基于DSP 的无刷直流电机控制系统研究与设计-毕设开题报告

目目录录 1 文献综述.1 1.1 无刷直流电动机发展历程.1 1.2 国内外研究现状.2 1.2.1 无刷直流电机的研究.2 1.2.2 无刷直流电动机控制方法的研究.3 1.2.3 无刷直流电动机控制器的研究与发展.9 1.3 TI 公司 LM3S9B96 处理器介绍.10 2 课题背景及开展研究的意义.13 2.1 课题背景.13 2.2 开展研究的意义.14 3 研究内容、预期目标及研究方法.15 3.1 研究内容.15 3.2 预期目标.15 3.3 研究方法.15 3.3.1 模糊 PID 算法.15 3.3.2 仿真.16 3.3.3 实验.16 4 进度安排.18 参 考 文 献.19 北京科技大学本科生毕业设计(论文)选题报告 - 1 1 1文献综述文献综述 1.11.1 无刷直流电动机发展历程无刷直流电动机发展历程 一个多世纪以来，电动机作为电能和机械能的转换装置，不论是在工业生产、交通 运输、航天和军事等工业应用领域，还是在家用电器、办公室办公等社会生活领域，都 发挥着不可磨灭的作用，可以说电动机的出现推动了人类社会的发展与进步。据相关资 料统计，现在有 90%以上的动力源来自电动机，我国生产的电能大约有 60%用于电动 机1。电动机与人类的生活息息相关，密不可分。 直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机2。众所周知，直 流电动机具有优越的调速性能，主要表现在控制性能好、调速范围宽、启动转矩大、运 行平稳、效率高，应用场合从工业到民用极其广泛3。但是直流电动机内部需要用机械 的换向器和电刷装置进行电流的换向，这种机械换向由于存在机械摩擦，由此带来了火 花、噪声、无线电干扰以及寿命短等缺点1,4-6，同时由于电刷装置价格昂贵，频繁的更 换又导致了成本的增加，它的应用范围因此受到限制7。 为了解决直流电动机机械换向带来的诸多问题，早在上个世纪 30 年代，已经有学 者开始研究以电子换向取代机械换向的无刷直流电机（BLDC），但由于当时大功率电 子器件仅处于初级发展阶段，使这种电机只能停留在实验室研究阶段，无法推广应用。 1955 年美国 D.Harrison 等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，标志着 现代BLDC 的诞生8-9。1978 年，原西德 MANNESMANN 公司在汉诺威贸易博览会推 出了MAC 方波 BLDC 及其驱动器，标志着利用电子换向的 BLDC 真正进入实用阶段 7,10。之后，国际上对 BLDC 进行了深入研究，先后研制成功无刷直流电机和永磁同步 电机（PMSM）。 BLDC 和 PMSM 的基本构架相同，但是他们的控制器电流驱动方式不同：BLDC 是方波（或梯形波）电流驱动，PMSM 是正弦波电流驱动3。与 PMSM 相比，BLDC 具有明显的优越性，其反馈装置更简单，功率密度更高，输出转矩更大，控制结构更简 单，使电动机和逆变器各自的潜力得到充分的发挥，因此，无刷直流电动机的应用和研 究受到广泛的重视，凭其技术优势在很多场合取代了其他种类的电动机1,11。因此本课 题选用BLDC 作为研究对象。 北京科技大学本科生毕业设计(论文)选题报告 - 2 1.21.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 无刷直流电机的研究 无刷直流电动机一般由电动机本体、电子换相电路和转子位置检测电路三部分组 成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传 感器来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路 中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机12。 （1）电动机本体的发展 在结构上，与有刷直流电动机不同，无刷直流电机以定子绕组作为电枢，励磁绕组 由永磁材料所取代。永磁材料的使用，大大减小了无刷电机的重量、简化了结构、提高 了性能，使其可靠性得以提高。无刷电机的出现和发展与永磁材料的发展是分不开的。 