【正文】 有許 多 不穩(wěn)定因素 。 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 。根據(jù)研究結(jié)果并 結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗， 針對 不同脈動 產(chǎn)生 的 原因， 研究人員 提出了抑制或 削弱轉(zhuǎn)矩脈動的 策略 [6]， 從而 為一定程度上 提高 永磁無刷直流電機(jī) 控制性能帶來了可能 。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 這個問題做 更加深入細(xì)致 的研究 與分析 。一般 情 況下 ， 采用 傳統(tǒng)的 PID 控制方法 提高轉(zhuǎn)速和位置控制的精度都 能夠滿足控制 的 要求 ； 而對于 那些 要求精度 較高 和動 態(tài)性能較好的場合則 需要 考慮 采用 現(xiàn)代控制方法 來實(shí)現(xiàn) 。 但之所以 其 應(yīng)用受到 了一定 限制 ，就 是因為 其動態(tài)響應(yīng)、 抗干擾能力 相對較差 。 近年來， 鎖相環(huán)控制 方法 的 優(yōu)化 工作 也是研究的熱點(diǎn) 之一。 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 。 首先 ，我們 分析了電機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)，建立起了 永磁無刷直流電機(jī) 的數(shù)學(xué)模型，分析 并 確定了無刷直流電機(jī)的控制方案；以 TMS320F2812 數(shù)字信號處理器 及其最小系統(tǒng) 為 控 制 核 心 ， 設(shè) 計 了 無 刷 直 流 電 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 的 硬 件 和 軟 件 ； 使用MATLAB/SIMULINK，建立了 系統(tǒng)模型 并完成了若干種控制算法的對比與 仿 真 工作。 (2) 根據(jù)永磁無刷直流電機(jī)及其控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，利用 MATLAB/SIMULINK搭建模糊 PID 控制器和無刷直流電機(jī)及其控制系統(tǒng)系統(tǒng)的模型 ， 并進(jìn)行仿真 。 (4) 介紹幾種常用的電機(jī)控制方法 ， 根據(jù)工程需要確定了最優(yōu)的控制方案。 蘭州交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 (6) 對系統(tǒng)的實(shí)驗平臺進(jìn)行軟件和硬件的聯(lián)合調(diào)試 ，進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，最終達(dá)到理想的效果，然后 對實(shí)驗結(jié)果 進(jìn)行分析 。從示意圖上看，它是 由電動機(jī)本體(定子和轉(zhuǎn) 子 )、 位置傳感器 和電子 開關(guān)線路 三大 部分 組成 的 。把 位置傳感器 與電 機(jī)的主軸同軸安裝，用以檢測電機(jī)磁鋼的位置，進(jìn)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(jìn)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(dǎo)通 。 AB ’BA ’C ’CV1V2V3位置傳感器電動機(jī)電子開關(guān)線路 圖 無刷 直流電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 永 磁 無刷直流電機(jī)的電動機(jī)本體 從外觀上看與普通電機(jī)相似， 定子和轉(zhuǎn)子 也是最基本的 兩大部件。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 。 定子則是電機(jī)轉(zhuǎn)動時相對于電機(jī)殼體固定不動的部分，其上安裝有電樞，該結(jié)構(gòu)與永磁有刷電機(jī)完全相反。 如 圖 所示的電 路中就具有三相繞組無刷直流電機(jī)原理圖， 其中 A39。B? 、 C39。 在設(shè)計定子的繞組時，通常把短距繞組 設(shè)計成 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 。 當(dāng) 定子繞組 中通過 三相交流電 時 ，就會有等頻率的 旋轉(zhuǎn) 磁場產(chǎn)生。這種材料 具有 好的寬磁滯回線、高矯頑力、 高剩磁等優(yōu)點(diǎn)，最主要的是它能產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場 。而由定子產(chǎn)生的磁場是固定的，要想達(dá)到驅(qū)動電 機(jī)旋轉(zhuǎn) 目的 ， 就必須使電樞中的電流的方向發(fā)生改變，而這一實(shí)現(xiàn)過程一般是通過在電機(jī)中安裝 換向器和電刷 來實(shí)現(xiàn)的 。 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 。 這樣的結(jié)構(gòu) 和 傳統(tǒng) 的直流電機(jī)相比，在設(shè)計思想上是辯證對立的 。 要想使 電動機(jī) 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(dá)到了電樞繞組切割磁感線的效果 ， 進(jìn)而產(chǎn)生電磁感應(yīng)效應(yīng) 推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) [14]。 無刷直流電動機(jī)繞組的接法 形 接法 與 三相異步電動機(jī) 相似，都采用星型連接。無刷直流電動機(jī)的原理 框 圖如 圖 所示。 利用 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 技術(shù)獲得 120176。 每路電路導(dǎo)通時會讓 定子繞組 圍繞 軸線轉(zhuǎn)動 60176。無刷直流電動機(jī) 本身具有自動換向的性質(zhì)，不需要換向器 ， 因此成為 自控式同步電動機(jī) [16][19]。 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 電樞反應(yīng)；忽 略齒槽效應(yīng)。 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(jī)的轉(zhuǎn)動慣量， LT 為負(fù)載的轉(zhuǎn)矩 ，eT 為等效轉(zhuǎn)矩 。 )(a s aa m RsL C ?mm1BsJ ?lT mθ?eC 圖 機(jī)電系統(tǒng)伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制方框圖 (5) 帶 負(fù)載 的運(yùn)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(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)動慣量， e 為反電動勢的常數(shù)， mT 為電機(jī)的輸出力矩， LT 為負(fù)載力矩， fT 為摩擦力矩， eC 為直流電機(jī)的反電動勢的常數(shù)， mC 為力矩常數(shù)， aR 為電動機(jī)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。 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(jìn)而 改變電機(jī)電樞 上 電壓的大小， 最終實(shí)現(xiàn)對 電機(jī)轉(zhuǎn)速 的 控制。一般 為 速度閉環(huán)，反饋量也是電機(jī)的轉(zhuǎn)速。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(shí)際轉(zhuǎn) 速 nf，兩者 進(jìn)行邏輯運(yùn)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(jī)轉(zhuǎn)起來，這樣 就實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)的單閉環(huán) 控制。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(jī)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)。 控制算法的 確定 (1) 無位置 傳感器 的 控制 算法 在 伺服電機(jī)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(jìn)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。 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 。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(qiáng)、物理實(shí)現(xiàn)簡單等 諸多 優(yōu)點(diǎn)，被 越來越多的設(shè)計人員 推崇。 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 。 (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(jī)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 。 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 。 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(jī)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 。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。 這 需要扎實(shí)的編程基礎(chǔ) ， 同時還 要 非常熟悉無刷直流電機(jī)的控制過程 ， 必要時 編程者還得參與硬件電路的設(shè)計 。 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 。而作為 專用 數(shù)字信號處理器 DSP 相對于單 片機(jī)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(dá)到了一個理想 的 高度。最 重要 的 ，這樣 就可以實(shí)現(xiàn)無傳感器控制。 蘭州交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 15 3 基于 DSP 的 直流 電機(jī)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(jī)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(jī) 和交流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)于一身，具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)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(diǎn) 。 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，需要高靈敏度的反應(yīng) 。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(jī)的控制器 。 由 DSP 提供的六路 PWM 信號經(jīng)過高速光