无刷直流电机模糊控制的研究

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无刷直流电机模糊控制的研究
摘 要
无刷直流电机以其众多优点如电机结构简单且换向时没有火花和无励磁损
调速性能优良,效率又很高,因此被广泛应用在家用电器、交通工具、数控加工行
业等领域。当今电力电子技术发展迅速,随着永磁材料的价格降低,无刷直流
机的制造成本也逐渐下降。另一方面,无刷直流电机的适用范围越来越广,促使
人们对它的研究不断深入,更有利于无刷直流电机在今后应用的发展。
本文先介绍无刷直流电机的发展现状、近年来的研究动态、分析研究趋势,然
后简单介绍无刷直流电机的工作原理等。由于模糊控制的特点是可以不依赖于
确的对象模型,只需要根据制定好的控制规则进行一定的模糊推理便可得到适
的控制量,因此本文选取这种智能控制策略。通过在 Matlab 软件中建模,并对无
刷直流电机双闭环控制系统进行仿真设计。在该控制系统中,速度环采用模糊 PID
调节,电流环采用 PI 调节,仿真结果显示
PID
控制的系统效果较传统
PID
控制有响应速度更快、超调量更小、跟随性能更好等优点。
硬件电路主要设计了功率电路及驱动、光电隔离电路、电流检测、电压检测、
置信号检测、速度检测等;控制电路采用 TI 公司的高速数字信号处理器
TMS320F2812 作为主控芯片,软件开发是在 DSP CCS3.2 环境下,采用 C
C++编程。实现了 AD 采样、转子位置信号的读取、PWM 波的产生、速度模糊 PID
调节及电流调节等。通过对整个控制系统进行调试和实验,结果表明了无刷直
电机模糊控制系统设计的正确性。最后对整个系统的设计以及后续的工作进行
总结和展望。
关键词:无刷直流电机,模糊 PID 控制,MatlabSimulinkDSP
ABSTRACT
With the simple structure, high efficiency, speed performance, no sparks and no
change to the excitation loss, and many other advantages, the Brushless DC motor has
being widely used ,such as in household appliances, transportation, machine tools and
robotics fields, and modern industry .The rapid development of the brushless DC motor
control system requirements are also increasing. Therefore, as the price of the
permanent magnet materials and power electronic components are gradually declining,
the brushless DC motor will be used in an increasingly wide range of application,
which is more conducive to the development of brushless DC motor in the future.
In this paper, the development of brushless DC motor status, trends and research
works has been brief introduced first then describe the working principle of the
brushless DC motor. Since the characteristics of fuzzy control cannot rely on a precise
object model, In the control strategy, using the DSP-based intelligent control fuzzy
control, only need to develop proper control rules of the fuzzy reasoning can get the
appropriate amount of control, so this intelligent control strategy was selected.
Modeling in the Matlab software, and the closed-loop brushless DC motor control
system has been simulated. In the control system, the Fuzzy PID was adopted in the
speed loop, current loop was the PI regulator, the simulation result shows that compared
with the traditional PID control, the fuzzy PID control system has advantages such as
response faster, smaller overshoot, follow the better performance.
The power circuits and drive, optical isolation circuit, current detection, voltage
detection, location, signal detection, speed detection have been designed in the hardware
circuit. TI's digital signal processor TMS320 F2812 was adopted as the main chip in the
control circuit .The C and assembly language have been chosen for mixed programming
under the CCS3.2 DSP software development environment, the AD sample, the rotor
position signal read, fuzzy PID speed regulation and current regulation, PWM wave
generation and other functions have been realized. Through the whole co-debugging of
the hardware and software of the control system, The experimental results show that the
brushless DC motor fuzzy control system design is correct. Finally, the design and the
follow-up work are summarized.
