无刷直流电机调速系统

电子通信论文编号:TX132  字数:31744,页数:74 

目    录
摘    要  I
Abstract   II
1 绪论   1
1.1 研究背景   1
1.2 国内外研究状况和水平   2
1.2.1  海洋机器人发展状况   2
1.2.2  无刷直流电动机的发展状况   2
1.3 论文主要工作   4
2 无刷直流电动机调速系统工作原理   5
2.1 无刷直流电动机的基本组成   5
2.1.1  电动机本体   5
2.1.2  电动机逆变器   5
2.1.3 电动机位置传感器  5
2.2 无刷直流电动机的数学模型  6
2.2.1  电压方程  6
2.2.2  转矩方程  7
2.2.3  运动方程  8
2.2.4  状态方程和等效电路 8
2.3 无刷直流电动机的运动原理  8
2.3.1  无刷直流电动机的原理模型   8
2.3.2  无刷直流电动机的控制原理  10
2.4 本章小结  12
3 系统控制算法  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发展方向   15
3.2 模糊PID控制 16
3.2.1  模糊控制 16
3.2.2  模糊控制器的设计步骤   17
3.3 自适应模糊PID控制  18
3.3.1  模糊化   18
3.3.2  模糊推理和模糊规则  19
3.3.3  模糊推理和模糊规则   23
3.4 自适应模糊控制器的仿真实现 24
3.5 本章小结  25
4 基于DSP的控制系统设计原理 26
4.1 电动机控制专用DSP 26
4.1.1  DSP简介  26
4.1.2  TMS320LF2407A DSP片内资源 27
4.1.3  事件管理寄存器 28
4.1.4  六路PWM波形的产生  29
4.1.5  A/D转换模块  32
4.2 基于DSP的无刷直流电动机控制方案的解决  32
4.2.1  转子位置检测 33
4.2.2  电动机相电流的检测 34
4.2.3  参考速度的输入和实际速度的测量  34
4.2.4  功率管的换相与驱动 35
4.3 本章小结   37
5 无刷直流电动机控制系统的硬件电路设计 38
5.1 总体硬件结构  38
5.2 DSP外围电路设计 39
5.2.1  DSP电源设计 39
5.2.2  时钟电路设计  40
5.2.3  仿真接口设计 41
5.3 位置信号检测电路  41
5.4 通信接口设计  42
5.5 IGBT模块及其驱动单元  44
5.6 相电流检测电路设计  47
5.7 PCB板设计  48
5.8 本章小结  49
6 无刷直流电机控制系统软件设计   50
6.1 系统控制软件流程图  50
6.2 主要环节的实现   53
6.3 模糊PID的软件实现  55
6.4 无刷直流电机控制系统的实验结果  59
6.4.1  位置反馈信号波形检测   60
6.4.2  电机运行检测  61
6.5 本章小结  63
7结论   64
参 考 文 献  65
致    谢  69

摘    要
论文选题来源于辽宁省科技基金项目：深海海洋机器人推进电动机研究。海洋机器人采用永磁无刷直流电动机(BLDCM)作为推进电动机，要求驱动系统能够实现正转与反转两种工作方式，并具有高精度的转速控制。论文对基于DSP(TMS320LF2407A)技术的海洋机器人无刷直流电动机控制系统进行了研究。
本文首先论述了无刷直流电动机的基本组成、数学模型和调速原理。接着对电动机控制系统中的控制算法进行了研究。为了满足电动机控制系统的要求，本文采用速度与电流双闭环电动机控制系统。根据海洋机器人特殊的工作环境，与电动机本身的特点，选用模糊PID控制算法对电动机的速度环进行调节，电流环采用PI控制。模糊PID控制器具有可根据被控制对象的当前状态自动调整控制器自身参数、、的能力，可满足无刷直流电动机工况变化的要求。对无刷直流电动机模糊控制系统进行了设计及计算机仿真，分析了模糊PID控制器的设计步骤，仿真结果表明，模糊PID控制系统相对于经典PID控制系统具有速度更快、超调更小、稳定性更好的特点。
然后根据海洋机器人对驱动系统体积和可靠性的要求，选用TMS320LF2407A作为驱动电动机的控制芯片。DSP（TMS320LF2407A）具有集成度高，运算速度快的优点。它构成的控制系统，所需外围电路更少，程序运算速度更快，所以可以提高系统的可靠性与实时控制能力。根据无刷直流电动机的特点和DSP芯片的功能，提出了基于DSP的控制方案。
最后针对所设计的控制算法与控制方案对控制系统的软硬件进行了详细论述。硬件部分先作了整体设计，又着重论述了几个主要模块的电路设计。软件部分介绍了各个模块的流程图，以及软件实现方面的问题，着重介绍了模糊控制算法的软件实现。最后给出了控制系统实际运行时的实验测试情况，并对实验结果进行了分析。

关键词：无刷直流电动机，DSP，模糊PID，计算机仿真

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