基于DSP的无刷直流电机模糊控制系统设计和仿真研究

论文摘要

无刷直流电机是随着电力电子技术的发展和新型永磁材料的出现而迅速发展起来的一种新型机电一体化电机。无位置传感器控制技术的应用使得无刷直流电机的体积减小,成本降低,抗干扰性加强,从而进一步拓宽其应用领域,近年来对无刷直流电机无位置传感器控制技术的研究一直是热点之一。本文在分析和总结传统的无刷直流电动机控制系统中存在的问题的基础上,设计了一种基于数字信号处理器(DSP)的无位置传感器无刷直流电动机的控制系统。利用DSP芯片TMS320F2812进行低成本、高智能无刷直流电动机控制系统的设计,能够简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。建立了永磁无刷直流电动机的数学模型;提出了无位置传感器无刷直流电动机的新型位置检测方法;确定了系统的总体控制结构、控制方法并设计了控制电路;以TI公司的TMS320F2812为核心,结合IR公司的驱动芯片IR2133;对整个控制过程绘制出其总体的流程图,完成部分位置速度环节的程序设计,利用DSP专用汇编语言与C语言进行系统软件程序的编写.在接下来的部分,本文详细论述了模糊PID控制器设计。在模糊控制器设计部分。本文详细讲述了模糊PID控制器的特点,并且在Matlab环境下对参数自整定模糊PID控制器进行了设计和建模。最后是本控制系统的建模和仿真研究。本文在Matlab/Simulink环境下建立了独立的功能模块,包括BLDC总体模块(包括BLDCM本体模块、转矩计算模块、转速计算模块、反电势计算模块)、速度控制模块、电流滞环控制模块、转子位置计算模块、电压逆变器模块等,再进行功能模块的有机结合,搭建了无刷直流电机系统的仿真模型。系统采用双闭环控制,速度外环采用参数自整定模糊PID控制,电流内环采用电流滞环控制。仿真结果证明了该方法的有效性,同时验证了参数自整定模糊PID控制优于传统PID控制,前者具有响应速度更快、超调更小、稳定性和跟踪性能更好的特点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 无刷直流电机的发展现状
• 1.2 无刷直流电机的特性及应用
• 1.2.1 无刷直流电机的特性
• 1.2.2 无刷直流电机的应用
• 1.3 无刷直流电机控制技术的发展概况
• 1.3.1 无刷直流电动机的控制方式
• 1.3.2 无刷直流电机先进控制策略
• 1.3.3 无刷直流电动机控制器的发展
• 1.4 无刷直流电机的前景展望
• 1.4.1 电力电子技术及微处理器技术对无刷直流电机的影响
• 1.4.2 永磁材料的发展对无刷直流电机性能的促进
• 1.4.3 无刷直流电机的性能改进和新产品的开发
• 1.5 论文的主要研究工作及内容安排
• 第2章 永磁无刷直流电动机的结构以及原理
• 2.1 无刷直流电机的组成
• 2.2 无刷直流电机的基本工作原理
• 2.3 无刷直流电机的数学模型
• 2.3.1 电压方程
• 2.3.2 转矩方程
• 2.3.3 状态方程
• 2.3.4 等效电路
• 2.3.5 传递函数
• 第3章 控制系统总体设计方案
• 3.1 控制系统总体结构设计
• 3.2 电机的起动方法
• 3.3 转子位置检测方案的选择
• 3.3.1 状态观测器法
• 3.3.2 电感法
• 3.3.3 人工智能方法
• 3.3.4 反电动势法电机控制的原理
• 3.4 控制方法的确定
• 3.5 控制核心的确定
• 第4章 控制系统的硬件设计
• 4.1 引言
• 4.2 TMS320F2812主控电路
• 4.2.1 DSP板上硬件资源
• 4.2.2 DSP片内相关资源模块
• 4.2.3 串口通讯接口电路
• 4.2.4 串行EEPROM电路
• 4.3 主电路设计
• 4.4 驱动电路部分设计
• 4.4.1 驱动芯片IR2133简介
• 4.4.2 IR2133驱动电路设计
• 4.5 控制电路部分设计
• 4.5.1 电源电路的设计
• 4.5.2 时钟电路与仿真接口设计
• 4.5.3 转速的控制
• 4.6 检测保护电路部分设计
• 4.6.1 电流检测保护电路
• 4.6.2 电压检测保护电路及过热保护设计
• 4.7 硬件抗干扰设计
• 4.8 本章小结
• 第5章 控制系统的软件设计及模糊PID控制器的设计
• 5.1 引言
• 5.2 DSP软件开发流程
• 5.3 软件系统的主要模块设计
• 5.3.1 系统软件总体设计
• 5.3.2 系统初始化模块
• 5.3.3 电机起停控制模块
• 5.3.4 位置检测设计
• 5.3.5 中断服务模块
• 5.4 模糊PID控制器的设计
• 5.4.1 数字PID算法
• 5.4.2 模糊PID算法
• 5.4.3 模糊PID控制器设计
• 5.5 本章小结
• 第6章 控制系统的仿真
• 6.1 仿真工具介绍
• 6.2 控制系统的仿真模型
• 6.2.1 无刷直流电机总体模块
• 6.2.2 速度控制模块
• 6.2.3 电流滞环控制模块
• 6.2.4 参考电流模块
• 6.2.5 位置计算模块
• 6.2.6 电压逆变器模块
• 6.3 仿真结果和分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果