基于嵌入式操作系统的水下无刷直流电动机控制器研制

论文摘要

论文选题来源于辽宁省科技基金项目:嵌入式操作系统的研究及其深海海洋机器人推进电动机研究。随着海洋勘测深度的加大,机器人多采用无刷直流电动机作为推进电机,其驱动系统要求有极高的可靠性、系统实时性,稳定性以及满足多任务的需求,同时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。基于以上考虑,论文对基于嵌入式操作系统的水下无刷直流电动机的控制技术与控制方法进行了研究。论文回顾了永磁无刷直流电动机调速系统和嵌入式操作系统的发展,首先分析无刷直流电动机的基本组成、调速原理和数学模型。根据海洋机器人特殊的工作环境,对驱动系统的可靠性、实时性的要求、以及电动机本身的特点,提出基于嵌入式操作系统的控制器设计方法。详细讨论采用嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ作为系统底层软件的控制器的设计思想和方法,并将其移植到DSP控制芯片上,增加了控制器的可靠性、实时性、可移植性。然后根据水下机器人驱动系统的控制要求,选用TMS320LF2407A为作为驱动系统的控制芯片,为了满足电动机控制器的要求,采用速度和电流双闭环电动机控制系统。根据水下无刷直流电动机的特点、要求和DSP芯片的功能,提出了以DSP为控制核心的设计方案,针对所设计的控制方案,对控制器的软硬件设计分别作了详细的阐述。硬件部分包括控制器的整体设计,及几个主要模块的电路设计方法并给出实际电路。软件部分主要包括各个模块程序流程图的设计以及实现过程,重点介绍了嵌入式系统的移植,主程序和中断程序的设计过程。最后给出了控制器实际运行时的试验测试结果,并对试验结果进行了分析,得出结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 课题来源及意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 海洋机器人的发展
• 1.2.2 无刷直流电动机控制技术的发展
• 1.2.3 嵌入式操作系统的发展
• 1.3 论文主要研究内容
• 第二章 无刷直流电机调速系统工作原理
• 2.1 无刷直流电动机的基本组成环节
• 2.2 无刷直流电动机的工作原理
• 2.3 无刷直流电动机的数学模型
• 2.3.1 电压方程
• 2.3.2 转矩方程
• 2.3.3 运动方程
• 2.3.4 状态方程及等效电路
• 2.3.5 传递函数
• 2.4 本章小结
• 第三章 无刷直流电机的控制策略
• 3.1 基于μC/OS-Ⅱ控制器设计原理
• 3.1.1 嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ的选择
• 3.1.2 μC/OS-Ⅱ的控制应用原理
• 3.1.3 μC/OS-Ⅱ在DSP上的移植
• 3.2 选用DSP芯片的理由
• 3.2.1 事件管理寄存器
• 3.2.2 六路PWM波形的产生
• 3.2.3 A/D转换模块
• 3.3 无刷直流电动机控制方案的解决
• 3.3.1 转子位置检测
• 3.3.2 电动机相电流的检测
• 3.3.3 参考速度的输入和实际速度的测量
• 3.3.4 功率管的换相与驱动
• 3.4 本章小结
• 第四章 无刷直流电机控制器硬件电路设计
• 4.1 总体硬件结构
• 4.2 DSP外围电路设计
• 4.2.1 IGBT模块及其驱动单元
• 4.2.2 位置传感器的设计
• 4.2.3 相电流检测电路设计
• 4.2.4 异步串行通信接口设计
• 4.2.5 DSP电源设计
• 4.2.6 时钟及仿真接口电路设计
• 4.3 印刷电路板设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 无刷直流电动机控制器软件设计
• 5.1 μC/OS-Ⅱ内的任务程序设计
• 5.2 主程序设计
• 5.3 中断子程序
• 5.4 本章小结
• 第六章 实验结果与分析
• 6.1 实验系统实物图
• 6.2 μC/OS-Ⅱ移植的验证
• 6.3 位置信号和PWM波形
• 6.4 控制器线电压与相电流波形
• 6.5 电机速度响应曲线
• 6.6 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