（机械制造及其自动化专业论文）基于dsp的无刷直流电机高性能调速系统的研究.pdf

摘要 摘要 随着对无刷直流电机( b l d c m ) 调速系统的调速精度和鲁棒性的要求越来越 高，传统的控制方法已经无法满足很多应用场合的需要，智能控制方法开始得到 普遍的关注。同时，d s p 的发展也使智能控制算法的实现成为可能。 本课题结合神经网络和常规p i d 各自的优点，设计了单神经元自适应p i d 和 b p 网络整定的p i d 两种可以在线学习的智能控制算法，并在m a t l a b 的 s i m u l i n k 仿真平台上搭建了双闭环无刷直流电机调速系统的仿真模型对算法 进行了仿真。仿真结果表明智能p i d 算法的控制效果和鲁棒性都优于常规p i d ， 且能满足系统对实时性的要求。 在理论分析和仿真研究的基础上，设计了以t i 的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 芯片 为核心的系统硬件框架，采用c 语言和汇编语言混合编程的方式编写了应用程序。 实验结果表明所设计的控制方案满足高性能调速系统的要求。 关键词：无刷直流电机智能p i ds i m u l i n kd s p a b s t r a c t a b s t r a c t 2 a st h ec o n t i n u o u s d e v e l o p i n go ft h ea p p l i c a t i o nd o m a i n ，b r u s h l e s sd cm o t o r s ( b l d c m ) a r ea s k e df o rm o r ea c c u r a c ya n dr o b u s t n e s s ，b u tt h et r a d i t i o n a lm e t h o do f c o n t r o lc a n tm a k et h e mi nm a n ys i t u a t i o n s t h e r e u p o n ，t h ea p p l i c a t i o no fi n t e l l i g e n t c o n t r o li nt h ed cs p e e d a d j u s t i n gs y s t e mi sg e n e r a l l yc o n c e m e d a n d ，t h ed e v e l o p i n g o f d s pm a k e si tp o s s i b l et oi m p l e m e n ti n t e l l i g e n tc o n t r o la l g o r i t h m s i nt h i s p a p e r , b yi n t e g r a t i n g n e p a ln e t w o r k 心附) w i t ht r a d i t i o n a l p i d ，t h e s i n g l e - n e u r a ls e l f - a d a p t i n gp i dc o n t r o l l e ra n dt h eb p - n e t w o r k - b a s e dp i dc o n t r o l l e ra r ec o n s t r u c t e d t h a tb o t hc a nl e a r no nl i n e a n dam o d u l a r i z e ds i m u l a t i o nm o d e lo ft h r e e p h a s eb l d ca n dt h e w h o l ed o u b l el o o p sd cs p e e d a d j u s t i n gs y s t e ma r ee s t a b l i s h e db yt h es i m u l i n ko fm a t l a b t h er e s u l t so f s i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ei n t e l l i g e n tp i da l g o r i t h m sa r eb e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a lo n e b a s e do nt h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s po ft i ，af r a m e w o r ko ft h es y s t e mh a r d w a r ei sd e s i g n e d ， a n dt h ee x e c u t a b l ep r o g r a mo fl f 2 4 0 7i sw r i t t e ni ncl a n g u a g ew i t hs o m ea s s e m b l ys e n t e n c e s i n v o l v e d t h er u n n i n go ft h ep r o g r a mp r o v e st h a tt h ed e s i g n e dc o n t r o ls t r a t e g yc a na d a