KEY WORD Brushless DC Motor, Fuzzy Control Matlab
SimulinkDSP
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 ......................................................................................................................1
§1.1 课题背景意义............................................................................................1
§1.2 无刷直流电机的发展........................................................................................1
§1.3 无刷直流电机的研究动态................................................................................2
§1.3.1 控制..........................................................................................2
§1.3.2 人工神经网络控制..................................................................................2
§1.3.3 算法和模糊控制的结..................................................................3
§1.3.4 模糊控制和 PID Fuzzy-PID 控制...........................................3
§1.4 课题研究的主要内容及章节安排....................................................................4
无刷直流电机的工作原理..................................................................................5
§2.1 无刷直流电机的本结构................................................................................5
§2.1.1 电机本..................................................................................................5
§2.1.2 逆变电路..................................................................................................6
§2.1.3 位置检测器..............................................................................................7
§2.1.4 控制器......................................................................................................7
§2.2 无刷直流电机的工作原理................................................................................8
§2.3 无刷直流电机的数模型..............................................................................10
§2.3.1 电压方程................................................................................................10
§2.3.2 方程................................................................................................10
§2.3.3 状态方程................................................................................................11
章无刷直流电机模糊控制器设计及 MatLab 仿真...............................................12
§3.1 模糊控制原理..................................................................................................12
§3.1.1 模糊控制的本原理............................................................................12
§3.1.2 模糊控制器的................................................................................12
§3.2 适应模糊 PID 控制器的设计......................................................................14
§3.2.1 PID 控制器....................................................................................14
§3.2.2 适应模糊 PID 控制............................................................................14
§3.2.3 输出变量模糊隶属....................................................15
§3.2.4 模糊控制规则........................................................................................16
§3.2.5 模糊推理................................................................................................17
§3.3 无刷直流电机模糊控制系统的仿真..............................................................19
§3.3.1 无刷直流电机仿真模型........................................................................19
§3.3.2 仿真结果及结果分析............................................................................21
无刷直流电机控制系统硬件电路设计............................................................25
§4.1 控制系统总结构..........................................................................................25
§4.2 主控芯片 TMS320F2812 介绍........................................................................26
§4.2.1 TMS320F2812 的特点及资源...............................................26
§4.2.2 DSP 的最小系统....................................................................................29
§4.3 驱动单设计..................................................................................................31
