基于模糊自适应PI控制的无刷直流电机无级调速系统研究

论文摘要

无刷直流电机采用电子换相代替机械换相,既具有直流电机的良好调速性能,又具有交流电动机结构简单、运行可靠、使用寿命长、维护方便等优点,在国民经济的各个领域以及日常生活中都有广泛的应用。本文以无刷直流电机作为研究对象,根据无刷直流电机的结构及运行工作原理,详细分析了无刷直流电机的运行特性和转速调节原理,建立了无刷直流电机调速系统数学模型,深入研究了电机调速系统性能。由于对无刷直流电机调速系统的调速精度和鲁棒性要求越来越高,先进的控制算法在电机调速性能中的作用越来越重要。本文采用双闭环控制系统,外环为速度环,内环为电流环,速度环实现转速的抗干扰调节,从而使电机在稳态时无静差；电流环实现电流跟随、过流保护和抑制电压干扰。在控制策略上,针对传统PID控制对电机转速控制响应速度慢、控制精度低,以及电机调速系统负载或参数变化时很难达到预期效果等问题,提出了一种新型模糊自适应PI控制策略,既具有模糊控制的鲁棒性强、超调小、上升时间快、动态相应好的特点,又具有PID控制很好的动态跟踪品质和稳定精度的特点,以满足无刷直流电机无级调速系统的要求。随着微处理器的出现与发展,数字控制技术可使控制电路大为简化,并能提高系统的抗干扰能力、控制灵活性以及智能化程度。本文以TI公司的电机控制专用DSP芯片TMS320F2812作为无级调速系统的主控芯片,以模糊自适应PI作为控制算法,以IR2136为驱动芯片设计开发了无刷直流电机的无级调速系统的试验平台。设计了主电路、功率驱动电路、电压电流采样电路、位置检测电路、换相逻辑控制及按键显示等硬件电路。在DSP软件开发环境CCS下,根据模糊自适应PI控制策略,采用C语言编写程序。系统软件由主程序和中断子程序组成,主程序包括系统初始化和变量初始化等,服务子程序完成CAP捕获、逻辑换相、A/D转换、PWM产生、过流过压保护、按键设定及液晶显示等。同时,本系统运用Matlab/Simulink对电机无级调速系统进行了建模仿真。由于电机速度闭环控制是一个非线性的时变系统,应用常规控制算法无法满足控制要求,因此,速度环采用模糊自适应PI控制,电流环采用PID控制,系统分别对传统PID控制和模糊自适应PI控制算法进行了仿真研究,并对仿真结果对比分析,结果表明该系统响应速度快,无超调,抗干扰能力强,具有较高的控制品质。最后,系统在搭建的试验平台上进行了电机无级调速系统的试验,给出了PWM及转速试验波形,实验结果表明：基于模糊自适应PI控制策略的无刷直流电机无级调速系统具有明显的优越性,响应速度快,性能可靠,具有很好的应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 电力电子器件的发展
• 1.2.2 无刷直流电机控制技术的发展
• 1.2.3 无刷直流电机转矩脉动的抑制
• 1.3 主要研究内容
• 第二章 无刷直流电机的运行原理
• 2.1 无刷直流电机的基本结构
• 2.1.1 电动机本体
• 2.1.2 电子开关电路
• 2.1.3 转子位置传感器
• 2.2 无刷直流电机的工作原理
• 2.3 无刷直流电机数学模型
• 2.3.1 电压方程
• 2.3.2 转矩方程
• 2.4 PWM控制调速原理
• 2.5 本章小结
• 第三章 控制策略及模糊自适应PI控制器的设计
• 3.1 PID控制及参数自整定
• 3.2 模糊控制算法
• 3.2.1 模糊控制器的基本结构
• 3.2.2 模糊控制器的选型
• 3.3 模糊自适应PI控制器的设计
• 3.3.1 Fuzzy Logic Toolbox简介
• 3.3.2 Matlab下模糊自适应PI控制器的设计
• 3.4 本章小节
• 第四章 基于SIMULINK的调速系统设计及仿真
• 4.1 控制系统仿真设计
• 4.2 电机本体模块
• 4.3 转速环模糊PI控制模块
• 4.4 电流环调节模块
• 4.5 逻辑换相模块
• 4.6 仿真结果与分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 系统硬件设计
• 5.1 控制系统硬件结构
• 5.2 TMS320F2812简介
• 5.3 系统硬件设计
• 5.3.1 驱动芯片
• 5.3.2 驱动电路设计
• 5.3.3 全桥电路设计
• 5.3.4 电流检测电路设计
• 5.3.5 电压检测电路设计
• 5.3.6 霍尔位置检测电路
• 5.3.7 电源转换电路设计
• 5.3.8 按键及显示电路设计
• 5.4 系统硬件可靠性设计
• 5.5 本章小结
• 第六章 系统软件设计
• 6.1 CCS简介
• 6.2 控制系统软件流程
• 6.2.1 主程序流程图
• 6.2.2 PWM调制信号的产生
• 6.2.3 速度环、电流环算法控制
• 6.2.4 换相子程序及转速计算
• 6.2.5 按键显示功能
• 6.3 本章小结
• 第七章 系统试验结果与分析
• 7.1 试验参数及指标
• 7.2 系统试验实物图
• 7.3 试验结果分析
• 7.3.1 霍尔位置信号检测
• 7.3.2 PWM检测波形
• 7.3.3 系统运行转速波形
• 7.4 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 结论
• 8.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 附录A 主要电路图
• 附录B 部分源程序