（信号与信息处理专业论文）直流无刷电机数字调速系统的研究.pdf

学校代码： 10289 分类号： tm33 密 级： 公 开 学 号： 092030042 江苏科技大学江苏科技大学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 直流无刷电机数字调速系统的研究 研 究 生 姓 名 孙健涛 导 师 姓 名 王宝忠 申请学位类别 工学硕士 学位授予单位 江 苏 科 技 大 学 学 科 专 业 信号与信息处理 论文提交日期 2011 年 12 月 12 日 研 究 方 向信号处理理论与技术 论文答辩日期 2012 年 3 月 17 日 答辩委员会主席 评 阅 人 2012 年 3 月 19 日 直 流 无 刷 电 机 数 字 调 速 系 统 的 研 究 孙 健 涛 江 苏 科 技 大 学 分类号： tm33 密 级： 公 开 学 号： 092030042 工学硕士学位论文 直流无刷电机数字调速系统的研究 学生姓名 孙健涛 指导教师 王宝忠副教授 江苏科技大学 二 o 一二年三月 a thesis submitted in fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering researeh on digital speed control system of brushless dc motor submitted by sun jiantao supervised by wang baozhong jiangsu university of science and technology march, 2012 江苏科技大学学位论文原创性声明江苏科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 江苏科技大学学位论文版权使用授权书江苏科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权江苏科技大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于： (1)保密，在 年解密后适用本授权书。 (2)不保密。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 摘要 i 摘 要 永磁无刷直流电机（permanent magnet brushless dc motor）利用电子换相代替了 有刷直流电机的机械换相和电刷。它既具有直流电机良好的调速性能，又具有交流电 机结构简单的特点，使其在应用过程中体现出诸多优点。 无刷直流电机稳定可靠的运行是建立在准确的转子位置检测的基础上的。其中， 位置检测分为有位置传感器位置检测和无位置传感器位置检测两种，而有位置传感器 的直流电机增加了电机的体积和成本，降低了其运行的稳定性，限制了应用场合。而 现代工业应用对电机控制系统的稳定性和无刷直流电机的可应用领域的要求在逐渐提 高，这就使得无位置传感器电动机控制系统的研究，具体较深远理论意义和较高实用 价值。 本文采用ti公司的tms320f2812芯片作为主控制芯片，研究无位置传感器无刷直 流电动机数字调速控制系统。 1、对无刷直流电机的结构组成、基本工作原理、调速控制方法以及数学模型进行 了详细的介绍，重点介绍了现阶段采用的无位置传感器位置检测的方法和电机的起动 方法。 2、对常规的反电动势位置检测的方法进行了研究，提出了基于 h_pwm-l_pwm 调 制方式下的无位置传感器无刷直流电机转子位置检测的新方法，实验证明该方法能够 很好的完成位置检测。针对无位置传感器电机起动存在的问题，提出了采用预定位与 升频升压相结合的起动方法，实验验证了该方法的可行性。 3、利用 matlab 强大的仿真功能，结合无刷直流电机的数学模型建立起了整个 控制系统的仿真模型。并进行了传统 pi 控制算法和模糊自适应 pi 控制算法仿真研究， 仿真结果可以看出，采用模糊自适应 pi 控制算法系统的控制性能得到明显改善。 4、对控制系统的硬件电路和软件程序进行了设计，并对整个系统进行了调试，调 试结果表明该系统的调速性能能够达到预期结果。 关键词：无刷直流电机；模糊自适应pi；位置检测；dsp；调制方式 江苏科技大学工学硕士学位论文 ii abstract iii abstract permanent magnet brushless dc motor replaces the mechanical brush in a dc motor using electronic commutation. it has dc motors good speed performance, and also has the ac motors characteristics of simple structure, so that it is reflects a number of advantages in the application. stable and reliable brushless dc motor operation is based on accurate rotor position detection. there are two ways of position detection, and they are position sensor position detection and sensorless position detection. however, the dc motor position sensor increases the motor size, costs and reducing the stability of its operation, limiting the applications. the requirements of the stability of the motor control system and the further expanding of the brushless dc motor applications in the modern. industrial applications have been improved, and this made the studying of the position sensorless motor control system has further more theoretical worth and practical value. this paper studied a sensorless brushless dc motor digital speed control system using tis tms320f2812 mcu as the main control chip. firstly, this thesis introduced the compositions, basic working principle, speed control methods and mathematical model of brushless dc motor in details, and introduced the position detection methods using a position sensorless on the stage and the starting ways of motor with emphasis. secondly, this paper studied the conventional method of back-emf position detection, and gave a new brushless dc motor rotor position detection method base on the h_pwm-l_pwm modulation technology. the experiment results validated this method having a good performance on the rotor