【正文】 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。 然而 ， 由于傳統(tǒng)微處理器的運(yùn)行速度較慢 (如 MCU)，無法滿 足高速的運(yùn)行狀 態(tài)，從而無法 展現(xiàn)出 無刷直流電機(jī)的突出性能。由于隨著電機(jī)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。 小結(jié) 本章 主要內(nèi)容是對(duì) 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(duì) 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(duì)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) 。 而且， 基于 DSP 對(duì)無刷直流電機(jī)的控制 系統(tǒng)相對(duì)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 。 因此，由單片機(jī)控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制速度無法達(dá)到理想的要求，其控制精度也無法滿足要求。 毋庸置疑， 這 對(duì)設(shè)計(jì)者帶來的壓力是巨大的 。 可編程 控制器 可對(duì) 無刷直流伺服電機(jī) 控制系統(tǒng) 進(jìn)行 邏輯控制。 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 。 本文 一個(gè)亮點(diǎn)是綜合了 先進(jìn)的模糊控制理論 與 傳統(tǒng) PID 控制器 的優(yōu)點(diǎn) ， 使得優(yōu)化后的控制策略具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、 超調(diào)量小 、 穩(wěn)態(tài) 精度高等 諸多 優(yōu)點(diǎn) 。 模糊控制法 是基于專家系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換為控制語句進(jìn)行系統(tǒng)控制 ， 因此對(duì)不依賴于 數(shù)學(xué)模型， 具有良好 系統(tǒng)動(dòng)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(jī)的伺服控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)同時(shí)兼有 上述 兩種方法的優(yōu)點(diǎn) 。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]。 物理實(shí)現(xiàn)簡單等優(yōu)點(diǎn)， 越來越受到人們的關(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(jì)人員不斷的 追求 ，為了達(dá)到這個(gè)目的，人們不斷把代表最新科技技術(shù)的控制方法運(yùn)用 在 電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。 雖然 采用位置傳感器來實(shí)現(xiàn)位置檢測是 傳 統(tǒng)的方法， 但這樣 會(huì) 加重控制系統(tǒng)的 負(fù)擔(dān) 。 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。 (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(hào)ne， 轉(zhuǎn)速誤差信號(hào)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(hào) ； 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(dòng)器 放大處理后 就可以控制 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來， 并 再次對(duì)這些 步驟進(jìn)行循環(huán)實(shí)時(shí)反饋與調(diào)整 。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(gè)模塊 構(gòu) 成。 (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(gè)反饋閉環(huán) 的控制方式 。 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(hào)的控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)器接受到速度信號(hào)后，輸出一定的 PWM 波。 (3) 狀態(tài) 方程 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????cbacbassscbacba000000100010001eeeiiiRRRUUUMLMLMLiiiP （ ） (4) 不帶 負(fù)載 的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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 BCCsJRsJL CsU s ????? （ ） 其中 e 為 反電動(dòng)勢的常數(shù) ， mT 為電機(jī)的輸出力矩， LT 為負(fù)載力矩， eC 為 直流電機(jī)的反電動(dòng)勢的常數(shù) ， mC 為力矩常數(shù)， aR 為 電動(dòng)機(jī)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(dòng)慣量， aL 為 電樞的電感 ， au 為 電樞的電流 ， ai 為 電樞的電流 。 (1) 電壓平衡方 程 基于 DSP 無刷 直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 10 ???????????????????????????????????????????????????????????????cbacbaccbcabcbaacabacbacbacba000000eeeiiiPLLLLLLLLLiiiRRRUUUb （ ） 其中 P 為 磁極對(duì)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。表 為 永磁無刷直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)換邏輯表 。 ， 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(dòng)機(jī)連續(xù) 運(yùn)動(dòng) 。 相位差 反饋信號(hào) ， 并進(jìn)行邏輯計(jì)算 ， 從而 編碼器 獲得有效編碼 對(duì) 信號(hào) 分別為 10 100、 1 0 01 001，通過邏輯 器件控制 T1T T1TT3T T3T T5T T5T4 分別 導(dǎo)通 ， 利用 NS 極交替變換進(jìn)行依次導(dǎo)通控制 。 基于 DSP 無刷 直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)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(jì) 算 光 電 編 碼 器 位 置 傳 感 器速 度 控 制 器進(jìn) 給 點(diǎn)永 磁 無 刷直 流 電 機(jī) 圖 圖 中 主電路是 較典型的 電流轉(zhuǎn)換 電路， 輸入信號(hào) 預(yù)處理得到 對(duì)稱 交變矩形波信號(hào)。驅(qū)動(dòng)器的主要作用 是 接收上位機(jī)傳達(dá)的指令，進(jìn)而控制 電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制 動(dòng) [25]； 驅(qū)動(dòng)器的另一個(gè)功能是對(duì)電機(jī)進(jìn)行狀況進(jìn)行預(yù)警 保護(hù)和顯示等。 