捷联式通用化无刷直流电机控制器设计研究

论文摘要

永磁无刷直流电机（BLDCM），特别是技术更为先进的无位置传感器无刷直流电机，以其卓越的性能，已成为自动控制领域日益广泛使用的执行电机。但无刷直流电机的驱动和调速系统的设计技术门槛较高。目前，一般是由专业技术人员针对特定的电机及相应的系统作特定的设计。而市场上能选购的无刷直流电机控制器多为一机一用（一种型号电机，配备一种型号的控制器），且功能较少，不方便于嵌入控制系统中使用。本文提出了捷联式通用化的无刷直流电机控制器设计方案，即将控制器分为通用化控制模块和分级驱动模块，以实现对不同功率、电压电机的控制。详细讨论了实现捷联化和通用化设计的途径。同时，本系统还提供了机-电-液系统位置、温度或压力等状态参数的数字化反馈通道，实现对相应参量的控制，拓展了控制器的应用范围。在控制方案上，分析了各种控制功能下控制量的控制特性，设计了基于模糊PID复合控制算法的系统控制方案。在此基础上，本文采用TMS320F240数字信号处理器（DSP）为核心处理器进行了本系统的软硬件设计。在硬件设计上，按照捷联式通用化的方案要求，进行了通用化控制模块和以IR2130功率开关元件驱动器为例的驱动模块的设计。在软件设计方面，与系统硬件相结合实现了本系统的各种控制功能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 无刷直流电机及其控制系统的发展和现状
• 1.1.1 无刷直流电机发展概述
• 1.1.2 无刷直流电机控制系统的发展和现状
• 1.2 无刷直流电机的工作原理分析
• 1.2.1 无刷直流电机的基本结构
• 1.2.2 无刷直流电机的基本原理
• 1.2.3 无刷直流电机的数学模型
• 1.3 本论文选题的背景和意义
• 1.4 本论文的研究内容
• 2 总体设计
• 2.1 捷联式通用化设计方案概述
• 2.2 驱动模块的分级设计
• 2.2.1 逆变器常用功率开关元件的工作特性分析
• 2.2.2 驱动模块分级的初步构想
• 2.3 控制模块通用化设计的实现
• 2.3.1 控制模块工作过程简述
• 2.3.2 控制模块的多功能设计
• 2.4 捷联的实现
• 2.5 本章小结
• 3 控制方案设计
• 3.1 引言
• 3.2 速度控制方案的确定
• 3.2.1 直流电机调速原理
• 3.2.2 闭环调速方案设计
• 3.2.3 模糊 PID控制原理
• 3.3 无刷直流电机速度模糊控制器设计
• 3.3.1 模糊控制器的设计概述
• 3.3.2 模糊控制器结构设计
• 3.3.3 模糊化方法
• 3.3.4 隶属函数的确定
• 3.3.5 模糊控制规则及模糊推理决策
• 3.3.5.1 模糊控制规则的制定
• 3.3.5.2 模糊推理决策方法
• 3.3.6 解模糊方法的确定
• 3.3.7 模糊控制表的制定
• 3.4 系统位置控制方案设计
• 3.5 本章小结
• 4 硬件电路设计
• 4.1 硬件电路总设计
• 4.2 驱动模块电路设计
• 4.2.1 逆变器电路设计
• 4.2.2 驱动电路设计
• 4.2.3 保护电路设计
• 4.2.3.1 过流保护及电流检测电路设计
• 4.2.3.2 过压、欠压保护电路设计
• 4.2.4 无位置传感器转子位置检测电路设计
• 4.2.4.1 反电势过零检测法
• 4.2.4.2 反电势过零检测电路设计
• 4.3 控制模块电路设计
• 4.3.1 系统电源电路设计
• 4.3.2 人机接口电路设计
• 4.3.2.1 控制参量输入电路、显示电路设计
• 4.3.3 集散控制接口电路设计
• 4.3.4 反馈信号接口电路设计
• 4.4 硬件系统抗干扰措施
• 4.4.1 干扰来源及影响
• 4.4.2 硬件抗干扰设计
• 4.5 本章小结
• 5 系统软件设计
• 5.1 引言
• 5.2 主程序设计
• 5.3 中断服务子程序设计
• 5.3.1 按键中断子程序
• 5.3.2 定时器溢出中断子程序
• 5.4 功能子程序设计
• 5.4.1 起动子程序
• 5.4.1.1 “三段式”起动法概述
• 5.4.1.2 起动子程序流程
• 5.4.2 换向子程序
• 5.4.3 速度闭环控制子程序
• 5.4.3.1 速度的测量
• 5.4.3.2 闭环控制子程序
• 5.4.4 电流闭环控制子程序
• 5.4.5 系统位置闭环控制子程序
• 5.5 软件系统抗干扰措施
• 5.6 本章小结
• 6 试验与结论
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 附录 A 硬件电路总图
• 附录 B PWM波形的产生子程序