基于dsp无刷直流电机控制系统的设计与仿真_硕士学位论文(编辑修改稿)

基于dsp无刷直流电机控制系统的设计与仿真_硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

..................... 36 小结 ........................................................................................................................... 37 5 无刷直流电机的控制系统建模与仿真 .............................................................................. 38 无刷直流电机控制系统的仿真模型 ....................................................................... 38 常规的模糊 PID 控制系统 ........................................................................................ 38 模糊控制系统的组成 ..................................................................................... 39 模糊 PID 控制器的结构设计 ......................................................................... 39 基于自适应模糊算法的 PID 控制器设计 ................................................................ 40 运用微粒群算法实现自适应模糊 HD 控制器的优化 ........................................... 41 微粒群优化算法概述 ..................................................................................... 41 基本微粒群算法 ............................................................................................. 42 改进的微粒群优化算法 ................................................................................. 42 基于惯性权重和分段时变学习因子的 PSO 算法 ........................................ 42 基于粒子群算法的模糊控制方法优化分析 ............................................................ 45 微粒群算法对模糊隶属度函数优化分析 ..................................................... 45 微粒群算法对模糊控制规则优化 ................................................................. 46 兰州交通大学硕士学位论文 VII 微粒群算法优化的自 适应模糊 PID 控制器仿真 .................................................... 46 程序描述 ......................................................................................................... 47 隶属度函数的确定 ......................................................................................... 47 微粒群算法对模糊 PID 优化的设 计 ........................................................................ 51 微粒群算法对模糊控制器参数自调整的实现 ............................................. 52 MATLAB 仿真结果分析 ............................................................................... 55 小结 ............................................................................................................................ 58 结 论 .................................................................................................................................. 59 致 谢 .................................................................................................................................. 60 参 考 文 献 ............................................................................................................................ 61 附录 系统硬件电路图 ............................................................................................................ 64 基于 DSP 无刷 直流电机控制系统的设计与仿真 1 1 绪论 论文的背景及意义 课题研究的背景 直流电机 是一种 把电能转换成机械能的装置 ，已广泛用于国民经济 和 人们的生活中。 