基于dsp無刷直流電機控制系統的設計與仿真_碩士學位論文-資料下載頁

【導讀】究成果，也不包含獲得蘭州交通大學或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。本學位論文作者完全了解蘭州交通大學有關保留、使用學位論文的規定。印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校向國家有關部門或機。構送交論文的復印件和磁盤。尖科技領域中獲得了良好的應用前景。以及無刷直流電機仿真技術的研究與實現。實現快速起動、系統穩定且具有較寬的調速范圍等優點。效果，具有廣泛的應用范圍。然后，本文根據該設計方案完成了整個控制系統的硬件和。用模塊化編程，分別對系統的主程序、子程序以及控制算法進行了設計與說明。方案與基于微粒群優化算法的自適應模糊PID控制方案兩種設計方面。速、無超調的動態性能。在MATLAB/SIMULINK環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合，搭建了無刷直流電機系統的仿真模型。產品的開發周期，為無刷直流電機控制的設計開發提供了較好的方法。

　　

【正文】 acabacbacbacba000000eeeiiiPLLLLLLLLLiiiRRRUUUb （ ） 其中 P 為 磁極對數矩陣； 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) 轉矩 方程 wieieieT /)( ccbbaae ??? （ ） )(e dtdwJBwTT L ??? （ ） 其中， w 為角速度， B 為阻尼系數， J 為電機的轉動慣量， LT 為負載的轉矩 ，eT 為等效轉矩 。 (3) 狀態 方程 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????cbacbassscbacba000000100010001eeeiiiRRRUUUMLMLMLiiiP （ ） (4) 不帶 負載 的運動學 方程 aaaaa dtd ueiRiL ??? （ ） meθ?Ce? （ ） amm iCT ? （ ） mmmmLm θθ ??? BJTT ??? （ ） 將上式經過拉式變換得電動機的電路回路的模型，即 蘭州交通大學碩士學位論文 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 ， 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 ， mC 為力矩常數， aR 為 電動機電樞回路的電 阻 ， mB 轉子的粘性摩擦系數 ， mJ 為等效轉動慣量， 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 機電系統伺服驅動系統控制方框圖 (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 ?? （ ） 以上各式經過拉 氏 變換整理得： 基于 DSP 無刷 直流電機控制系統的設計與仿真 12 fLa )()()( TiTsBssJsIC mmm ???? ?? ?? （ ） BJsTiTsIBJs Cs mm ????? fLa )()(?? （ ） )()( e sCsE m??? （ ） 其中 J 為電機的轉動慣量， e 為反電動勢的常數， 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， mC 為力矩常數， aR 為電動機電樞回路的電阻， mB 轉子的粘性摩擦系數 ， 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 調速系統 的分類 (1) 開環控制系統 顧名思義，開環控制就是不具有反饋信號的控制系統，驅動器接受到速度信號后，輸出一定的 PWM 波。 當速度需要發生改變時 ，系統只需 通過 改變 PWM 的占空 比，進而 改變電機電樞 上 電壓的大小， 最終實現對 電機轉速 的 控制。 (2) 單閉環控制 系統 不難理解，單閉環控制就是控制系統中只存在 一個反饋閉環 的控制方式 。一般 為 速度閉環，反饋量也是電機的轉速。這種控制系統 一般 由 速度給定、 速度 反饋 以及速度 調節等 幾個模塊 構 成。給定轉速 就是預先 輸入 的 n，結合測速傳感器 反饋的實際轉 速 nf，兩者 進行邏輯運算 后得到轉速誤差信號 ne，轉速誤差信號經過速度調節器的處理就輸出PWM 值 ,然后把 PWM 信號經過 驅動器 放大 后就可以驅動電機轉起來，這樣 就實現了對電機的單閉環 控制。 (3) 雙 閉環控制 系統 事先 將給定的 速度值 n 與 測速元器件 反饋的實際轉速 nf 做差 ， 得到轉速誤差信號ne， 轉速誤差信號經過速度調節器 處理 后 ， 就可以作為電機的電流參考值 （轉速與電流有一定的線性關系） ； 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 后根據轉子位置檢測電路計算的轉子 位置 [15]，經過電流調節器后確定各個功率開關器 件導通時間 和 占空比，再經過 PWM 驅動器 放大處理后 就可以控制 電機轉動起來， 并 再次對這些 步驟進行循環實時反饋與調整 。根據以上定義，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 統采用的正是轉速電流雙閉環控制，其中 把 電流環 做 為內環，轉速環 做 為外環。 