永磁材料在几十年的发展过程中基本上经历了以下几个阶段：铝镍钴，铁氧体磁性材 料，钕铁硼(NdFeB)。钕铁硼有高磁能积，它的出现引起了磁性材料的一场革命。第三 代钕铁硼永磁材料的应用，进一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向高效率、小型 化、节能的方向发展7,13。 为了满足各种要求，各种其他类型的无刷直流电动机也在不断的被开发出来。如： 无槽电机，定子铁心无齿槽只有磁轭，定子绕组直接放在定子铁心轭上；盘式电机，具 有两个轴向的气隙，在小容量的情况下，这种电机容易做到低噪声、低振动、低转矩脉 动、高效率、高功率密度。和有刷直流电动机相对应，新品种中还有：无刷直流力矩电 动机、无刷直流直线电动机、无刷直流有限转角电动机、低惯量无刷直流电动机等14。 （2）电子换向电路的发展 在控制电路上，随着电力电子技术特别是大功率全控型的开关器件的飞速发展15， 如可关断晶闸管(GTO)、电力场效应晶体管(MOSFET)、金属栅双极晶体管 IGBT 模块、 集成门极换向晶闸管(IGCT)及近年新开发的电子注入增强栅晶体管(IEGT)的出现与发 展，使得无刷电机的驱动电路逐渐由小型化、模块化的集成电路取代线路复杂、体积庞 大、功能指标低的分立电路11-12。 （3）位置检测装置的发展 北京科技大学本科生毕业设计(论文)选题报告 - 3 BLDC 是闭环的机电一体化系统，它是通过转子磁极位置信号作为电子开关线路的 换相信号，因此，准确检测转子位置，并根据转子位置及时对功率器件进行切换，是无 刷直流电动机正常运行的关键7。 BLDC 常用的位置传感器有磁电感应式、磁敏式和光电式。磁电式位置传感器是最 早的位置传感器，即笨重又复杂，已被淘汰7。磁敏式霍尔位置传感器由于体积小，简 单可靠的特点而被广泛应用。光电式如光电码盘因高精度的特点而广泛应用于伺服系统 中。但位置传感器的使用增加了电机的体积，且需要多根信号线，这给 BLDC 的微型化 带来了困难，也增加了电机制造的工艺要求和成本11,13。因此，无位置传感器控制技术 越来越受重视，成为目前 BLDC 研究的一个重点。常用的检测方法有：反电动势法、定 子电压三次谐波法、电流变化率法、续流二极管法、磁链函数法、电感法、卡尔曼滤波 法、扰动观测器法、神经网络法和涡流法等16。1985 年，Lizuka 等利用微机对无刷直 流电机进行了无位置传感器控制，并对反电动势法的软、硬件设计进行了较为全面的分 析，将无刷直流电机控制提高到了一个新的水平17，现在应用最为普遍的就是反电动势 法。 目前 BLDC 中急需解决的一个问题是转矩波动，转矩波动不仅影响了 BLDC 的控 制精度和伺服性能，同时也会引起电机的振动和噪声18。因此，抑制换相转矩波动成为 BLDC 研究领域的一项重要内容，目前国内外许多学者在这方面进行了大量研究工作， 采取的控制方法也千差万别，有重叠换相法、定子谐波电流的最优权重法、直接转矩 法、动态改变输入电压法等，各种方法都有自己的优缺点和适用场合，但现有的转矩波 动研究方法均是针对电机结构及控制方案提出的一些改善或补偿方法，并没有从根本上 消除转矩波动，因而对于转矩波动抑制的研究还有待进一步深入19。 1.2.2 无刷直流电动机控制方法的研究 基于 BLDC 的速度控制系统的控制方法可分为开环控制和闭环控制两大类。开环 控制系统是最简单的控制系统，只有转子位置传感器提供转子位置反馈信息，使电机换 相总是与转子位置同步。电动机的转速和电流由电动机的机械特性和所驱动负载的机械 特性共同决定，如果电压或负载有变动，电动机的转速也会随之变化，不能控制。闭环 控制系统可以获得更好的控制性能，可以实现一定范围内的速度调节或定速稳速控制。 北京科技大学本科生毕业设计(论文)选题报告 - 4 常用的方法为双闭环调速，内环为电流环（转矩环），外环为速度环（电压环）。其原 理框图如图 1.1 所示3。 图1.1 无刷直流电动机转速电流双闭环控制系统原理框图 控制系统常用的算法主要有 PID 算法、模糊控制、神经网络和遗传算法等，工业系 统中常采用 PID 进行控制，但 PID 在非线性和参数未知的系统中控制效果不佳20， BLDC 系统是一个多变量的非线性系统，采用模糊 PID 可以获得更好的性能表现5,6,21， 所以选取模糊 PID 作为控制算法。 （1）PID 控制 PID 控制是最早发展起来的线性控制策略之一，至今以后七十多年历史，目前仍然 是工业控制系统中最常用的一类控制算法。由于其具有算法简单、鲁棒性好、可靠性高 和参数易整定等优点，已在工程实际中得到了广泛的应用，其控制系统典型结构图如图 1.2 所示19。 图1.2PID 控制系统框图 北京科技大学本科生毕业设计(论文)选题报告 - 5 标准PID 控制器的基本原理是根据设定值与实际值之间的偏差 e(t)，按比例积 分微分的线性组合关系构成控制量u(t)，利用控制量 u(t)再对控制对象进行控制。连 续控制系统 PID 控制规律形式为： 0 ( ) u( )( )( ) t pid de t tk e tke t dtk dt （1.1） 式中：kp比例系数；ki积分系数；kd微分系数。 从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面考虑，比例系数kp与系 统的响应速度、系统的稳态精度有密切关系；积分系数 ki用来消除系统的稳态误差；微 分系数kd可以改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向变 化，对偏差变化进行提前预报。 （2）模糊控制 模糊控制是近代控制理论中建立在模糊集合论基础上的一种基于语言规则与模糊推 理的控制理论，其基本概念由美国加利福尼亚大学著名教授查德首先提出，它是智能控 制的一个重要分支，经过 20 多年的发展，在模糊控制理论和应用研究方面均取得重大 成功。 模糊控制的基本原理框图如图1.3 所示，它的核心部分为模糊控制器，如图 1.3 中 点划线框部分所示，模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现22。 图1.3 模糊控制原理框图 模糊控制的思想就是利用计算机来实现人的控制经验。利用模糊数学的方法，对一 些用模糊语言描述的模糊规则，建立过程变量和控制方法之间的模糊关系，同时根据当 北京科技大学本科生毕业设计(论文)选题报告 - 6 时的实际情况，基于模糊规则，利用模糊推理的方法获得当时的控制量。实现模糊控制 的主要有三个过程：模糊化过程、模糊规则建立与模糊推理、解模糊23。 根据BLDC 控制系统的实际需要，常采用二维模糊控制结构，如图1.4 所示，采用 电机的转速误差 e 和变化率 ec 作为二维模糊控制器的输入，经过模糊化和模糊决策产 生一维的输出，再通过反模糊化输出控制信号对BLDC 的转速进行调节。这种二维模糊 控制器控制效果比较好，是目前应用最为广泛的模糊控制器。其设计要点如下所述19。 图1.4 二维模糊控制器 1、动态信号定义。速度跟踪误差e 及其变化 ec 定义为 * ( )( )( ) ( )( )(1) e kn kn k ec ke ke k （1.2） 式中：n*(k)第k 次采样周期参考转速； n(k)第k 次采样周期电机转速响应。 定义ey 为模糊控制器输出，即 ey=f(e，ec)。 2、量化因子和比例因子。为了增加控制的灵敏度和便于模糊规则应用，对误差 e 及其变化 ec 的实际值分别用量化因子 Kel 和Kec进行量化，映射到模糊集合论域 X=m，m+1，0，m1，m。一般而言，随着 m 的增大，系统的控制效 果会得到提高，但m 过大，会增加模糊控制规则确定的困难。一般 BLDC 控制系统中 可选择模糊论域具备负大（NB）、负中（NM）、负小（NS）、零（ZE）、正小 （PS）、正中（PM）和正大（PB）等七个语言变量值。模糊决策的输出不能直接应用 于控制系统，需采取比例因子 Ku 将输出变化从模糊论域转化到实际输出基本论域，最 后再作用于控制系统。 3、成员函数。根据应用场合的不同，可以选择梯形分布函数、三角形分布函数和 高斯分布函数等不同的成员函数。成员函数的正确与否需要通过理论、仿真和实验手段 来验证。为了便于实现和保证系统可靠运行，一般选取三角形分布函数作为无刷直流电 机模糊控制器的成员函数，如图1.5 所示。 北京科技大学本科生毕业设计(论文)选题报告 - 7 图1.5 模糊控制器的成员函数 4、归纳和总结模糊控制器的控制规则。