從圖 不難看出， 無刷直流電動(dòng)機(jī) 主要 由電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器 兩部分 構(gòu) 成。 當(dāng)然以上工作只是設(shè)計(jì)工作的一部分， 因?yàn)?定子上的電樞通電后，產(chǎn)生的磁場 是恒定的 ，而 根據(jù)電磁感應(yīng)定律，這樣并不能驅(qū)動(dòng) 電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng) 。 在設(shè)計(jì) 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī) 時(shí)，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 。 根據(jù)電磁感應(yīng)定律得知，轉(zhuǎn)子電樞受到感應(yīng)磁場的作用力而使 電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn) 起來 。 永磁 無刷直流電機(jī)的工作原理 傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造時(shí)，都會(huì)把電樞安裝在轉(zhuǎn)子上。在永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子中，鐵氧體、 鐵硼、稀土鈷等 永磁體使用較多 [1113]，而 新一代伺服電機(jī) 轉(zhuǎn)子 則把 鐵硼 等新興 材料 用到電機(jī)轉(zhuǎn)子的制造中。 同時(shí) 優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，繞組 通常采用 星型連接， 目的在于 減 少電動(dòng)機(jī)的雜質(zhì)損耗 。C? 分別為三相繞組。A? 、 B39。 定子 主要是由硅鋼沖片與分布在它們槽內(nèi)的繞組以及機(jī)殼、端蓋、軸承等部 件組成，電樞繞組采蘭州交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 7 用整距集中式繞組，繞組的相數(shù)有三相繞組和多相繞組，但應(yīng) 用最多的是三相 [20]。在設(shè)計(jì)電機(jī)磁鋼的形狀時(shí)，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(dòng)勢。轉(zhuǎn)子顧名思義是電動(dòng)機(jī)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的那一部分，它是由永磁材料做成的成，在轉(zhuǎn)子上對(duì)稱分布著 一定磁極對(duì) 數(shù)的 永磁體 [7]， 一般情況下由轉(zhuǎn)軸、永久磁鋼及磁軛等部件組成。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。 當(dāng) 相電流通過 任意 定子繞組時(shí) ， 該電流 產(chǎn)生的磁場 與 轉(zhuǎn)子 永 久磁鋼 的 磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用 ， 使轉(zhuǎn)子受到電磁轉(zhuǎn)矩作用而旋轉(zhuǎn)。 基于 DSP 無刷 直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 6 2 永磁無刷 直流電機(jī)工作過程分析 永磁無刷 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 所示 。 (5) 以工程需要要求，分別對(duì)永磁 無刷直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件 與軟件 電路 進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其中主要包括 驅(qū)動(dòng)電機(jī)路 、 控制電源電路 、 保護(hù)電路 、 DSP 控制電路 、 逆變電路 、 整流電路，位置檢測電路 ； 并對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行 探討與修改，確定最佳的方案。 (3) 對(duì) 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(dòng)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 。本文 對(duì)系統(tǒng)的研究具體有以下幾個(gè)方面的內(nèi)容： (1) 閱讀了大量 與 課題研究相關(guān) 的 文獻(xiàn)，了解 并進(jìn)一步認(rèn)識(shí) 永磁無刷直流電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn) ，及其研究的現(xiàn)狀； 同時(shí) 進(jìn)入工程現(xiàn)場，進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)踐 調(diào)研 。 論文研究所做的 主要工作 本 文中，我們 著重對(duì) 永磁無刷直流電機(jī)的模糊 PID 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 進(jìn)行了 設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化 。 很多研究學(xué)者用 非線性控制方法 對(duì) 鎖相環(huán) 進(jìn)行優(yōu)化 ，這種優(yōu)化的控制方法使鎖相環(huán)控制方法不但繼承了原來控制的優(yōu)點(diǎn)，并且 還提高了 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能與抗干擾能力。 特別是 在大轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì) 擾動(dòng)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。 在控制策略中， 轉(zhuǎn)速鎖相環(huán)控制 也 是 提高電機(jī) 轉(zhuǎn)速控制高精度的有效方法 之一 。 基于 DSP 無刷 直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 4 在 無刷直流電機(jī) 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(shí)現(xiàn) 轉(zhuǎn)速和位置的控制 閉環(huán)。但是 ， 這 些研究 僅僅是 在原有 的 結(jié)構(gòu)、方案上 做出修改，并沒有從本質(zhì)上 ， 即 從原理上 消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 。 近年來， 國內(nèi)外的研究人員對(duì)轉(zhuǎn)矩脈 動(dòng)問題做了 全面的分析研究。 在這些因素中， 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 對(duì)電機(jī)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性影響 相對(duì) 較大 ， 從一定程度上 阻礙 了 伺服電機(jī)控制方面 的發(fā)展。 與此同時(shí) ，數(shù)字信號(hào)處 理器和可編程邏輯器件技術(shù)的飛速發(fā)展 ， 推動(dòng) 了 無刷直流 電機(jī) 控制領(lǐng)域 的進(jìn)一步發(fā)展，為實(shí)現(xiàn) 電機(jī) 的 非線性控制 提供硬件基礎(chǔ)。 最 大 的挑戰(zhàn) 則 是無刷直流電機(jī) 很多的元器件都不是線性 的 ，導(dǎo)致其 本質(zhì) 的 非線性， 而我們?cè)谧隹刂葡到y(tǒng)時(shí)往往把電機(jī)看成是線性系統(tǒng)，這樣 必然會(huì)導(dǎo)致 電機(jī)大范圍運(yùn)動(dòng)時(shí)， 相應(yīng)的 系統(tǒng)