基于改进型双闭环控制器的无刷直流电机优化控制研究

摘要

BLDCM不仅具有交流电机结构简单、效率高的优点，同时还具备有刷直流电机调速性能好的优势，因而成为了带式输送系统驱动部分的首选。要达到带式输送系统准确可靠输送物品、鲁棒性强的要求。就要实现对无刷直流电机的高精度控制。现有的双闭环控制结构因其不能抵抗电机启动阶段反电动引起的斜坡扰动，在高精度控制领域简单双闭环已不能满足要求，因此有必要将电机控制系统进行设计改进，实现电机的高精度控制。 本文在分析了无刷直流电机的本体结构、工作原理、数学模型以及控制方法的基础上。针对电机的动态特性，先确定电流、速度双闭环的控制结构。PID算法作为最经典的控制算法，不仅结构简单、易于调试、且可靠性高，在工业上的应用仍为主流。所以本文选择PID控制算法来对电机进行控制，因电机启动阶段反电动势不能突变，会引起一定的斜坡扰动，本文在双闭环结构的基础上内环多加一个调节器，运用最经典控制算法改善无刷直流电机控制系统的调速性能，并提高其鲁棒性。此外，根据电机本体模型的数学公式以及电机的动态响应公式，创建了电机的数学模型，并完成了算法设计与仿真实验。结果表明：运用最经典的PID调节，改进的双闭环结构，在电机启动和稳态阶段都具有很大的优越性，启动电机只需要2S的时间，提高了电机启动效率；稳态阶段，给电机加负载干扰，电机也能迅速的调节到给定转速值，实现零误差，具备很强的抗扰动性能，实现了电机的高精度控制。 最后，根据输送带驱动系统性能要求，搭建无刷直流电机控制系统实验平台。硬件系统分为电机驱动和微处理器控制两大模块，主要包括无刷驱动电路、位置检测电路、电源电路、电流采样电路、控制芯片电路、单片机外围电路等，并用模块化处理思路实现算法的编写与调试实验。实验结果表明：本文所设计的无刷直流电机控制系统控制精度高、可靠性良好、具有实时的加减速性能以及精确的跟随性，达到了误差小于5%的精确控制。

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摘 要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1课题研究的背景和意义

1.2研究现状

1.3主要研究内容

1.4章节安排

第二章 无刷直流电机的基本结构与工作原理分析

2.1 无刷直流电机的基本结构

2.1.1无刷直流电机本体结构

2.2 无刷直流电机的工作原理

2.3 无刷直流电机的数学模型

2.3.1 无刷直流电机的电压平衡方程

2.3.2 无刷直流电机的转矩方程式

2.3.3 无刷直流电机运动方程

2.4无刷直流电机的运动特性

2.4.1启动特性

2.4.2工作特性

2.4.3 机械特性与调速特性

2.5 本章小结

第三章 电机双闭环改进控制设计以及仿真测试

3.1 无刷直流电机双闭环控制结构

3.2 PID 控制原理

3.3 无刷直流电机控制系统图仿真模型的构建及仿真测试

3.3.1 直流电机动态结构设计

3.3.2 改进的电流调节器设计以及仿真测试

3.3.3 双闭环电机转速调节动态设计

3.4 仿真结果及数据分析

3.5本章小结

第四章 系统硬件与软件设计

4.1 系统硬件设计

4.1 .1无刷驱动电路

4.1.2 霍尔传感器接口电路设计

4.1.3 电源电路设计

4.1.4 总线电压和温度传感器

4.1.5 控制和反馈信号接口设计

4.1.6 电流采样电路

4.2系统软件设计

4.2.1 控制系统的软件设计

4.2.2 软件设计实现

4.2.3 主程序设计

4.2.4 中断程序流图

4.2.5 转子位置检测与电机换向

4.2.6 电流调节控制实现

4.2.7 转速调节控制

4.3 本章小结

第五章实验调试与分析

5.1 实验装置

5.2 实验结果与分析

5.2.1 基于霍尔传感器的转子位置检测

5.2.2 改进对比实验结果及分析

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文工作总结

6.2 展望

参考文献

致 谢

攻读学位期间发表的学术论文