p tt ot h e h i 曲p e r f o r m a n c es p e e d a d j u s t i n gs y s t e m k e y w o r d ：b l d ci n t e l l i g e n tp i d s i m u l i n kd s p 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：塑邀 日期丝：2 ：矿 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文i 学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名： 导师签名： 辔段 蝌g 譬盘于一 日期兰：2 ：! ：! ! e l 期丝坌2 ：15 2 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无刷直流电动机的发展过程与研究现状 1 无刷直流电动机的发展过程 一直以来，直流电动机以其优良的转矩控制特性，以及宽阔而平滑的调速性 能，在需要调速的应用领域占有重要地位。但是，传统的直流电动机均采用机械 方式换向，在电刷和换向器之间存在机械摩擦，由此带来了火花、噪声、无线电 干扰以及寿命短等弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，大大限制了直流 调速的发展和应用范围。为了取代有刷直流电动机这种电刷一换向器结构的机械 接触装置，人们对此进行了长期的探索。 早在1 9 1 5 年，美国人兰格米尔( 1 a n g m i l l ) 就发明了带控制栅极的水银整流器， 制成了直流变交流的逆变装置，1 9 1 7 年，b o l i g e r 提出了用整流管代替有刷直流电 机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。2 0 世纪三十年代，有人开 始研制以电子换向取代电刷机械换向的无刷直流电机，但当时，由于受到元器件 的限制，没有发展起来。1 9 5 5 年美国的d 哈里森( h a r r i s o n ) 等人首次申请了用晶 体管换向线路代替有刷直流电动机机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电动机 的诞生。随着半导体技术的飞速发展，人们对1 8 7 6 年美国人霍尔发现的霍尔效应 再次发生兴趣，经过多年努力，终于在1 9 6 2 年试制成功了借助霍尔元件换流的无 刷直流电动机，从而开创了无刷直流电动机的新纪元。2 0 世纪六十年代至七十年 代，有关无刷直流电动机的文献开始出现。1 9 7 8 年原西德m a n n e s m a n n 公司 在汉诺威贸易博览会上推出m a c 方波无刷直流电动机及其驱动器，标志着方波 无刷直流电动机技术进入实用阶段。尤其是1 9 8 6 年h r b o l t o n 对方波无刷直流 电动机进行了全面系统的总结，成为方波无刷直流电动机研究的经典文献，它标 志着方波无刷直流电动机在理论上达到了成熟”j 。 近年来随着高性能永磁材料、微电子技术、自动控制技术和电力电子技术的 快速发展，永磁无刷直流电机得到了迅速的发展。由于克服了机械换向装置的固 有缺点，所以无刷直流电机具有调速性能优越，体积小、重量轻、效率高、转动 惯量小、不存在励磁损耗问题等诸多优点。直流无刷电动机因其电枢绕组驱动电 流形状的不同而分为两种类型瞄j ：一种是方波永磁同步电动机，其电枢驱动电流 为方波( 梯形波) ，通常被称为无刷直流电机( b m s h l e s sd cm o t o r - b l d c m ) ；另一 种是正弦波永磁同步电动机，其电枢驱动电流为正弦波，常称为无刷同步电机 三基于d s p 的无刷直流电机高性能调速系统的研究 ( p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r - p m s m ) 。与p m s m 相比，b l d c m 具有明 显的优越性，反馈装置更简单，功率密度更高，输出转矩更大，控制结构更为简 单，使电机和逆变器各自的潜力得到充分的发挥。因此，无刷直流电机的应用和 研究受到了广泛的重视，凭其技术优势在许多场合取代了其它种类的电动机。特 别是在微特电机领域，在小功率，高转速的调速领域，如航空航天、机器人、数 控机床等精密传动领域，无刷直流电机都占据着主要位置h j 。 2 无刷直流电机的研究现状 当前无刷直流电机及其调速系统的研究方向主要体现在以下几个方面【4 j 【5 1 ： ( 1 ) 调速方法的改进。 因为电机调速主要靠改变转子转矩来实现，所以直流电动机的调速方法有 三种： a 调节电枢供电电压u 。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电 压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内 无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。电枢电流变化遇到的时间常数较小， 能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。 b 改变电动机主磁通q 。改变磁通可以以实现无级平滑调速，但只能减弱 磁通，从电动机额定转速向上调速、属恒功率调速方法。