基于以太网的无刷直流电机网络控制系统的研究及设计

论文摘要

无刷直流电机以电子换向替代了有刷直流电机的机械换向,以其优良的调速性能在国民经济的各个领域得到了广泛应用。针对无刷直流电机的控制,国内外学者进行了大量的研究,控制技术日趋成熟。近年来,随着以太网技术进入工业控制领域,摆脱了传统工业控制空间和位置的局限性,现代电机控制系统开始向网络化发展。然而,由于以太网络不确定时延的存在,使得无刷直流电机控制系统性能下降、振荡加剧、稳定性变差。本文首先介绍了无刷直流电机控制原理以及网络控制系统的特点及存在的问题,分析了网络时延对系统的稳定性影响。以无刷直流电机为被控对象,搭建了网络控制仿真模型,研究了网络时延对电机控制性能的影响。接着,针对网络时延问题,设计了基于BP神经网络模型预测与模糊PID控制相结合的网络时延补偿策略。采用BP网络模型辨识方法,建立了无刷直流电机转速预测模型,同时利用模糊PID自适应性强、鲁棒性好等特点,对前向通道和反馈通道的网络时延进行了补偿。通过仿真分析表明,这种控制策略较好的补偿了网络时延的影响,使系统的动态性能得到了改善。然后,采用DSP TMS320F2812作为控制核心、PS21562模块作为逆变电路,设计了具有过压、欠压、过载、短路等保护功能的无刷直流电机本地控制器。采用网络接口芯片W5100进行以太网接口电路的设计,实现了控制器与远程控制端的以太网通讯。最后,对远程监控系统的结构进行了选择,采用C/S结构模式,通过Socket技术进行网络编程,实现了无刷直流电机的远程控制,并针对无刷直流电机远程试验平台进行了系统测试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 无刷直流电机的发展及研究现状
• 1.3 网络控制系统的研究方法及现状
• 1.4 研究目的与意义
• 1.5 本文的主要内容及整体结构
• 第二章 无刷直流电机及以太网控制系统的基本理论
• 2.1 无刷直流电机的基本原理
• 2.1.1 无刷直流电机的基本结构
• 2.1.2 无刷直流电机的工作原理
• 2.1.3 无刷直流电机的数学模型
• 2.2 基于以太网的网络控制系统的相关技术
• 2.2.1 网络控制系统
• 2.2.2 网络控制系统中存在的问题
• 2.2.3 以太网技术
• 2.2.4 以太网控制系统的特点
• 2.2.5 网络控制系统时延分析
• 2.3 本章小结
• 第三章 有网络时延的无刷直流电机控制系统的分析及仿真
• 3.1 MATLAB简介
• 3.2 基于MATLAB的无刷直流电机模型的搭建
• 3.2.1 无刷直流电机本体模型的建立
• 3.2.2 逆变器模型的建立
• 3.2.3 逻辑换相模块的建立
• 3.3 无刷直流电机控制系统的建模及仿真
• 3.3.1 无刷直流电机控制系统的搭建
• 3.3.2 仿真结果及分析
• 3.4 有网络时延的无刷直流电机控制系统的建模与仿真
• 3.4.1 网络时延模型的建立
• 3.4.2 有网络时延的无刷直流电机控制系统的仿真及分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于神经网络预测模糊PID控制的网络时延补偿
• 4.1 概述
• 4.2 基于神经网络预测模糊PID控制器结构设计
• 4.3 基于BP神经网络的转速预测
• 4.3.1 预测控制原理
• 4.3.2 BP神经网络
• 4.3.3 BP神经网络的转速预测及仿真
• 4.4 模糊PID控制
• 4.4.1 模糊控制的基本原理
• 4.4.2 模糊自适应PID控制结构
• 4.4.3 模糊自适应PID控制器的设计
• 4.5 仿真及分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 无刷直流电机本地控制器的设计
• 5.1 总体硬件方案设计
• 5.2 硬件电路设计
• 5.2.1 控制电路设计
• 5.2.2 电源电路的设计
• 5.2.3 驱动及逆变电路的设计
• 5.2.4 故障指示电路的设计
• 5.2.5 位置检测电路的设计
• 5.2.6 电流检测电路的设计
• 5.2.7 网络接口电路的设计
• 5.3 控制器软件设计
• 5.3.1 控制器主程序结构
• 5.3.2 PWM波形的产生
• 5.3.3 电流闭环控制算法
• 5.3.4 以太网通讯程序
• 5.4 本章小结
• 第六章 远程监控软件的设计
• 6.1 监控系统结构的选择
• 6.2 软件功能实现
• 6.3 基于Socket的网络通信
• 6.4 系统测试
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果