根据专家经验，得出IFTHEN 形式的模 糊控制决策表，表1.1 给出了一个根据专家经验得出的模糊决策表。 表1.1 电机模糊决策表 e FD ec NBNMNSZEPSPMPB NBNBNBNMNSNSZEZE NMNBNBNMNSNSZEZE NSNMNMNSNSZEZEPS ZENMNSNSZEPSPSPM PSNSZEZEPSPSPMPM PMZEZEPSPSPMPMPB PBZEZEPSPMPMPBPB 表中FD 代表模糊决策输出。模糊推理机一共产生 49 条控制规则，每条控制规则 都可以用下面形式来表达： If e is NBandec isPM thenFD isZE If e is PMandecis NB thenFD isZE If e is NSandec isNM then FDis NM 5、模糊推理24。模糊推理就是依据模糊控制规则，由测量值的模糊集得出控制量 的模糊集。模糊控制理论发展至今，模糊推理的方法大致可分为三种，第一种推理法是 依据模糊关系的合成法则，第二种推理法是依据模糊逻辑的推论法简化而成，第三种推 理法和第一种类似，只是其后件部分由一般的线性式组成。模糊推论大都采用三段论 法，可表示如下： 北京科技大学本科生毕业设计(论文)选题报告 - 8 条件命题：If x isA then y isB 事 实：x isA 结 论：y isB 表示法中的条件命题相当于模糊控制中的模糊控制规则，前件部和后件部的关系， 可以用模糊关系来表示；置于推论演算，则是将模糊关系和模糊集合 A进行合成演 算，得到模糊集合B。推论算法可以用下式表示： B=A。R 6、模糊判决。模糊判决就是在实行模糊控制时，依据控制规则进行模糊推理演 算，然后结合各个由演算得到的推理结果获得控制输出24。为了求得受控系统的输出， 必须将模糊集合 B解模糊化，常用解模糊化的方法有三种9：加权平均法、取中位数法 （重心法）、最大隶属度法。 1）加权平均法 系数加权平均法是指输出量模糊集合中各元素进行加权平均后的输出值作为输出执 行量，其值为： ( ) ( ) xk x u k x （1.3） 当输出变量为离散单点集时，则为： * ii i kx u k （1.4） 这里的加权系数k(x)、ki 的选择要根据实际情况确定，不同的加权系数决定不同的 响应特性。当该系数选择 k(x)=N(x)或ki=N(xi)时，就归为重心法。 2）取中位数法 它取推理结论模糊集合隶属函数曲线与横坐标轴所围成面积的中心作为代表点，即 ( ) u ( ) N N xx dx x dx （1.5） 当输出变量的隶属函数为离散单点集时，则为： 北京科技大学本科生毕业设计(论文)选题报告 - 9 *( ) u ( ) iNi Ni xx x （1.6） 3）最大隶属度法 最大隶属度法是指在推理结论的模糊集合中选取隶属度最大的元素作为精确控制量 的方法，如果论域上选多个元素同时出现最大隶属度值，则取它们的平均值作为解模糊 判决的结果。设存在模糊集合 C，所选择的隶属度最大的元素 u*应满足： * ()( ), c c uu uU（1.7） 模糊控制在 BLDC 控制中的应用主要有两种：基于模糊PI 复合控制器的控制方 法和基于自适应模糊控制器的控制方法。模糊PI控制如图 1.6 所示，因为常规的模糊 控制器缺少模糊积分控制作用，所以系统稳定性较差，将 PI控制引入模糊控制，可以 改善模糊控制器的稳态性能。自适应模糊控制能够自动辨识被控过程参数，自动整定控 制参数，能够适应被控过程参数的变化，故可以使系统控制性能得到改善23。 图1.6 模糊PI 控制器结构图 1.2.3 无刷直流电动机控制器的研究与发展 从BLDC 控制器发展过程看，控制器经历了由早期的采用小规模模拟、数字电路 与分立元器件的控制器到采用 BLDC 专用集成控制电路的控制器再到单片机微控制器 （MCU）最后到近年来基于 DSP 的控制器的过程。这些不同层次、不同发展阶段的控 制器适应不同性价比要求，并逐步将 BLDC 控制推向更高水平3。 对于专用集成电路现在几乎所有先进工业国家的半导体厂商，都能提供自己开发的 电机控制专用集成电路。对电机控制要求不高的场合，由专业集成电路组成控制电路是 简单实用的方法24。目前BLDC 控制器大多采用单片机来控制，但单片机的处理能力 有限，如要采用新的控制策略，由于需要处理的数据量大，实时性和精度要求高，单片 机往往不能满足要求。