电枢电流变化时遇到 的时间常数要大很多，响应速度较慢但所需电源容量小。 c 改变电枢回路电阻r 。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设 备简单，操作方便。但是只能有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载 时几乎没什么调速作用；在调速电阻上消耗大量电能。 改变电阻调速缺点很多，目前很少采用仅在有些起重机、卷扬机及电车 等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不 大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。因此，自 动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两 种方法配合起来使用。 调压调速的实现需要有专门的可控直流电源，直流斩波器是应用最为广泛 的。构成直流斩波器的开关器件过去用得较多的是普通晶闸管和逆导晶闸管， 它们本身没有自关断能力，必须有附加的强迫关断电路，增加了装置的体积和 复杂性，增加了损耗，而且由它们组成的斩波器开关频率低，输出电流脉动较 大，调速范围有限。自2 0 世纪7 0 年代以来，电力电子器件迅速发展，研制并 生产出多种既能控制其导通又能控制其关断的全控型器件，如门极可关断晶闸 管( g t o ) 、电力晶体管( o t r ) ，电力场效应管( p - m o s v e t ) 、绝缘栅极双极型晶 体管( i g b t ) 等，这些全控型器件性能优良，由它们构成的脉宽调制直流调速系 统近年来在中小功率直流传动中得到了迅猛的发展，与老式的可控直流电源调 第一章绪论 速系统相比，p w m 调速系统有以下优点： a 采用全控型器件的p w m 调速系统，其脉宽调制电路的开关频率高，一 般在几k h z ，因此系统的频带宽，响应速度快，动态抗扰能力强。 b 由于开关频率高，仅靠电动机电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小 的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速性能好，稳速精度高，调速范围 宽，同时电动机的损耗和发热都较小。 c p w m 系统中，主电路的电力电子器件工作在开关状态，损耗小，装置 效率高，而且对交流电网的影响小，没有晶闸管整流器对电网的“污染”，功率 因数高，效率高。 d 主电路所需的功率元件少，线路简单，控制方便。 目前，受到器件容量的限制，p w m 直流调速系统只用于中、小功率的系统。 ( 2 ) 怎样减小转矩脉动。 无刷直流电机的结构特点决定了其运行过程中会不可避免的产生转矩脉动。 转矩脉动大致由三部分组成： a 转矩纹波。由转子磁链谐波与定子电流感应产生，是转矩脉动的主要部分； b 凸极转矩。由电机转子的凸极效应产生； c 齿槽效应转矩。由电机定子开槽而产生的脉动转矩。 以上后两种转矩脉动可以通过改进电机结构的方式来消除，也就是需要开 发新型电动机。消除转矩纹波现在则主要通过控制系统构造定子电流的波形来 实现，构造的方法是研究的热点。已经提出的方法有：通过测量反电动势波形 间接测量转子磁链谐波，构造定子电流波形，消除由转子磁链谐波引起的转矩纹 波旧j ；加入自适应反馈，对构成转矩纹波的主要谐波成分进行估计，用估计值构 造定子电流波形，消除转矩纹波1 ；用卡尔曼滤波原理在定子同步坐标系下对 电机磁链进行估计，以此估计值构造定子电流波形消除转矩纹波i s l ；设计负载 转矩观测器，将所有的系统转矩干扰作为一种对电磁转矩的干扰进行估计，以 此估计值对定子电流进行补偿，从而减小转矩脉p j 。但是，这些方法实现起来 都比较复杂，需要强大的运算处理能力的支持，只适用于对实时性要求不高的 场合；而在对转矩脉动要求不高的调速系统中，可以通过控制算法来弥补脉动。 ( 3 ) 提高系统性能的控制算法。 根据自动控制理论，高质量的控制系统必须为带有负反馈的闭环系统。控 制精度、稳定性和抗干扰能力是衡量系统整体性能高低的重要因素，而要使系 统有较高的控制精度和稳定性，较强的抗干扰能力，采用合适的控制方法至关 重要。随着直流电动机的不断发展，性能的不断提高，需要配合更先进的控制 算法来构成高性能的控制系统。同时，传统的控制器已经无法满足这种日益提 高的对控制精度的要求i l o jl l ”，而智能控制理论近年来发展迅速，这些理论的 3 一4 基于d s p 的无刷直流电机高性能调速系统的研究 共同特点是无需对象精确的数学模型并具有较强的鲁棒性，所以许多学者都将 智能控制方法( 如专家系统、模糊控制、人工神经网络控制等) 引入了电动机控 制系统，这也是未来一段时间内直流电机高性能调速系统的主要研究方向。 1 2 电机控制系统的发展情况 传统的直流无刷电动机控制系统一般由模拟器件以硬接线方式构成。模拟控 制系统价格便宜，使用方使，在很长一段时间里，它们是构成各类电动机控制系 统的主要手段，甚至到目前为止，许多实际使用中的电动机控制系统仍采用模拟 器件设计。 然而，模拟元器件的物理特性决定了它们具有一些本质上的缺陷，例如元器 件会随着使用时间的推移而老化，元器件的特征参数受温度变化影响；另外，现 代电子系统的一个设计原则就是要便于维护、为将来的产品升级留有余地，而模 拟控制系统由于采用硬接线方式构成，一经投用，基本上没有升级的可能性。 