position detection. in order to deal with the starting problem of position sensorless motor, this paper proposed a starting method using a predetermined position with a combination of step-up-start method, and the results verified the feasibility of this method. thirdly, this paper established the whole control system simulation model based on the brushless dc motor mathematical model using the strong simulation function of matlab. further more, this paper simulated the conventional pi control algorithm and fuzzy self-adaptive pi control algorithm, and the simulation results showed that the performance of the system using fuzzy self-adaptive pi control algorithm has been improved 江苏科技大学工学硕士学位论文 iv significantly. finally, this paper designed the hardware circuit and software codes of the brushless dc motor control system, and debugged the whole system. the experiment results verified that the speed regulation system has the same performance as the expected. keywords：bldcm；fuzzy adaptive pi；position detection；dsp；modulation 目录 v 目录 摘 要 . i abstract . iii 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题研究的背景及理论意义 . 1 1.2 发展过程和国内外研究现状 . 1 1.2.1 国外发展历程 . 1 1.2.2 国内发展情况 . 2 1.2.3 研究的现状和热点 . 2 1.3 电机控制系统的发展 . 3 1.4 课题的研究内容与研究方法 . 4 第 2 章 无刷直流电机运行原理及数学模型 . 6 2.1 无刷直流电机的基本结构 . 6 2.1.1 电机本体结构 . 6 2.1.2 转子位置检测部分 . 7 2.1.3 驱动控制电路 . 7 2.2 无位置传感器转子位置检测方法 . 9 2.2.1 反电动势法 . 9 2.2.2 续流二极管法 . 11 2.2.3 电感法 . 11 2.2.4 磁链观测法 . 11 2.2.5 采用智能控制检测法 . 12 2.3 电机的起动 . 12 2.3.1 三段式起动法 . 12 2.3.2 预定位起动法 . 13 2.3.3 升频升压同步起动法 . 14 2.4 无刷电机的工作原理 . 15 2.5 无刷直流电机的数学模型 . 17 2.6 本章小结 . 19 第 3 章 整体方案的选择 . 20 3.2 电机控制方法的确定 . 20 江苏科技大学工学硕士学位论文 vi 3.2 转子位置检测方案 . 21 3.2.1 h_pwm-l_pwm 调制方式分析 . 22 3.2.2 相位补偿 . 24 3.4 电机的起动方案 . 26 3.5 本章小结 . 27 第 4 章 模糊控制算法在电动机控制系统中的应用 . 28 4.1 传统 pid 控制算法 . 28 4.2 模糊控制算法 . 30 4.3 模糊自适应 pi 控制器的设计 . 32 4.3.1 模糊自适应 pi 控制器 . 32 4.3.2 模糊 pi 控制参数自整定原则 . 33 4.4 模糊自适应 pi 控制器的仿真结构 . 33 4.5 算法的仿真比较 . 34 4.5.1 比例因子和量化因子的确定 . 34 4.5.2 算法仿真结果 . 35 4.6 智能算法在控制系统中的仿真 . 36 4.6.1 无刷直流电动机控制系统仿真模型 . 37 4.6.2 三相逆变桥模型 . 37 4.6.3 逻辑换相模块 . 38 4.6.4 无刷电动机模型 . 39 4.6.5 双环控制模型 . 40 4.6.6 控制系统仿真结果 . 41 4.7 本章小结 . 42 第 5 章 硬件电路的设计 . 44 5.1 电动机驱动桥电路 . 44 5.2 igbt 驱动电路 . 45 5.3 位置检测电路 . 46 5.4 电流检测电路 . 47 5.5 电压检测电路 . 48 5.6 dsp 最小系统电路设计 . 48 5.6.1 最小系统电源设计 . 48 5.6.2 时钟振荡电路设计 . 49 5.6.3 jtag 调试接口设计 . 50 5.7 键盘电路图 . 50 目录 vii 5.8 过温保护 . 51 5.9 本章小结 . 51 第 6 章 控制系统软件设计 . 52 6.1 主程序设计 . 52 6.2 初始化程序设计 . 53 6.3 键盘程序 . 54 6.4 电机的起动程序 . 55 6.5 捕获换相程序 . 56 6.6 电机速度运算子程序 . 56 6.7 速度环调节程序和电流环调节程序 . 57 6.8 采样中断程序设计 . 57 6.9 系统保护程序 . 58 6.10 本章小结. 59 第 7 章 电机调速控制系统调试的结果及分析 . 60 7.1 无刷电机数字调速控制器 . 60 7.2 试验结果及系统误差分析 . 61 7.3 本章小结 . 63 总结与展望 . 64 工作总结 . 64 不足与展望. 64 参考文献 . 67 附录 . 71 攻读硕士学位期间发表的学术论文 . 73 致 谢 . 75 江苏科技大学工学硕士学位论文 viii contents ix contents abstract (chinese) . i abstract (english) . iii chapter 1 intrduction . 1 1.1 the background and significance of this subject . 1 1.2 development and research status . 1 1.2.1 development process . 1 1.2.2 domestic development . 2 1.2.3 research status and research hot . 2 1.3 the development of the dc motor control system . 3 1.4 the study topics and research methods . 4 chapter 2 brushless dc motor operating principle and mathermatical model. 6 2.1 the structure of brushless dc motor . 6 2.1.1 structure of motor . 6 2.1.2 the part of rotor positon detection . 7 2.1.3 drive control circuit . 7 2.2 the methods of sensorless rotor position detection . 9 2.2.1 the back emf method . 9 2.2.2 the freewheeling diode method . 11 2.2.3 the inductive method . 11 2.2.4 the