为了进一步提高控制系统的综合性能，近年来国外一些大公司纷 北京科技大学本科生毕业设计(论文)选题报告 - 10 纷推出比 MCU 性能更加优越的 DSP，如ADI 公司的ADMC3XX 系列、TI 公司的 TMS320C24X 系列及Motorola公司的 DSP56F8XX系列等，他们都是由以 DSP 为基础 的内核配以电动机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内，使控制器的价格大大 降低、体积缩小、结构紧凑、使用便捷、可靠性提高3。 在基于 DSP 的BLDC 控制系统中，一片DSP 就可以代替单片机和各种接口，且由 于 DSP 芯片的快速运算能力，可以实现更复杂、更智能化的算法；可以通过高速网络 接口进行系统升级和扩展；可以实现位置、速度和电流环的全数字化控制。使用 DSP 实现无刷直流电动机控制，不仅比系统的模拟/数字混合控制电路成本低，而且结构简 单，方便扩展3。 1.31.3 TITI公司公司LM3S9B96LM3S9B96处理器介绍处理器介绍 LM3S9B96 处理器是 TI 公司推出的了 32 位性能的基于 ARM Cortex-M3的微控 制器25，是业内当前 32 位MCU 中首款Cortex-M3，具有Thumb-2 指令集，Thumb-2 技术可以使 16 位和32 位指令并存，带来了代码密度和性能的最佳平衡。Thumb-2 比纯 32 位代码占用少 26%，同时带来了 25%的性能提升，可有效降低系统成本。LM3S9B96 处理器作为首款基于ARM Cortex-M3 的微控制器，为成本敏感的嵌入式微控制器应 用带来了高性能的32 位计算能力。这些具备领先技术的芯片使用户能够以传统的 8 位 和 16 位器件的价位来享受32 位的性能，而且所有型号都是以小占位面积的封装形式提 供。 LM3S9B96 处理器具有如下特性： ARM Cortex-M3 处理器核心 80-MHz 运行速度，性能 100DMIPS ARMCortex 系统滴答定时器(SysTick) 集成嵌套向量中断控制器(NVIC) 片上存储器 256KB 单周期Flash 存储器，速度可达 50 MHz；50 MHz 以上采用预取指技 术改善性能 96KB 单周期SRAM 装有StellarisWare软件包的内部 ROM： 北京科技大学本科生毕业设计(论文)选题报告 - 11 Stellaris外设驱动库 Stellaris引导装载程序 SafeRTOS 核心 高级加密标准 (AES) 密码表 循环冗余检验 (CRC) 错误检测功能 片外设备接口 (EPI) 8/16/32 位外部设备专用并行总线 支持SDRAM,SRAM/Flashmemory, FPGAs, CPLDs 高级串行通讯集成 硬件支持 IEEE1588 PTP 的集成MAC 和PHY 的10/100 以太网 两路CAN2.0 A/B 控制器 USB2.0OTG/Host/Device 三路支持 IrDA和 ISO7816 的UART (其中一路带有完全调制解调器控制的 UART) 两路I2C 模块 两路同步串行接口模块 (SSI) 内部集成电路音频(I2S)接口模块 系统集成 直接存储器访问控制器 (DMA) 系统控制和时钟，包括片上的16-MHz 精密振荡器 4 个32 位定制器（可用作 8 个16 位），具有实时时钟能力 8 个捕获/比较/PWM 管脚 (CCP) 2 个看门狗定时器 1 个定时器使用主时钟振荡器 1 个定时器使用内部时钟振荡器 多达65 个GPIO 口，具体数目取决于配置 高度灵活的管脚复用，可配置为GPIO 或任一外设功能 可独立配置的2,4 或8mA 端口驱动能力 北京科技大学本科生毕业设计(论文)选题报告 - 12 高达4 个 GPIO 具有18mA 驱动能力 高级电机控制 8 路高级 PWM 输出，可用于电机和能源应用 4 个fault 输入，可用于低延时的紧急停机 2 个正交编码输入 (QEI) 模拟 2 个10 位模数转换器(ADC)，具有 16 个模拟输入通道，采样率 1000k 次/秒 3 个模拟比较器 16个数字比较器 片上电压稳压器 JTAG 和ARM 串行线调试(SWD) 100 脚 LQFP 和108 脚BGA 封装 工业 (-40C 到85C) 温度范围 LM3S9B96 微控制器针对工业应用设计，包括远程监控、电子贩售机、测试和测量 设备、网络设备和交换机、工厂自动化、HVAC 和建筑控制、游戏设备、运动控制、医 疗器械以及火警安防。 