由于模拟控制系统的本质缺陷，使它很难满足现代电子系统的设计要求。因 此，数字控制系统应运而生。数字控制系统一般以可编程的微处理器为硬件核心， 将预先编好的控制软件放在系统存储器中，在硬件的辅助下，通过软件的执行来 完成预期的功能。由于控制系统的主要功能由软件来实现，从而使得这些电子产 品很容易通过修改软件来实现升级。另外，随着微处理器处理能力的不断提高， 在一个系统中实现多种功能变得更容易、更方便。 从2 0 世纪7 0 年代以来。通用单片机开始在电动机控制系统中广泛使用”。 在单片机控制系统中，单片机作为系统的硬件核心，主要用来完成一些控制算法， 同时还要处理一些输入输出、显示任务等，单片机的使用使电动机控制系统的性 能得到了很大提高。 然而，受单片机本身结构的限制，以之为核心所组成的单片机控制系统仍然 需要较多的元器件，例如：需要外部扩展存储器以保存用户程序、需要外接模拟 数字( a r d ) 转换器来实现模拟信号输入等。系统中元器件的增加使得系统的可靠 性、可维护性降低。增加了印制电路板的尺寸，同时也增加了系统的成本；单片 机的处理速度都比较慢( 指令周期为毫秒或微秒级) ，因此，对于一些可以提高系 统性能的复杂控制算法，如k a l m a n 滤波、模糊控制、神经网络控制等，很难做 到实时执行。此外。现代电动机广泛采用p w m 控制方法，而在一般的单片机中 都没有可产生p w m 脉冲的硬件设备。为了产生p w m 波，在单片机中都是通过 软件编程来实现，这从另一个侧面限制了该类系统性能的提高。因此，基于单 片机的电动机控制系统主要适用于那些控制精度、性能要求不高的场合。 第一章绪论 在单片机控制系统发展的同时，一些厂家开发了电动机控制专用芯片。电动 机专用芯片不具有用户可编程的特点，它以硬件方式对电动机的各类传感器信号 ( 如转子位置信号、光电编码器的输出信号等) 进行检测，根据外部的输入命令， 输出相应的控制信号( 如p w m 波等) 给电动机的功率电子电路。该类芯片价格便 宜，执行速度快。然而，这些芯片所实现的控制作用非常简单( 受芯片内部硬件电 路决定1 ，且难以做到将来的升级。因此，基于专用电动机芯片构成的电动机控制 系统可以很好地满足一些要求简单、性能不高、实时性要求高的场合。 为了使电动机控制系统既可以适用于一般的应用场合，又可以满足一些高精 度、高性能的控制要求，美国德州仪器( t i ) 公司推出了面向运动控制、电动机控 制的t m s 3 2 0 x 2 4 x x 系列d s p 控制器，它把一个1 6 位的定点d s p 核和用于控制 的外设、大容量的片内存储器集成在单一芯片上，为电动机控制系统的设计注入 了新的活力。x 2 4 x 系列d s p 控制器，具有2 0 3 0 4 0 m i p s ( 每秒百万条指令) 的执行 速度，1 6 位字长；同时配合专用的p w m 脉冲发生电路、a d 转换器、数字i o 接口等用于控制的片上外设，使得它们从硬件机制上可以较好地满足任意电动机 控制系统的要求。它们可以实时地执行一些高精度的复杂控制算法，减少传感器 信号采样到控制命令输出之间的延迟，高效的处理能力使它可以减少转矩波动和 谐波误差，改善速度控制中的动态行为；该类芯片采用深亚微米c m o s 工艺制造， 功耗极低；片上的大容量存储器一般可满足用户程序和数据存储的需要；使用芯 片上具有的通信机制，如串行外设接口、c a n 接口等，可以更容易地实现该系统 与其他系统之间信息的交互u ”。 可以看到，基于d s p 控制器构成的电动机控制系统具有传统的单片机电动机 控制系统和专用芯片电动机控制系统的优势，即专用的电动机控制机制、用户可 编程、扩展能力强、功能强大等；同时又克服了它们各自的缺点，如外设和存储 器集成在芯片内，可节省印制电路板面积、减少系统中元器件的个数、提高了c p u 的处理能力、提高了系统的可靠性等。另外，随着电子技术的不断发展，d s p 控 制器芯片的成本也在不断下跌。这些都使得基于d s p 的控制系统逐渐成为应用的 主流。 1 3 神经网络控制在运动控制中的应用 神经网络控制是智能控制的一个重要分支【1 4 】。对神经网络的研究源自1 9 4 3 年美国心理学家m c c u l l o c h 和数学家p i t b 首次提出形式神经元的数学模型。2 0 世纪5 0 年代至8 0 年代是神经网络研究的萧条期，此时专家系统和人工智能技术 发展相当迅速，但仍有不少学者致力于神经网络模型的研究。如j s a l b u s 在 ! 基于d s p 的无刷直流电机高性能调速系统的研究 1 9 7 5 年提出的c m a c ( c e r e b e l l e r m o d e la i t i c u l a t i o nc o n t r 0 1 l 砷神经网络模型， 利用人脑记忆模型提出了种分布式的联想查表系统，g r o s s b c r g 在1 9 7 6 年提出 的自共振理论解决了无导师指导下的模式分类。到了8 0 年代，人工神经网络进入 了发展期。1 9 8 2 年，美国生物物理学家h o p f i e l d 提出了h n n ( h o p f i e l dn e u r a l n e t w o r k ) 模型解决了回归网络的学习问题。1 9 8 6 年p d p ( p a r a l l e ld i s t r i b u t e d p r o c e s s i n g ) t , 组的研究人员提出的多层前向神经网络的b p ( b a e kp r o p a g a t i o n ) 学习 算法实现了有导师指导下的网络学习，从而为神经网络的应用开辟了广阔的前景。 