电动自行车用无刷直流电动机控制系统研究

摘要

近年来，随着人们生活水平和环保意识的提高，电动自行车得到了日益广泛的应用。传统的直流电机一直在电动自行车驱动系统中占据主导地位，但由于其需要机械换相器和电刷，因而可靠性差、噪音大。无刷直流电动机利用电子换相代替机械换相，克服了传统直流电机存在的问题。并且由于其具有输出转矩大、调速性能好、运行可靠等一系列优点，正在逐渐代替传统的直流电机成为电动自行车用电机的主流。 本文从无刷直流电动机的基本工作原理出发，分析并建立了永磁无刷直流电动机的数学模型，为设计系统以及仿真建模打下基础。 本文选择TI公司的DSP芯片TMS320LF2407为核心，进行了无刷直流电动机的控制系统的设计。首先，介绍了TMS320LF2407芯片特点和结构，并详细说明了在DSP中产生PWM信号的方法。之后给出了总体方案和关键环节的具体设计方案，其中包括无刷直流电动机相电流的检测，转子位置的检测，电流误差和速度误差的调节等。按照设计方案，进行了硬件电路设计和系统软件的设计。在硬件电路设计中详细介绍了DSP芯片外围电路、主电路以及控制电路的设计，给出了具体元器件参数以及详细的电路图。根据硬件电路设计，搭建了实际电路，完成了实验样机的制作。在实验样机上完成了整个系统的硬件调试。在软件设计中，采用模块设计的思想，把软件分成初始化子模块、电机启动子模块、霍尔信号捕捉子模块、换相子模块、A/D中断服务子模块五个模块，给出了各模块的程序流程图，并完成了系统的软件调试。在实验样机上，采用PID控制策略进行了实验，在实验中使无刷直流电动机带载工作，观察并分析系统在稳态、转矩突变以及电机参数变化的工作状况下的相关波形。 根据无刷直流电动机的数学模型，本文利用MATLAB软件中的SIMULINK模块，搭建了无刷直流电动机的仿真平台，对传统PID控制策略进行了仿真，并对仿真波形进行了分析。对传统PID控制的不足以及无刷直流电动机的非线性特性，设计了模糊控制器和模糊自适应整定PID控制器。仿真结果表明采用模糊自适应整定PID控制方法提高了系统的控制性能。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪 论

1.1 背景

1.2 电动车的发展概况

1.3 电动自行车控制的相关技术

1.4本文研究的主要内容

第二章电动自行车用驱动电机的结构及运行原理

2.1系统基本构成

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无刷直流电动机的工作原理

2.2.1基本工作原理

2.2.2三相无刷直流电动机驱动原理

2.3三相无刷直流电动机的数学模型

2.3.1 电压方程

2.3.2转矩方程

2.3.3传递函数

2.4无刷直流电动机的调速方法

2.5本章小结

第三章 电动自行车控制系统设计原理

3.1控制芯片选择

3.1.1 TMS320LF2407A的特点

3.1.2 TMS320LF2407A系统结构

3.1.3 PWM波形产生

3.2系统控制总体方案

3.2.1 电动机电流的检测

3.2.2电动机转子位置的检测

3.2.3 电流误差和速度误差的调节

3.2.4参考速度的输入和速度的检测

3.3本章小结

第四章 电动自行车控制系统的硬件电路设计

4.1 系统总体硬件结构的设计

4.2外围电路设计

4.2.1 电源电路

4.2.2 时钟电路与仿真接口设计

4.3主电路的设计

4.3.1功率管选取

4.3.2缓冲电路设计

4.3.3 动主电路设计

4.3.4驱动芯片的选取及驱动电路设计

4.3.5光耦隔离电路

4.4控制电路设计

4.4.1 电流检测电路设计

4.4.2位置信号检测电路设计

4.5实验样机制作

4.6本章小结

第五章系统软件设计

5.1系统软件设计简介

5.1.1软件开发流程及环境

5.1.2软件编程时的问题及处理方法

5.2软件整体设计

5.3子模块设计

5.3.1初始化子模块

5.3.2电动机启动子模块

5.3.3霍尔信号中断捕获子模块

5.3.4换相子模块

5.3.5 A/D中断服务子模块

5.4本章小结

第六章 PID控制策略仿真研究及实验分析

6.1 PID控制策略仿真研究

6.1.1仿真软件介绍

6.1.2三相无刷直流电动机系统仿真建模

6.2 PID控制策略简介及仿真

6.2.1 PID控制简介

6.2.2 PID控制器设计与仿真

6.3实验结果及分析

6.3.1实验设备介绍

6.3.2实验波形及分析

6.4本章小结

第七章模糊控制策略仿真研究

7.1模糊控制的发展概况

7.2模糊控制器的分类

7.3模糊控制器的设计及仿真研究

7.3.1模糊控制器的设计

7.3.2无刷直流电动机模糊控制器仿真

7.4无刷直流电动机模糊自适应整定PID控制

7.4.1模糊自适应整定PID控制

7.4.2模糊自适应整定PID控制器的设计与仿真

7.5本章小结

第八章总结与展望

参考文献

致 谢