另外，LM3S9B96 微控制器的优势还在于能够方便的运用多种 ARM 的开发工具和 片上系统（SoC）的底层 IP 应用方案，以及广大的用户群体。 另外，该微控制器使用 了兼容ARM 的Thumb指令集的Thumb2 指令集来减少存储容量的需求，并以此达到 降低成本的目的，另外，LM3S9B96 微控制器与 Stellaris系列的所有成员是代码兼容 的，这为用户提供了灵活性，能够适应各种精确的需求。 北京科技大学本科生毕业设计(论文)选题报告 - 13 2 2课题背景及开展研究的意义课题背景及开展研究的意义 2.12.1课题背景课题背景 BLDC 既有有刷直流电机同样的性能，又依靠电子换向，出去了电刷和换向器，因 此随着BLDC 的性能不断提高、价格逐渐下降，原来应用有刷电动机的场合，逐渐由 BLDC 所代替26，其应用范围不断扩大，如航天和现代军事装备、信息处理装置、视听 设备、家用电器27、汽车系统28、工业自动化等方面29，在不远的将来占据主导地位已 是一个不可逆转的趋势。 BLDC 的控制核心是控制器，目前其控制器多采用以单片机或 DSP为核心，少有 以 ARM 处理器为核心的控制器出现。新一代的 ARM 处理器主频更高，已经达到可以 媲美DSP 的运算速度，各方面的性能也不弱于 DSP，取 TI 公司性能较好的 DSP TM320F280930与LM3S9B9625进行性能比较，比较结果见表 2.1 和表 2.2。 表2.1TM320F2809 与LM3S9B96 性能比较 1 属性 芯片 型号 Frequency （MHZ） Flash （KB） RAM （KB） DMATimersI2CUART TM320F280910025636NO3 32-Bit ,1WD 12 LM3S9B96802569632523 表2.2TM320F2809 与LM3S9B96 性能比较 2 属性 芯片 型号 CANGPIO USB,D， H/D,or OTG EthernetQEIPeak MMACS Approx.Price (US$) TM320F2809235NONONO10012.30| 1ku LM3S9B96265O/H/DYES2NO8.30| 1ku 通过表2.1 和表2.2 可知，虽然 LM3S9B96 的CPU 频率不如TM320F2809，也没有 PeakMMACS，但是LM3S9B96 具有更大的 RAM，可以编写更丰富的应用程序，更多 北京科技大学本科生毕业设计(论文)选题报告 - 14 的 GPIO，可以连接更多的外部电路和设备，具有 QEI 这个专门用于电机控制的模块， 有利于电动机的控制，另外还具有USB 等丰富的外设接口，并支持以太网，有助于远 程控制的实现。LM3S9B96 不仅可以提供足以媲美 DSP 芯片的电机控制的性能，而且 具有更丰富的接口，能够实现网络通信，更有助于电机的智能化控制，更重要的是其价 格要低于 DSP 的价格，节约了成本。 如果将新一代 ARM 处理器运用到电机控制器中将会使电机控制系统性能得以提升 并降低成本。本课题就是基于这一目的，尝试设计构建一个以LM3S9B96 处理器为核 心并结合外围电路的控制系统作为BLDC 的控制器。 2.22.2开展研究的意义开展研究的意义 BLDC 作为现在炙手可热的电机产品，在社会生活和工业发展等各个领域都发挥着 重要的作用，其系统控制的好坏直接关系到电机的性能，进而影响响应的工业生产或产 品运行，所以一个好的控制系统对于 BLDC 来说至关重要。 目前国内外对 BLDC 控制系统的研究多集中在以DSP 芯片为核心的全数字化智能 控制上。DSP 是专门用于信号处理方面的处理器，具有强大的计算能力，但是 DSP 为 了提高数字运算效率，牺牲了存储管理的方便性，因而对于多任务的支持很差，同时 DSP 的内存较小，在需要编写除了电机的控制程序还有逻辑运算、先进控制算法时就需 要添加片外内存，另外 DSP 没有网络接口，在电机控制器需要进行网络通信时就显得 力不从心，而 ARM 处理器就正好可以解决这些问题，所以本课题试图通过采用 LM3S9B96 处理器来更好的对BLDC 进行控制。 