无刷直流电动机调速系统的研究

论文摘要

由于无刷直流电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点,又具备直流电动机的运行效率高、励磁损耗小以及调速性能好等诸多特点,使它一经出现就以极快的速度发展和普及。目前,无刷直流电动机已广泛应用在数控机床、机器人、仪器仪表、汽车、计算机外围设备等方面和领域。对无刷直流电动机的应用展开研究是当前的一个热点。本文首先介绍了无刷直流电动机的基本工作原理和各组成部分的研究现状。在详细分析无刷直流电动机数学模型、换相原理和PWM调制方式的基础上,在MATLAB的Simulink环境下,结合它的SimPowerSystems模块,构建了一个新颖的、更接近实际的无刷直流电动机调速系统仿真模型,对无刷直流电动机的控制方法进行了仿真研究,为无刷直流电动机调速系统的硬件实现奠定了基础。以TI公司的专用于运动控制系统的DSP芯片TMS320F240为主控芯片,结合MITSUBISHI公司的智能功率模块PM30CSJ060,研制了一套无刷直流电动机调速系统,实现了无刷直流电动机的实时控制,所研制的系统调速性能良好,从而为理论研究的验证提供了硬件条件。进一步,在此基础上还实现了无刷直流电动机调速系统的网络控制,以满足工业分散化控制的需要。在完成了以PC为网络服务器的远程控制后,为了适应许多工业设备和现场对控制器的体积、能耗、实时性、以及抗扰性等的要求,以ARM为核心,设计并实现了一种嵌入式网络服务器,为微、小型工业设备的远程控制提供了一种新型的、可行的方案。所研制的网络控制系统控制性能良好,稳定、可靠,操作方便,人机界面友好。随着无刷直流电动机应用领域的不断扩大,对无刷直流电动机调速系统性能的要求也越来越高,在许多场合常规PI控制已难以满足高性能的要求。针对存在各种干扰的无刷直流电动机调速系统,采用卡尔曼滤波和动态规划算法,给出了一种具有自适应补偿的最优状态反馈控制方案。利用卡尔曼滤波和基于动态规划的最优状态反馈控制可抑制模型干扰和量测噪声(含负载突变),利用自适应算法补偿给定输入的扰动。仿真和实验结果表明本方案不仅具有优良的调速性能,而且对多种系统干扰具有较强的抑制能力。当工况恶化和各种不利因素变得比较严重时,无刷直流电动机调速系统中的非线性和不确定性问题就会变得比较突出,此时以被控对象精确数学模型为基础的最优状态反馈控制就难以达到较好的控制效果,针对这种情况,本文给出了一种改进的模糊神经网络控制方案,用以提高对复杂系统的控制性能。与其它基于模糊神经网络的无刷直流电动机调速系统相比,本文方案主要有以下几点改进:基于RPE算法的神经网络辨识器,训练时收敛速度更快;单神经元PID电流调节器,加快电流的调节速度;采用小神经网络表示隶属度层的模糊神经网络速度调节器,增强模糊神经网络的表达能力。本方案仿真结果效果良好。本文不仅有先进的理论算法研究,还有新颖的软硬件实现,对于进一步推动无刷直流电动机的应用和研究具有重要的实际工程意义。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 永磁无刷直流电动机的发展历史
• 1.2 永磁无刷直流电动机的分类
• 1.3 无刷直流电动机的基本原理
• 1.3.1 无刷直流电动机的基本组成环节
• 1.3.2 无刷直流电动机的基本工作原理
• 1.3.3 无刷直流电动机的位置传感器
• 1.4 无刷直流电动机各组成部分的研究现状
• 1.4.1 电动机本体
• 1.4.2 控制电路
• 1.4.3 功率驱动电路
• 1.4.4 转子位置检测电路
• 1.5 课题产生背景
• 1.6 本文所作的工作
• 1.7 本章小结
• 第2章 无刷直流电动机调速系统的建模与仿真
• 2.1 引言
• 2.2 无刷直流电动机调速系统的结构
• 2.3 无刷直流电动机的数学模型
• 2.4 无刷直流电动机的换相原理
• 2.5 PWM调制方式对无刷直流电动机换相转矩脉动的影响
• 2.5.1 上桥换相时转矩脉动分析
• 2.5.2 下桥换相时转矩脉动分析
• 2.6 基于MATLAB的调速系统仿真模型的建立
• 2.6.1 无刷直流电动机本体子系统
• 2.6.2 逆变电路子系统
• 2.6.3 换相和PWM信号产生子系统
• 2.6.4 转速调节器和电流调节器子系统
• 2.7 仿真结果
• 2.8 本章小结
• 第3章 无刷直流电动机调速系统的设计与实现
• 3.1 引言
• 3.2 基于DSP的无刷直流电动机调速系统的硬件总体结构
• 3.3 DSP系统控制板的设计与实现
• 3.3.1 DSP系统核心板
• 3.3.2 DSP系统扩展板
• 3.4 IPM功率变换板的设计与实现
• 3.4.1 IPM的结构和原理
• 3.4.2 启动限流电路
• 3.4.3 能耗制动电路
• 3.5 程序设计与实验结果
• 3.5.1 程序设计
• 3.5.2 实验结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 无刷直流电动机调速系统网络控制的实现
• 4.1 引言
• 4.2 基于PC的网络控制功能的实现
• 4.2.1 Winsock编程技术简介
• 4.2.2 基于PC的网络服务器程序设计
• 4.2.3 PC客户机控制端程序设计
• 4.3 基于ARM的网络控制功能的实现
• 4.3.1 ARM简介
• 4.3.2 基于ARM的嵌入式网络服务器板的设计
• 4.3.3 基于ARM的嵌入式网络服务器的程序设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 无刷直流电动机最优状态反馈控制调速系统
• 5.1 引言
• 5.2 无刷直流电动机的状态空间模型
• 5.3 卡尔曼滤波器状态估计
• 5.4 最优状态反馈控制
• 5.5 自适应补偿控制
• 5.6 仿真研究
• 5.6.1 仿真程序流程
• 5.6.2 仿真结果与分析
• 5.7 实验结果
• 5.8 本章小结
• 第6章 无刷直流电动机模糊神经网络控制调速系统
• 6.1 引言
• 6.2 系统总体结构
• 6.3 神经网络辨识器
• 6.4 单神经元PID电流调节器
• 6.5 模糊神经网络速度调节器
• 6.6 仿真研究
• 6.7 本章小结
• 第7章 全文总结与展望
• 参考文献
• 附录
• 附录 A PC网络服务器主要程序清单
• 附录 B PC客户机控制端主要程序清单
• 附录 C ARM嵌入式网络服务器程序清单
• 攻读博士学位期间发表的学术论文