 控制系統(tǒng) 的實時控制 的 能力 ，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性更高 。它具有 設計、生產(chǎn)、運行等 低成本、 同時還有 低功耗 ，發(fā)熱較小以及 高 速 的 計算和 處理 信號 能力 。 微分部分 D，用來提高勵磁控制系統(tǒng)的響應速度 ，減少超調(diào)量以及補償系統(tǒng)中較大的慣性時間常數(shù)環(huán)節(jié)，有助于控制系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定。 PID 控制器的傳遞函數(shù)為 )11()( sTsTKsH DIP ??? （ 37） 總和以上 1~3 的比例積分微分控制規(guī)律的特性，可以得到 PID 的控制特性： 比例部分 P 為負反饋的基礎(chǔ)，增大比例放大倍數(shù) P 可以減少勵磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，并加快響應速度，但比例過大可能會造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。實際上，微分控制器常與比例控制器和積分控制器一起組合使用。微分控制器的輸出只與偏差變化的速度有關(guān)，與偏差存在與否無關(guān)。 由式（ 35）可知，若在某一時刻輸入一個階躍變化的偏差信號 Ate ?)( ，則在該時刻控制器的輸出為無窮大，其余時間輸出為零。 微分控制規(guī)律（ D） 對于慣性較大的被控對象，通常期望能夠根據(jù)被控變量的變化趨勢而采取超