神经网络在许多方面试图模拟人脑的功能，并不依赖于精确的数学模型，因而显 示出强大的自学习和自适应功能。 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，简称a n n ) 通过神经元以及相互连接 的权位，初步实现了生物神经系统的部分功能。因其具有非线性映射能力、并行 计算能力、自学习能力以及强鲁棒性等优点已广泛地应用于控制领域。目前，神 经网络在模式识别、故障诊断、信号处理、智能机器人及图像处理等领域中得到 了成功应用。而近年来把智能控制策略特别是神经网络引入电气传动领域也正在 引起各国专家越来越多的关注，不少人希望它能使电气传动系统的控制性能、自 动化水平跃上一个新的台阶。 一般来说，神经网络在系统中的作用划分，有两种功能模式：神经网络建模 和神经网络控制。神经网络在控制系统中所起的作用可大致分为四大类；第一类 是在基于模型的各种控制机构中充当对象的模型；第二类是充当控制器；第三类 是在控制系统中起优化计算的作用；第四类是与其他智能控制如专家系统，模糊 控制相结合，为其提供非参数化对象模型、推理模型等。对于运动控制系统，它 的模型是通过物理分析和归纳得到的、模型的结构比较准确，只是模型结构复杂， 为多变量、非线性结构，而且参数时变，使系统分析和控制变得复杂和困难。因 此，在运动控制系统中主要把神经网络用做控制器。用于控制非线性对象时，神 经网络的自学习、自适应是处理非线性以及不确定系统的有效途径。 人工神经网络应用在运动控制系统的主要优点是【l ”： ( 1 油于神经网络采用并行计算的结构，因此计算速度较快，利用神经网络建 立的观测器和辨识器具有较好的跟踪性能，这样可以解决由于计算复杂而影响系 统实现的问题。 ( 2 ) 由于神经网络可以通过学习电动机各种参数变化时的映射关系来确定内 部反馈的权重系数，因此，当电机参数发生变化时，可以通过自学习实现交、直 流电机高性能的控制。 ( 3 ) 神经网络控制器可实现灵活的控制方案。当系统条件发生变化、或者原来 网络精确性不够、或采用新的算法时，只要使网络再学习，重新存储调整的权重 即可，不需要对系统做太大的改变。 第一章绪论 1 4 本文研究的内容 本课题依托于“柔性结构与控制”教育部留学回国人员实验室基金资助项目， 所使用的设备为一套d s p 开发板和一台三相无刷直流电机，主要的研究内容有以 下几项； ( 1 ) 提出可行的总体方案。首先要在研究三相无刷直流电机运行原理的基础 上，尝试建立电机的数学模型，然后根据无刷直流电机控制系统的发展现状和所 使用的设备，设计整个调速系统的控制方案。 ( 2 ) 为调速系统设计高性能的控制器。p i d 控制实现简单、可靠性高，是工 业过程控制中生命力最强的控制方式，但无刷直流电机调速系统是一个多变量强 耦合的非线性系统，电机本身的参数和拖动负载的参数在运行过程中会发生变化， 使得固定参数的p i d 调节器不能使系统在各种工况下都保持设计时的性能指标， 系统的鲁棒性不强。人工神经网络具有很强的信息综合能力，可在一定条件下逼 近非线性。在电气传动系统中引入神经网络控制，可以利用其非线性、变结构、 自寻优等各种功能来克服电气传动系统中的变参数和非线性因素。因此，设计一 种智能p i d 的算法，将这两种控制方法结合起来，通过对系统性能的学习实现具 有最佳组合的p i d 控制，克服常规p i d 控制器不易在线实时整定参数、难于对非 线性时变系统有效控制的局限，是我们要研究的一个问题。 ( 3 ) 建立有效的系统仿真模型。为了对控制方案的可行性和所设计算法的控 制性能进行评估，需要建立一个有效的系统仿真模型。在这个模型中，要能够方 便的替换控制算法，对不同算法进行比较：还要能够方便的对系统结构进行调整。 鉴于m a t l a b 中s i m u l i n k 的强大仿真能力，我们选择s i m u l i n k 作为仿真平 台。所以，如何在s i m u l i n k 中建立个有效、准确的系统仿真模型，是本课题 要研究的一个内容。 ( 4 ) 设计系统的硬件和软件。d s p 包含有丰富的片内资源，众多的功能模块， 因此，在实现所设计的调速系统的过程中，如何合理的使用d s p 资源，简化整个 系统的硬件结构、提高其可靠性，是本课题要研究的另一个内容。完成硬件设计 之后，就要根据d s p 芯片的编程特点，设计整个系统的软件流程，通过高级语言 编写的应用程序来实现系统的控制方案和控制算法，用实验来检验整个系统的可 行性和调速性能。 综上所述，本课题将设计实用的无刷直流电机调速系统、研究人工神经网络 与常规p i d 结合的智能p i d 控制器、建立有效的仿真模型，在此基础上针对d s p 设计相应的硬件和软件，以期对智能控制方法的实际应用和基于d s p 的高性能无 刷直流电机控制系统的设计开发起到积极作用。 7 ! 基于d s p 的无刷直流电机高性能调速系统的研究 第二章无刷直流电机的结构和原理 2 1 引言 无刷直流电机( b l d c m ) 与有刷的直流电机相比，用电子换相电路代替了机械 换向装置，在内部结构上有了显著的变化，所以二者的运行特性和控制方法也有 很大差别。对于本论文中所使用的被控对象一三相星型无刷直流电动机，需要其 三相绕组交替通电，以特定的组合方式换相，才能产生方向不变的转矩，使电机 持续运转。