無刷直流電機調速系統

電子通信論文編號:TX132  字數:31744,頁數:74 

目    錄
摘    要  I
Abstract   II
1 緒論   1
1.1 研究背景   1
1.2 國內外研究狀況和水平   2
1.2.1  海洋機器人發展狀況   2
1.2.2  無刷直流電動機的發展狀況   2
1.3 論文主要工作   4
2 無刷直流電動機調速系統工作原理   5
2.1 無刷直流電動機的基本組成   5
2.1.1  電動機本體   5
2.1.2  電動機逆變器   5
2.1.3 電動機位置傳感器  5
2.2 無刷直流電動機的數學模型  6
2.2.1  電壓方程  6
2.2.2  轉矩方程  7
2.2.3  運動方程  8
2.2.4  狀態方程和等效電路 8
2.3 無刷直流電動機的運動原理  8
2.3.1  無刷直流電動機的原理模型   8
2.3.2  無刷直流電動機的控制原理  10
2.4 本章小結  12
3 系統控制算法  13
3.1 PID控制   13
3.1.1  PID控制原理   13
3.1.2  PID控制器的局限性及其發展方向   15
3.2 模糊PID控制 16
3.2.1  模糊控制 16
3.2.2  模糊控制器的設計步驟   17
3.3 自適應模糊PID控制  18
3.3.1  模糊化   18
3.3.2  模糊推理和模糊規則  19
3.3.3  模糊推理和模糊規則   23
3.4 自適應模糊控制器的仿真實現 24
3.5 本章小結  25
4 基于DSP的控制系統設計原理 26
4.1 電動機控制專用DSP 26
4.1.1  DSP簡介  26
4.1.2  TMS320LF2407A DSP片內資源 27
4.1.3  事件管理寄存器 28
4.1.4  六路PWM波形的產生  29
4.1.5  A/D轉換模塊  32
4.2 基于DSP的無刷直流電動機控制方案的解決  32
4.2.1  轉子位置檢測 33
4.2.2  電動機相電流的檢測 34
4.2.3  參考速度的輸入和實際速度的測量  34
4.2.4  功率管的換相與驅動 35
4.3 本章小結   37
5 無刷直流電動機控制系統的硬件電路設計 38
5.1 總體硬件結構  38
5.2 DSP外圍電路設計 39
5.2.1  DSP電源設計 39
5.2.2  時鐘電路設計  40
5.2.3  仿真接口設計 41
5.3 位置信號檢測電路  41
5.4 通信接口設計  42
5.5 IGBT模塊及其驅動單元  44
5.6 相電流檢測電路設計  47
5.7 PCB板設計  48
5.8 本章小結  49
6 無刷直流電機控制系統軟件設計   50
6.1 系統控制軟件流程圖  50
6.2 主要環節的實現   53
6.3 模糊PID的軟件實現  55
6.4 無刷直流電機控制系統的實驗結果  59
6.4.1  位置反饋信號波形檢測   60
6.4.2  電機運行檢測  61
6.5 本章小結  63
7結論   64
參 考 文 獻  65
致    謝  69

摘    要
論文選題來源于遼寧省科技基金項目：深海海洋機器人推進電動機研究。海洋機器人采用永磁無刷直流電動機(BLDCM)作為推進電動機，要求驅動系統能夠實現正轉與反轉兩種工作方式，并具有高精度的轉速控制。論文對基于DSP(TMS320LF2407A)技術的海洋機器人無刷直流電動機控制系統進行了研究。
本文首先論述了無刷直流電動機的基本組成、數學模型和調速原理。接著對電動機控制系統中的控制算法進行了研究。為了滿足電動機控制系統的要求，本文采用速度與電流雙閉環電動機控制系統。根據海洋機器人特殊的工作環境，與電動機本身的特點，選用模糊PID控制算法對電動機的速度環進行調節，電流環采用PI控制。模糊PID控制器具有可根據被控制對象的當前狀態自動調整控制器自身參數、、的能力，可滿足無刷直流電動機工況變化的要求。對無刷直流電動機模糊控制系統進行了設計及計算機仿真，分析了模糊PID控制器的設計步驟，仿真結果表明，模糊PID控制系統相對于經典PID控制系統具有速度更快、超調更小、穩定性更好的特點。
然后根據海洋機器人對驅動系統體積和可靠性的要求，選用TMS320LF2407A作為驅動電動機的控制芯片。DSP（TMS320LF2407A）具有集成度高，運算速度快的優點。它構成的控制系統，所需外圍電路更少，程序運算速度更快，所以可以提高系統的可靠性與實時控制能力。根據無刷直流電動機的特點和DSP芯片的功能，提出了基于DSP的控制方案。
最后針對所設計的控制算法與控制方案對控制系統的軟硬件進行了詳細論述。硬件部分先作了整體設計，又著重論述了幾個主要模塊的電路設計。軟件部分介紹了各個模塊的流程圖，以及軟件實現方面的問題，著重介紹了模糊控制算法的軟件實現。最后給出了控制系統實際運行時的實驗測試情況，并對實驗結果進行了分析。

關鍵詞：無刷直流電動機，DSP，模糊PID，計算機仿真

Abstract
The topic of this thesis comes from a science and technology item of Liaoning Province: The Research of Brushless Thruster for Deep-sea Robot. Permanent Magnetic Brushless DC Motor is selected as drive motor of the Deep-sea Robot. The drive system is required to work in forward and backward mode and realize high precision speed regulating.in this thesis, the Brushless DC Motor controller of Sea-Robot based on DSP technology is researched.
Firstly, the composing parts, math model and the principle of regulating speed of BLDCM are discussed. Secondly, the control algorithm of motor is reseached. Dual closed loop control system is used for satisfying the system demand. According to the special working condition of Sea Robot and the characteristic of BLDCM, fuzzy-PID algorithm is used to speed loop and PI algorithm is used to current loop. The fuzzy-PID controller, which can regulate control parameter according to the current state of controlled object, can satisfy the dynamic change of motor. Then the fuzzy control system is designed and simulated. The result of simulation shows that the adoption of fuzzy-PID controller can make the system have better performances, such as quicker response, smaller overshoot and better stability , relative to the classic PID controller.
Secondly, according to the reliability and volume demand of the sea-robot's drive system, the TMS320LF2407A is chosen as the control chip of the drive motor. It has the high integration and quick operating speed. The control system,which has few periphery electric circuit and quicker operating speed ,can enhance the reliability and the real-time control ability of the whole system .According to the characteristic of BLDCM and the function of the chip, sensor control solutions which are based on DSP technology are presented.
At last, the hardware and software design of the system according to the preceding solution are discussed in detail. For the hardware part, after a instruction of the whole design, the design of several chief circuits is presented. For the software part, some procedure flow charts of main program are offered and some problems of software realization are researched. Especially, the realization of fuzzy-PID algorithm is introduced. At last, the testing waveform when the control system running is observed and the results are analyzed.

Key Words：BLDCM，DSP，Fuzzy-PID，Computer Simulation