§4.3.1 功率电路及驱动....................................................................................31
§4.3.2 光电隔离电路........................................................................................34
§4.3.3 电流检测、电压检测............................................................................34
§4.3.4 位置信号检测、速度检测....................................................................35
无刷直流电机控制系统的软件设计................................................................37
§5.1 CCS 成开发环境总结构..........................................................................37
§5.2 系统软件总结构..........................................................................................38
§5.2.1 主程设计............................................................................................39
§5.2.2 中断服务........................................................................................41
§5.2.3 中断服务子模块说....................................................................41
实验结果分析总结........................................................................................47
§6.1 实验结果分析..............................................................................................47
§6.2 总结展望......................................................................................................49
参考.........................................................................................................................50
第一章
第一章 绪论
§1.1 课题背景意义
电机是以磁介,电能和机能进行相互转换的置。国民经济
个领域以及人们的日常均已广泛应用。直流电动机的调速范围
矩大特性好,控制电路简单等多优点,被广泛应用在对动和调速
较高的动系统,如电力牵引轧钢机、起重等。传统的直流电机
采用机电刷和换向器,以机,这种方在机械摩擦
噪音火花、电磁干扰以及使用时间短等一系列问题,制造成本高、
不方便等制了它的应用场合对以上问题,产生了采用电子换的无
刷直流电(BLDCM)来取刷直流电动机这种电刷结构的机
触装置。
随着电力电子开关器件和永磁材料的快速发展,对无刷直流电机的研究和
应用进入的时在交通、航空家电、等行业得到了较好的发展。
无刷直流电机在电动驱动、陀螺仪控制、机 、
CDDVD 机、复印机等得到广泛的应用。在当今主为节能减排的时
无刷直流电机的高效率其显示它的应用价
DSP 具有强大的数据运算和处理能力,因此采用 DSP 芯片为主,通过软
件编程可以控制电机,这较方便实现 BLDCM 控制系统。智能控制是近年来
发展的一叉学科综合了控制运筹学息论人工智能等多门学科
要用统控制方处理的系统控问题,BLDCM
系统更有效。其中的模糊控制是智能控制的一个要分,该控制是在模糊
模糊以及模糊推理的基础上实现的一种计机控制。结DSP 的高速
处理能力可以实现模糊控制DSP 的无刷直流电机模糊控制调
速系统的研究具有现实意义和应用价[1]
§1.2 无刷直流电机的发展
1955 年,Harrison Rye 晶体管相代替电刷换向
的成着无刷直流电机的生。1962 年,借助霍尔件电子换
现的无刷直流电机,开了无刷直流电机产品化20 世纪 70
现了磁敏二极管,它的比霍尔元,其后利用磁敏二极管实现换
的无试制着电力电子的快速发展GTRMOSFET
IGBT 等多种型高性能半导体功率器件相继出现,时如电磁谐振式、高频耦
合式磁电耦合式和光电位置传器等型位置检测器的发明和应用,
的促进了无刷直流电机的发展。1978 ,在德国汉诺威贸览会
邦德国MANNESMANN 公司推了其 MAC 永磁无刷直流电机及其驱动,
着永磁无刷直流电机进入了真正的实用阶段
我国对无刷直流电机的研究近年来在无刷直流电机的设计及
控制方面进行了很多的研究,国内已生产永磁无刷直流电机系
的公司,一定的生产规模。2008 年由中电器工业协会提出国微
标准化技术委员归口制定了永磁无刷电动机系统通用技术件的标准这表明
1
无刷直流电机模糊控制的研究
我国在这方面的技术到一定的程度[2~3]
§1.3 无刷直流电机的研究动态
由于无刷直流电机的性能优良、成本低以及控制方简便等多种优点,
人们越来越多的关目前国内外家、学者对无刷直流电机及其控
制的研究主要中在电机本控制器硬件和采用先进的控制策略如直
制、人工神经网络控制、算法模糊控制 PID 控制等。的控制算法将得到
不一样的控制效果。
§1.3.1 控制
控制(DTC)是近年来国内外学者都在研究的一个点。这种控制方
具有小转矩脉动,加快转响应、结构简单及鲁棒性好等优点。对传
统的无刷直流电动机的控制系统,在简单的控制结构中,直控制具
有良好的动态特性。
由于直控制利用空间矢量的分析方,采用定子磁定向,可以在
定子坐标系下直电动机的磁和转它通过检测定子的电压、电流,并
在定子磁链观测器中测到的值比差值经环控制后
对应的控制信号,然后根据当状态确定电压量,实现对转
进行的直控制。对于如电力机驱动等功率、低开关率的应用则采用六边
链轨迹的方对中小功率的电机,一是采用圆形链轨迹的方
是,由于定子磁的计和定子电有一定的关系,响较
对无刷直流电机而言,定子磁主要来转子永磁的磁链耦合以在
轻载略定子时可采用定子电阻补偿法
小定子数的[4]
§1.3.2 人工神经网络控制
人工神经网络采用网络拓扑结构构成的网络,以一种简单计-
(神经元)为节点,使得神经网络线的能力,可以用来
几乎任意线性和非线性模型。,它具有学习能力、能力、记忆能力
以及种智能处理能力,能在一定的程度和层次模仿人系统的信
理、和检的功能。将神经网络应用在无刷直流电机控制的非线性系统中,
通过离线学习,适应系统的动态特性,相互影
近该系统的非线性关系。且人工神经网络采用信的分并行处理,可进行
快速量的计在无刷直流电机的控制系统中,逆变器功率器件的
由电机转子位置直接决定,通过对 RBF 神经网络进行离线训练和在线训练
可实现电机定子电压、电流和功率器件通状态的非线映射从而控制
电流[5]
§1.3.3 算法和模糊控制的结
算法自 90 到了国内,进入兴盛发展时,成为研
究的一。算法是一种模仿生的最优,具有不依赖
度信算法简单、能得到最优可并行处理等优点。模糊控制具有一
性,主要是由于模糊控制器要的设计较多,如输出
因子以及输出变量的模糊子需要模糊控制规则及其规
则可信度、模糊控制器非线性等因致至今只能依模糊控制器
设计验和工程中的调试,有通用可的模糊控制器设计和调整
随着发展,近年来现了利用算法来优模糊控制进行设计数的研
2
摘要:

无刷直流电机模糊控制的研究摘要无刷直流电机以其众多优点如电机结构简单且换向时没有火花和无励磁损耗,调速性能优良,效率又很高,因此被广泛应用在家用电器、交通工具、数控加工行业等领域。当今电力电子技术发展迅速,随着永磁材料的价格降低,无刷直流电机的制造成本也逐渐下降。另一方面,无刷直流电机的适用范围越来越广,促使人们对它的研究不断深入,更有利于无刷直流电机在今后应用的发展。本文先介绍无刷直流电机的发展现状、近年来的研究动态、分析研究趋势,然后简单介绍无刷直流电机的工作原理等。由于模糊控制的特点是可以不依赖于精确的对象模型,只需要根据制定好的控制规则进行一定的模糊推理便可得到适当的控制量,因此本文选...

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