基于上述考虑，本章以绕组为三相星型接法的电机为例，对无刷直流 电机的基本结构和运行原理进行了讨论。另外因为建模仿真的需要，还在本章最 后讨论了无刷直流电机的简单数学模型。 2 2 无刷直流电机的基本结构 直流无刷电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成 【l ”。电动机本体主要包括定子和转子两部分，在结构上和永磁同步电动机相似， 但是没有笼型绕组和其他起动装置。定子绕组一般为多相( - - 相、四相、五相不等) ， 转子由永磁材料按一定极对数p ( 2 p = 2 ，4 ) 组成。图2 1 为一个本体为三相两 极的无刷直流电动机的原理图，三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率 开关器件相连。 图2 1 无刷直流电机的结构图 电动机本体 电子开关线路 第二章无刷直流电机的结构和原理 在图2 1 中，a 相、b 相、c 相绕组分别与功率开关管v t l 、v t 2 、v t 3 相 连，位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相连接。当定子绕组的某一相通电时， 该电流与转子磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置 传感器将转子位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按 一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开 关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。因 此，所谓无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、 永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”。 电子开关线路用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间，主要由功 率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻辑开关单元是 控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑分配关系分配给无刷直流 电动机定子上的各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。各相绕组导通的 顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。但位置传感器所产生的信号一般 不能直接用来控制功率逻辑开关单元，往往需要经过一定逻辑处理后才能去控制 逻辑开关单元。 图2 2 无刷直流电机主要部件框图 2 3 三相无刷直流电机的运行原理 1 无刷直流电机的基本工作原理 一般永磁直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要作用是在电动机气隙中 产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场，由于电刷的换向作用，使得这两个 磁场的方向在直流电动机的运行过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而 9 业 基于d s p 的无刷直流电机高性能调速系统的研究 驱动电动机不停地运转。无刷直流电动机为了实现无电刷换向，首先要求把一般 直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永久磁钢放在转子上，这与传统直流永磁 电动机的结构正好相反【2 】。但是，这样还是不够的，因为用一般直流电源给定予 上的各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中的转子磁钢所产生的永磁 磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以，无刷直流电动机 除了由定子和转子组成电动机本体以外，还要由位置传感器、控制电路以及功率 逻辑开关共同组成换向装置，使得直流无刷电动机在运行过程中由定子绕组所产 生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场，在空间中始终保持在9 0 。左右的 电角度。 无刷直流电动机的控制方法和运行方式也因电动机本体的绕组型式不同而各 异，因为多数无刷直流电机的定子绕组是三相绕组，且本设计所用的无刷电机也 为三相绕组，所以下面着重说明三相绕组无刷直流电动机的运行原理，其它绕组 型的电机类推可得。 2 三相全控电路的工作原理 三相绕组无刷直流电动机绕组的联接方式有星形连接和三角形连接两种，前 者应用较广。其电子开关线路又有半控桥和全控桥两种方式，以上图2 1 中所示 即为半控桥式电路，三相星型全控桥式电路则如图2 3 所示。可以看到，半控桥 由3 个功率晶体管搭成，全控桥由6 个功率晶体管搭成。全控桥虽然结构较为复 杂，但是相较于半控桥来说优点十分明显：其输出转矩更大，波动更小，且绕组 的利用率更高。所以在要求较高的场合，一般都采用全控电路。 三相全控桥式电路的通电方式分为两两导通方式和三三导通方式”。