无刷直流电机仿人智能控制系统的设计与研究

摘要

无刷直流电机控制是当今电机控制领域的一个研究热点。目前国内外文献尚未有关于无刷直流电机的仿人智能控制的研究，将仿人智能控制应用于无刷直流电机控制系统是本文的一个创新。实验结果表明本文的工作提升了无刷直流电机的控制性能，使其在高性能的伺服驱动领域具有更广阔的应用前景。
　　 论文从研究无刷直流电机的结构出发，详细论述了其工作原理。直接利用电机的相变量建立的电机数学模型方便准确，作为仿真控制的被控对象；在相变量建立的数学模型进一步简化后得到的二阶线性传递函数结构简单，用于控制器参数初值的选取。
　　 在分析了无刷直流电机数学模型的基础上，建立了基于仿人智能控制的双闭环控制系统，设计了无刷直流电机的仿人智能控制速度控制器，并采用改进的遗传算法整定控制器参数。在无刷直流电机双闭环控制系统中，转速环采用基于速度特征状态多模态控制的仿人智能控制算法，电流环采用传统PI控制算法。
　　 在Matlab平台上建立了基于仿人智能控制的无刷直流电机双闭环系统的仿真模型，包括仿人智能速度控制器模块、PI电流控制器模块、换相逻辑模块、电压逆变器模块、电流采样模块和无刷直流电机本体模块以及改进的遗传算法。并与国内外研究较多的无刷直流电机的基于自适应PID、模糊控制、神经网络控制、PID控制的双闭环控制系统进行仿真对比实验。
　　 设计了基于32位的ARM Cortex-M3内核的STM32微控制器的实时控制系统，制作了包括功率驱动实验板和核心板的硬件平台。硬件电路平台包括微控制器部分、功率驱动及逆变电路部分、检测电路部分、电源电路部分以及其他接口单元。通过软件编程实现了转子位置捕获、电流采样、速度计算、电流调节、速度调节等。并在实时系统中将仿人智能控制和PID控制做了对比实验。
　　 仿真实验和实时实验结果表明本文所设计的基于仿人智能控制的无刷直流电机双闭环控制系统响应速度快，抗干扰能力强，提升了系统的鲁棒性和自适应能力，具有较强的实用价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪 论

1.1课题的背景

1.1.1问题的提出

1.1.2无刷直流电机发展概况

1.1.3课题研究的意义

1.2无刷直流电机控制研究现状

1.3本文主要的研究内容

1.3.1本文研究的重点

1.3.2论文的结构

2无刷直流电机系统

2.1无刷直流电机系统的组成

2.2无刷直流电机系统的运行原理

2.2.1无刷直流电机系统几种工作方式的比较

2.2.2无刷直流电机系统在两相导通星形三相六状态下的运行原理

2.3无刷直流电机系统的数学模型

2.3.1采用相变量建立的无刷直流电机数学模型

2.3.2无刷直流电机的二阶线性传递函数

2.4无刷直流电机系统相变量数学模型和传递函数的对比

2.5无刷直流电机系统的双闭环控制

2.6小结

3无刷直流电机的仿人智能控制

3.1仿人智能控制理论简介

3.1.1仿人智能控制的基本思想和特点

3.1.2仿人智能控制的设计方法

3.1.3仿人智能控制的参数整定方法

3.2无刷直流电机的仿人智能控制算法设计

3.2.1无刷直流电机仿人智能控制算法设计的任务分析

3.2.2无刷直流电机仿人智能控制算法运行控制级设计

3.2.3无刷直流电机仿人智能控制算法参数校正级设计

3.3无刷直流电机仿人智能控制器参数整定和优化

3.3.1无刷直流电机仿人智能控制器参数初值选择

3.3.2改进遗传算法对无刷直流电机仿人智能控制器参数优化

3.4无刷直流电机仿人智能控制几种结构的对比

3.5小结

4仿真控制系统设计及仿真对比实验

4.1无刷直流电机控制系统仿真平台的建立

4.1.1无刷直流电机仿真系统设计

4.1.2仿人智能控制器模块设计

4.1.3 PI电流控制器模块设计

4.1.4换相逻辑模块设计

4.1.5电流采样模块设计

4.1.6电机本体模块设计

4.2用M文件实现的改进的遗传算法

4.3其他智能控制算法设计

4.3.1无刷直流电机的模糊控制设计

4.3.2无刷直流电机的神经网络控制设计

4.3.3无刷直流电机的自适应PID控制设计

4.3.4无刷直流电机的PID控制设计

4.4仿真对比实验及结果分析

4.4.1调节转速实验

4.4.2变换负载实验

4.4.3仿人智能控制与其他几种智能控制的仿真对比实验

4.5小结

5实时控制系统设计及实时对比实验

5.1无刷直流电机的STM32控制器简介

5.2实时控制系统硬件设计

5.2.1控制器电路设计

5.2.2功率驱动电路设计

5.2.3逆变电路设计

5.2.4电流检测电路设计

5.2.5串口通信电路设计

5.2.6电机接口电路设计

5.2.7电源电路设计

5.3实时控制系统软件设计

5.3.1无刷直流电机的PWM调制方式

5.3.2换相过程分析及转速计算

5.3.3控制系统程序流程图

5.4实时对比实验及结果分析

5.4.1调节转速实验

5.4.2仿人智能控制与PID控制的实时对比实验

5.5小结

6结论与展望

致谢

参考文献

附录