尽管 直流电机 具有 工作效率 高 、调速性能 好等诸多优点 ，但在实际应用中， 它的 很多的缺陷也是不容忽视的。 导致这种 结果 的原因是多方面的，但主要的 原因 还是 因为 电刷 的存在。 这种 机械换向的 结构 会 给系统带来 很 多 不利 的 影响，如换向时 摩擦产生的 电火花、 外界 电磁干扰等， 这种装置 还 导致 电机在 保养和维修 方面的不便 和较高的费用。 这些 不利因素极大 地 制约了 通 用 型直流电机 在实际生产实践中的推广与 应用。 随着 电力电子 技术 的 发展 以及 新型电机材料的 开发 应用 ，永磁无刷直流电机 得到了 空前 的 发展。 在这些研究成果中，对电机的发展带来革命性突破的是用 钕铁硼等永磁材料来代替外加励磁 、 用 半导体器件代替 电机 电刷 [1]。 电机的转子是用永磁体制作而成， 它 为无刷直流电机提供 主磁场 ， 而 电枢绕组 在定子上的安装方式有很多的形式可供选择。 控制电路在电机控制系统中扮 演着指挥官的角色，本文设计的直流电机控制系统采用电子开关电路作为电机的驱动电路 ，控制系统 把传感器反馈的 信号 与指令信号进行 逻辑综合 ，把处理后的指令发给驱动器，进而激励 电机 转子转动起来。 电机的发展及其意义 在十九世纪 中期，直流电动机逐渐替代其它类型的电机在工业生产中得到运用。 在接下来的较长时间里，直 流电机凭借着调速性能好、控制简单、体积小、性价比高等优点在工业 领域内得到重视与发展 [3]。 按照时间顺序，可以把直流电机的发展分为四个阶段 ： 第一个阶段 ： 理论阶段。 1917 年， Boligen 等人尝试用整流管 代替普通电机的电刷，这样做的目的是为了实现对电机的无刷控制。 但由于当时 大功率电子器件 还 不成熟，使得 这种 无刷控制 技术 只 能 停留在理论阶段。 第二个阶段： 诞生阶段。 1955 年， 无刷直流电机 技术 的 瓶颈 终于 被攻克，设计者 等科学家 依托 晶体管电子开关 技术的发展 和不断 成熟 ， 使得无刷控制在电机控制中 得以 实现。 但 那时， 受到 启动转矩问题 的 制约 ，使得无刷电机无法 产品化。 基于 DSP 无刷 直流电机控制系统的设计与仿真 2 第三个阶段：应用阶段。 从 1978 年起，无刷直流电机逐渐运用到工业生产中，这种实质性的发展也是 依赖于 电子技术、永磁材料等 以及 电机相关领域技术的发 展而得以实现的 ，使得无刷直流电机更具实用性。 第四个阶段：智能化发展阶段。 低成本 、 高频化、高智能、 微 型化、大容量 是这个时期电子产品的显著特点 ； 在这个时期， 永磁材料（钕铁硼）的性能 也 得到 了 很 大 程度的优化 [2]， 在这个背景下， BLDCM 的应用和发展 也 朝 着大功率和微型化的方向 迈进。 MATLAB 仿真的意义 信息科学技术发展迅速，用于研发、测试的仪器更新 速度不断 加快，随着技术含量的提高，价格也越来越贵。 但 并不是所从事研究与开发的工程技术人员都 有 与 研究领域相适应的 进程相应的仪器设备。 计算机可以用于大部分电子工程 [2]。 采用计 算机仿真的这种 方法 的优势在于它可用虚拟的仪器来代替仪器设备。 仿真时只要 在计算 机及其相应软件的 协助 下， 操作人员只要通过特定 的培训就可以 完成对 产品 模型的仿真与验证。 而MATLAB 仿真软件就是最为人们所熟知、应用最广泛的仿真软件之一。 MATLAB 仿 真主要有以下几个优点： (1) 研究方法 已经有专门的设计人员事先调试好，仿真时只要选择合适的构建方法就能达到理想的仿真效果，具有 简单、 快捷 、 多样、方便 多样 等优点。 仿真过程中只要把需要验证的 控制系统的 数学模型放在 MATLAB 仿真 器进行研究就 可以 ，而 不必 考虑其他复杂的因素， 因此 与实际物理系 统相比 要 简单 的 多。 其方便快捷性主要体现在 ： 仿真研究可以在实验室进行， 也可以在提供一定环境的其他场合进行所以 很方便 [2]。 而 其多样性 则 体现在 ： 仿真器 的参数可以根据仿真的结果进行一定范围的调整 以便 运用仿真器找到合适的系统的设定参数。 (2) 与实际物理系统相比，实验室 MATLAB 研究和仿真低成本是显而易见的。 这主要是 由于 仿真研究的 对象 是控制系统虚拟的数学模型， 而 模型与实际的 物理 系统 所需要的费用是截然不同的。 (3) 实验结果 分析。 仿真研究 的 优势在于，能够为实际系统的设计提供 大量 、充分 、更利于观察的 曲线与 图标等依据 ， 达到这样的效果也与前两者有着千丝万缕的联系。 国内外 研究现状及分析 永磁无刷直流电机 之所以比传统的 直流电机 更具竞争力， 是因为永磁无刷直流电机在保留了传统直流电机的诸多优点的 同时，还随着其应用领域的不断扩展，使得 我们 不得不重新认识 无刷电机的 定义。 无刷直流电机 已经从单指 电子换相直流电机， 拓展到 指具有刷直流电机外部特性的电子换相电 机。 兰州交通大学硕士学位论文 3 借着 永磁材料、电子技术、自动控制 理论 以及电力电子技术 不断进步的东风 ，特别是高频、大 功率开关器件的 快速 发展，永磁无刷直流电机及其控制技术 也得到了较大的发展。 目前，对 于线性系统的 研究 已 经 形成了 完备的 理论体系，这些理论和方法 很多都已 运用 在 永 磁无刷直流电机 的设计与研发 中 ，对永磁无刷直流电机控制技术的发展是不可替代的 [5][7]。 但永磁 无刷直流电机是 由很多种元器件构成的集合体，而在其中很多元器件是非线性的，这就 必然导致 永磁无刷直流电机 是 一个多变量、非线性系统。 为了研究方便， 我们把 永磁无刷直流电机 看 作 线性系统来研究，是在一定理想条件下对电机系统的近似描述。 而在对永磁无刷直流电机控制系统的 精度和性能要求 不高的 场合，可 以把电机的系统 近似地 看成线性系统 ，或者局部线性化 ， 根据实践经验这样也 可以满足对控制的要求 [3]。 现在 ， 在众多的电机控制策略中， 经典的 PID 控制 以其算法简单紧凑、运行可靠、控制器可以由模拟电路实现 等优点得到 了 广泛的应用。 当然 现代控制理论 ， 如最优控制、自适应控制 策略 等 在电机控制中 的应用， 也对 电机的运行性能 的改善与提高起到了不可替代的作用。 虽然， 无刷直流电机控制的 技术经过了多年的 发展 ，其控制技术与控制方法也已经相当的成熟，但随着人们需求的多样性与高 精度、高可靠性 的依赖性，使得无刷直流电机的发展受到严峻 的 考验。 最 大 的挑战 则 是无刷直流电机 很多的元器件都不是线性 的 ，导致其 本质 的 非线性， 而我们在做控制系统时往往把电机看成是线性系统，这样 必然会导致 电机大范围运动时， 相应的 系统误差也会 增 大。 近年来， 对 永磁无刷直流电机。