下面就 重点讨论星型连接下这两种方式的工作原理。 图2 3 三相星型全控桥式电路简图 第二章无刷直流电机的结构和原理 ( 1 ) 两两导通方式 两两导通方式就是指每一瞬间有两个功率管导通，每隔1 6 周期( 6 0 。电角度) 换相一次，每次只换相一个功率管，每个功率管导通1 2 0 。电角度，各功率管的导 通顺序依次是v f i v f 2 、v f 2 v f 3 、v f 3 v f 4 、v f 4 v f 5 、v f 5 v f 6 、v f 6 v f l 当功率管、，f 1 和v f 2 导通时，电流经v f i 管，从a 相绕组流入，c 相绕组流出， 再由v f 2 管回到电源。假设流入绕组的电流所产生的转矩为正，那么从绕组流出 的电流产生的转矩则为负，它们的合成转矩如图( 2 4 a ) 所示，其大小为3t a ，方 向在t a 和t c 的角平分线上。+ 当电动机转过6 0 。电角度以后，由v t l ，v t 2 通电 换成v 1 2 ，3 通电，此时合成转矩如图( 2 4 b ) 所示，其大小同样为3t a ，但此 时合成转矩的方向已经转过了6 0 0 电角度。依次类推，可以看出，每次换相一个 功率管，合成转矩的矢量方向就随着转过6 0 0 电角度，但转矩的大小始终为3t a 。 图( 2 4 e ) 示出了全部合成转矩的方向。 t a g t i i b ( b ) 图2 4 星型绕组两两通电时的转矩矢量 ( c ) 1 龃 这种情况下，相电流应该是平顶宽度为1 2 0 。的方波。其波形如图2 5 。所以 两两导通方式本质上是一种梯形电流控制策略，所以常用于反电动势为梯形波的 无刷直流电机( b l d c ) 。 乒蘩e 性型 图2 5 两两通电时一相电流和反电动势波形 ( 2 ) 三三导通方式 - - = 导通方式是指每一瞬间均有三个功率开关管导通，每隔6 0 。换相一次，每 个功率管通电1 8 0 0 ，导通次序是v f lv f 2 v f 3 、v f 2 v f 3 v f 4 、v f 3 v f 4 v f 5 、 旦 基于0 s p 的无刷直流电机高性能调速系统的研究 v f 4 v f 5 v f 6 、v f 5 v f 6 v f l 、v f 6 v f l v f 2 、v f i v f 2 v f 3 。当v f 6 v f l v f 2 导 通时，电流从v f l 管流入a 相绕组，经b 相和c 相绕组( 这时b 、c 两相绕组并 联1 分别从v f 6 和v f 2 流出，这时流过b 相和c 相绕组的电流分别为流过a 相绕 组的半，合成转矩如图( 2 6 a ) 所示，方向同a 相，而大小为1 5 t a 。经过6 0 。电 角度后换相到v f i v f 2 v f 3 通电，即关断v f 6 ，导通v f 3 ，这时电流分别从v f l 和v f 3 流入，经过a 相和b 相绕组( 相当于a 相和b 相并联) 再流入c 相绕组， 经v f 2 流出，其合成转矩如图( 2 6 b ) 所示，方向与c 相同，转过6 0 。电角度，大 小仍然是1 s t a 。再经过6 0 0 电角度后，换相到v f 2 v f 3 v f 4 通电，而后依次类推， 他们的合成转矩矢量如图( 2 6 c ) 所示。 t ft a t d1 b ( a )( b )( c ) 图2 6 星型绕组三三通电时的转矩矢量图 三三导通方式的相电流波形如图2 7 所示，这种方式本质上是一种正弦波电 流控制策略【”1 ，所以常应用于反电动势为正弦波的永磁同步电机m s h o 。 1 廿卜 一 。“o 矾一 图2 7 三三通电时一相电流波形 2 4 无刷直流电机的数学描述 永磁无刷直流电机的转子为永磁磁钢，通过定子电枢绕组励磁，其气隙磁通 密度为方波分布，反电势波形为梯形波，定子相电流波形为方波。理想状态下， 第二章无刷直流电机的结构和原理 1 3 在每半个周期内，方波电流的持续时间为1 2 0 。电角度，梯形波反电动势的平顶 部分也为1 2 0 。电角度，两者应严格同步。要十分精确地分析无刷直流电动机的 运行特性，是很困难的。它涉及非线性理论及数值解法等诸多问题，在一般工程 应用上尚无此必要，故在本文中作如下假定【垤】： ( 1 ) 三相绕组完全对称，气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场分布皆对称； ( 2 ) 忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响； ( 3 ) 电枢绕组在定子内表面均匀连续分布； ( 4 ) 磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗。 1 楣电压模型 则三相绕组的电压平衡方程可表示为【2 0 】： 1f 川0 1 i = l 0r0i 毪j 【o o r j珏 ( 2 - 1 ) 耋 = i ； 耋 + 三毛m 三 膨三乙oj i 昙l r 乏i 4 j 7 + 量 q 呦 t = 石1 、。i 。+ 毛+ 巳之) ( 2 5 运动方程为： ，警= z 一瓦一b o o ( 2 - 6 ) 膨工膨m 膨 厂l l l 旦 基于d s p 的无刷直流电机高性能调速系统的研究 a b c 图2 8 无刷直流电动机三相模型等效电路 2 直流电动机模型 若将逆变器电路看成简单的开关，采用三相六状态的工作方式运行，在任意 时刻无刷直流电动机只有两相导通，这样从直流侧看，无刷直流电动机和直流电 动机具有相同的特性。