之所以采用 雙閉 環控制系統 ，是因為其 轉速響應 、 轉矩響應 速度快、控制 精度高 、系統抗干擾能力強；而 其 缺點是 系統 結構復雜 、 成本高。 控制算法的 確定 (1) 無位置 傳感器 的 控制 算法 在 伺服電機控制系統設計 的過程中 ，需要對轉子 位置的檢測和換相技術 進行周密 的思考 與論證 ， 這也是能否得到優良控制系統的關鍵之一。 雖然 采用位置傳感器來實現位置檢測是 傳 統的方法， 但這樣 會 加重控制系統的 負擔 。 針對 該 問題， 無位置傳感器 控制法 應運而生，并 逐漸受到國內外專家的關注 。 (2) 變結構控制 算法 控制性能良好控制系統一直是設計人員不斷的 追求 ，為了達到這個目的，人們不斷把代表最新科技技術的控制方法運用 在 電機控制系統的設計中。其中，變結構控制 以其響應速度快、對控制對象參數變化不敏感、抗干擾能力強、物理實現簡單等 諸多 優點，被 越來越多的設計人員 推崇。 物理實現簡單等優點， 越來越受到人們的關注。 變結構開關模式 可以有兩種方式得到： 第一種 是 根據 系 統的傳遞函數導出 ； 第二種是 依據 系統的最大速度 、 最 大 加速度等系統參數設計 。二者得到的變結構開關模式都能 使系統的位置控制達到較好的控制效果 [19][21]。 (3) 基于模糊控制和 神經網絡的控制算法 在這個控制算法中， 對伺服電機電流調節特性的改善以及減小力矩波動 是設計伺服控制系統所關注的重要問題之一 。 模糊控制法 是基于專家系統經驗轉換為控制語句進行系統控制 ， 因此對不依賴于 數學模型， 具有良好 系統動態響應 特性； 而 PID 控制算法 的顯著作用在于它能很好 的消除系統的穩態誤差 ； 鑒于此， 人們將兩者結合 應 用于無刷直流電機的伺服控制系統，使系統同時兼有 上述 兩種方法的優點 。 實踐證明， 對于傳統基于線性控制方法 具有諸多 缺點 ，如 對 控制 模型依賴性強 、 不能在線 動態調整 、 對于大滯后強耦合 、 非線性強的系統進行 動態 控制時出現 超調 量過大 而 不易收斂 等，前 兩種算法已經 很難滿足現代 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 PID 控制器 的優點 ， 使得優化后的控制策略具有動態響應快、 超調量小 、 穩態 精度高等 諸多 優點 。 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 ，它的結構及性能對 系統控制 精度 起著 決定性的 作用 。 根據工程需求 和實際使用的 角度 來 說 ， 要求微處理器易維基于 DSP 無刷 直流電機控制系統的設計與仿真 14 護、性能穩定、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設計工作的關鍵步驟之一。 可編程 控制器 可對 無刷直流伺服電機 控制系統 進行 邏輯控制。 這 需要扎實的編程基礎 ， 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計 。 毋庸置疑， 這 對設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 開關的 控制 頻率與控制精度 不高，這 直接影響到電機的轉矩波動 和開關頻率 ，最終 會使 無刷直流伺服電機 得轉矩波動更加明顯 。 因此，由單片機控制的閉環控制系統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 數字信號處理器 DSP 相對于單 片機而言，由于結構上的本質區別，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 系統相對于傳統的控制系統 ，系統元器件的數量 也 明顯 減少 [19]， 從而 降低 了 成本 。最 重要 的 ，這樣 就可以實現無傳感器控制。 小結 本章 主要內容是對 無刷直流電機的結構原理 進行了相關的分析，建立了 數學模 型及其電氣模型 ， 并在此 基礎上 對 無 刷直流電機控制方案 進行優化 設計， 其中 包括調速方法、控制算法、中央控制單元 等做了對比說明，并根據實際需要做了必要的 調整 ， 為 后續的研究工作 奠定 基礎 。 蘭州交通大學碩士學位論文 15 3 基于 DSP 的 直流 電機系統控制方案設計 控制系統 總體結構 無刷直流電機是伺服控制系統的執行部件，是其至關重要的一部分，它集 有刷直流電動機 和交流電機的優點于一身，具有結構簡單、維護便利、具有 較好的啟動性能和轉速控制性能 等諸多優點 。由于隨著電機理論與加工技術的發展可做到高效率、小體積，因此己經在許多高、新、端領域 展現 出 良好的應用前景。 在實際 的 工程 應用中，對于伺服控制系統的 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 。 然而 ， 由于傳統微處理器的運行速度較慢 (如 MCU)，無法滿 足高速的運行狀 態，從而無法 展現出 無刷直流電機的突出性能。為此，在本 文 中 選取由美國 TI 公司生產的 TMS320F2812 數字信號處理器 [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秀性能充分發揮，也為 伺服 控制系統的可靠運行提供了強有力硬件支持。 由 DSP 提供的六路 PWM 信號經過高速光