基于DSP的无刷直流电机控制系统的设计与仿真研究

论文摘要

无刷直流电机具有结构简单、运行可靠、维护方便、动静态特性好等优点,在工业上已得到越来越广泛的应用。随着工业控制对系统的精度、响应速度以及稳定性能等要求越来越高,使得研究合理的控制算法变得至关重要。因此,目前对无刷直流电机伺服系统的控制策略研究是一个热点。传统的闭环控制大多采用的是经典的PID控制算法。对线性时不变的控制对象来说,PID控制可以有很好的控制效果。然而,无刷直流电机是一个非线性、强耦合性以及时变的系统,并且电机的参数会随着运行条件而发生改变。因此,传统的PID控制器不适合更高精度的控制要求的场合。本文探讨了模糊控制应用于无刷直流电机控制策略的方法,设计了基于DSP的无刷直流电机控制系统,并进行了仿真研究。首先,介绍了无刷直流电机的结构、工作原理,数学模型以及控制方法。经过比较,确立了以DSP为核心的无刷直流电机控制系统方案。本控制系统的主要优势在于利用数字信号处理器的高速运算功能,易于实现各种高效的控制算法,达到无刷直流电机的高精度控制的目的。其次,详细阐述了无刷直流电机控制系统的设计,包括系统的硬件和软件设计。以TI公司的TMS320LF2407A芯片为控制核心,设计了无刷直流电机控制电路、驱动电路、检测电路以及保护电路。本文还对控制系统软件进行了简单介绍,包括主程序、中断子程序、速度环以及电流环算法,并绘制出了程序流程图。另外,针对PID控制对无刷直流电机控制性能不足的缺点,研究了模糊控制与PID控制相结合的控制方法,提出了模糊自适应PID控制策略,设计并实现了无刷直流电机的模糊自适应PID速度控制器。最后,在MATLAB/SIMULINK环境下,建立了无刷直流电机控制系统的仿真模型,仿真结果表明本文提出的方案是可行的,同时验证了模糊自适应PID控制优于传统的PID控制,前者具有响应速度更快、超调更小、稳定性更好的特点。文章最后对全文进行了总结,并提出下一步工作的展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 预备知识
• 2.1 无刷直流电机的结构与工作原理
• 2.2 无刷直流电机的数学模型
• 2.3 无刷直流电机的控制方案
• 2.3.1 开环控制
• 2.3.2 单闭环控制
• 2.3.3 双闭环控制
• 2.4 本章小结
• 第3章 系统的硬件设计
• 3.1 硬件系统总体设计
• 3.2 主电路设计
• 3.2.1 功率器件的选择
• 3.2.2 主逆变电路
• 3.3 TMS320F2407A控制单元
• 3.3.1 控制器的选择
• 3.3.2 控制板设计
• 3.4 驱动电路设计
• 3.5 检测与保护电路设计
• 3.5.1 电流检测电路设计
• 3.5.2 转子位置及转速检测电路
• 3.5.3 保护电路设计
• 3.6 本章小结
• 第4章 系统软件设计
• 4.1 系统软件总体结构
• 4.2 主程序
• 4.3 中断子程序
• 4.3.1 位置捕获中断子程序
• 4.3.2 速度控制中断子程序
• 4.3.3 故障保护中断子程序
• 4.4 控制器设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 永磁无刷直流电机控制系统算法研究与仿真
• 5.1 PID控制策略
• 5.1.1 PID控制原理
• 5.1.2 数字PD控制算法
• 5.1.3 PID参数对系统控制性能的影响
• 5.2 模糊自适应PID控制策略
• 5.2.1 模糊自适应PD控制原理
• 5.2.2 模糊自适应PID控制器的结构
• 5.2.3 模糊自适应PID控制器的设计
• 5.3 无刷直流电机控制系统仿真模型的建立
• 5.3.1 无刷直流电机总体模块
• 5.3.2 逆变器模块
• 5.3.3 速度调节器模块
• 5.3.4 电流控制模块
• 5.3.5 参考电流模块
• 5.3.6 位置计算模块
• 5.4 仿真结果与分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 进一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文