因此，我们可用如下方程加以描述f 2 1 】： 电势平衡方程为： u = e + i d r + l 等+ 蜘 ( 2 7 ) 式中：u 为p w m 输出电压( v ) ，e 为电枢绕组反电势( v ) ，l 为电枢平均电流( a ) 。 r 为电枢平均电阻( q ) ，【厂为开关器件( m o s f e t ) 的饱和压降( 。其中： e = e 聆 ( 2 - 8 ) 式中e 为反电动势系数( v r p m ) ，n 为电机转速( r p m ) 。 转矩平衡方程式等同式( 2 - 6 ) 。系统中【，一u = ，在忽略摩擦转矩的条 件下，由式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 、( 2 - 8 ) 可以推出无刷直流电动机各环节的传递函数。 电压与电流的传递函数为： 卉娑k ：坐(2-9)t ( s ) 一e ( 5 ) t s + l p 叫 式中巧= l r 为电枢回路电磁时间常数，单位是s 电流与电动势的传递函数为： 墨盟：旦 l ( s ) 一厶0 ) l s ( 2 1 0 ) 式中乙= 舞燃黼甑她g d 2 = 4 转 第二章无刷直流电机的结构和原理 子飞轮力矩，单位埘2 ：c 二= 詈e 为电机的转矩电流比，单位历彳；厶 为负载电流。 根据( 2 8 ) 、( 2 - 9 ) 、( 2 1 0 ) 就可以得到电动机的动态结构图，如图2 9 所示： 图2 9 无刷直流电机动态结构图 2 5 本章小结 本章主要研究了无刷直流电机的结构特点，以及三相电机的运行原理。对于 电子开关线路，分析了全控桥式电路在绕组星型接法下的两两导通方式和三三导 通方式。对于本课题所控制的三相星型直流无刷电机，因为其电枢驱动电流为梯 形波，而两两导通方式本质上是一种梯形电流控制策略，所以确定了本控制系统 采用全控桥式两两导通的工作方式。最后，给出了三相无刷直流电机的相电压方 程、转矩方程和直流电机的传递函数，作为系统建模仿真的依据。 堕 基于d s p 的无刷直流电机高性能调速系统的研究 第三章无刷直流电机的高性能转速控制策略 3 1 引言 电动机在运行时，经常处于起动、制动、反转的过渡过程中，如何缩短这一 部分时间，以充分发挥电动机的效能，是转速控制首先要解决的问题。为此，在 电动机最大电流( 转矩) 受限制的约束条件下，希望充分发挥电动机的过载能力， 在过渡过程中始终保持电流( 转矩) 为允许的最大使，使电力拖动系统尽可能用最 大的加速度起动。在电动机起动到稳态转速后，又让电流( 转矩) , - r g p 降下来，使 转矩与负载转矩相平衡，从而转入稳态运行。为了实现允许条件下的最快起动， 关键是要获碍段使电流保持为最大值的恒流过程，而根据反馈控制的理论，在 调速系统内增加一个电流反馈环，就成为达到这一目的的首选。本章将先分析双 闭环调速系统的结构及起动特性。 反馈控制的关键一环就是前向通道中控制器的设计。迄今为止国内外已经尝 试过将各种控制方法应用于电机调速领域。传统的如p i d 控制、滑模变结构控制 1 2 2 1 2 3 1 、采用微分几何理论的解耦控制、模型参考自适应控制阱l 等控制策略，都 可以使系统性能得到改善和提高。但这些理论仍然建立在对象精确的数学模型基 础上，有的需要大量的传感器、观测器，因而结构复杂；有的仍无法摆脱非线性 和电动机参数变化的影响。特别是在在微电机领域，这些方法越来越无法满足对 控制特性不断提高的要求。智能控制理论近年来发展迅速，这些理论的共同特点 是无需对象精确的数学模型并具有较强的鲁棒性，所以许多学者都将智能控制方 法( 如专家系统，模糊控制、人工神经网络控制等) 引入了电动机控制系统。但由 于智能控制方法大都理论复杂，控制思想不够直观，很难直接应用于实时性要求 较高的调速系统。所以，在目前的调速领域，最多的尝试是将传统的控制方法与 智能控制方法结合起来，发挥二者各自的优点。 在传统的控制方法中，p i d 应用最为广泛，结构最为简单，效果最为直观， 智能p i d 可以兼顾鲁棒性和实时性，有很好的应用前景。已出现的智能p i d 控制 方法以模糊p i d 2 5 】f 2 6 2 7 】和神经网络p i d t 2 8 1 1 2 9 为主。模糊控制的知识表示、模糊 规则、合成推理是基于专家知识或熟练操作者的成熟经验，完善算法需要大量时 间，而且，由于是通过语言来描述受控系统，其控制品质相对比较粗糙。神经网 络是从微观结构与功能上对人脑神经系统的模拟而建立起来的一类模型，具有模 拟人的部分智能的特性，主要是具有非线性、学习能力和自适应性，使神经控制 能对变化的环境( 包括外加扰动、量测噪声、被控对象的时变特性三个方面) 具有 第三章无刷直流电机的高性能转速控制策略 旦 自适应性，且成为基本上不依赖于模型的一类控制，因此决定了它与p i d 结合形 成智能p m 控制策略的潜力。已有的神经网络p d ，或者直接以神经网络模仿f i d 的结构，或以神经网络来整定p i d 的参数，多为离线学习，降低了系统的实时性。 为了改善系统的实时性，需要神经网络通过在线学习更新权值。 3 2 双闭环调速系统的设计 1 双闭环调速系统的组成 对于要加入转速和电流两个闭环的调速系统，为了在起动过程中只有电流负 反馈起作用以保证最大允许恒定电流，不应让它和转速负反馈同时加到一个调节 器的输入端；到达稳态转速后希望能使转速恒定，静差尽可能小，应只要转速负 反馈，不再靠电流负反馈发挥主要作用。转速、电流双闭环调速系统应该能够做 到既