本课题中研究的控制器，对于实现电机的智能化控制有着很重要的作用，不光可以 更好的实现工业中BLDC 控制的精准和人性化，更能使家用电器、机器人等领域的人机 交互上升到一个新的高度，同时也节约了成本，对 BLDC 的发展有一定的促进作用。 北京科技大学本科生毕业设计(论文)选题报告 - 15 3 3研究内容、预期目标及研究方法研究内容、预期目标及研究方法 3.13.1研究内容研究内容 本课题主要搭建一个基于 ARM 的电动机控制器，设计一个 BLDC 的调速控制系 统，其中需要做如下研究： （1）分析BLDC 调速系统的基本结构、工作原理和运行特性； （2）分析模糊控制的原理，模糊 PID 的结构、原理及其软件实现方法； （3）在 Matlab/Simulink 运行环境下，搭建 BLDC 调速系统仿真模型，设计模糊 PID 控制器，研究电机在启动、稳定运行、突加负载等情况下调速系统的静、动态性 能，获得符合要求的PID 参数； （4）结合TI 公司ARM 处理器LM3S9B96 的特点，以 BLDC 为控制对象，参考 文献31，设计主电路、功率驱动电路、电压和电流检测电路、串口通讯电路及保护电 路等硬件电路； （5）用 C 语言编写、调试系统相应的软件，主要包括主程序的设计、电流的测量 及调节、相电压的测量及调节以及使用模糊 PID 控制算法的程序实现。 （6）在开发工具系统上对控制板进行测试和调试，使其达到设计的预期目标。 3.23.2预期目标预期目标 1.完成以 TI LM3S9B96 为 MCU的直流无刷电动机控制板的原理图与 PCB 图； 2.制作并调试直流无刷电动机控制板硬件； 3.在开发工具系统上实现直流无刷电动机1 脉冲的位置控制 4.在开发工具系统上实现直流无刷电动机 0.01Hz 分辨率的调速控制。 3.33.3研究方法研究方法 3.3.1 模糊 PID 算法 传统的 PID 算法很难满足非线性、参数未知的电机系统的实时控制要求，而纯粹的 模糊控制具有静态误差，二者结合可以在性能上互补，所以将PID 与模糊控制结合成模 糊 PID 控制器来对电机系统进行控制32。模糊 PID 控制器的原理图如图3.1 所示。 北京科技大学本科生毕业设计(论文)选题报告 - 16 在这个控制图中，根据不同的情况和需求来选择不同的控制模型进行控制。当误差 e 要大于一个确定的阈值时，选择二维的模糊控制器来提高系统的响应速度，加快响 应进程；当误差 e 小于阈值时，选择 PID 控制来消除静态误差，提高控制精度11。 图3.1 模糊 PID 控制器原理图 3.3.2 仿真 实验中在 Matlab/ Simulink 运行环境下，搭建 BLDC 调速系统仿真模型，模型主要 有三部分组成：BLDC 模型，模糊控制器，PID 控制器。先根据 BLDC 的参数构建 BLDC 模型，然后分别设计模糊控制器和 PID 控制器，整个模型建立后，研究电机在启 动、稳定运行、突加负载等情况下调速系统的静、动态性能，获得符合要求的 PID 参 数。 3.3.3 实验 数字化的控制系统主要包含硬件和软件两部分。硬件是实现控制的基础，软件是实 现控制的核心，两者相辅相成。要验证设计的控制器软硬件是否正确就要在做出控制板 后进行实验，通过实践来验证。主要的实验内容包括以下几个方面： 1、控制器硬件设计的正确性。在拟定硬件设计方案后，首先画出硬件的 PCB 图， 然后做出硬件控制板，将控制板通电，用万用表等器件检验控制板中各个模块如转子位 置检测模块、PWM 模块、电源模块等是否运行正常，如果不正常，找出问题的所在并 进行修改，直至硬件系统没有错误； 2、控制软件的正确性。控制软件中主要包括主程序的设计、电流的测量及调节、 相电压的测量及调节以及模糊 PID 控制算法等模块，在每一个模块编写完成后分别进行 编译调试，每一个模块均无误后再将所有模块整合进行编译调试； 北京科技大学本科生毕业设计(论文)选题报告 - 17 3、控制系统的能否满足要求。在分别检测软硬件无误后，将软件下载到控制板， 并在开发工具系统上对系统整体进行调试和试运行，检验所设计的控制器能否满足要 求，若不能，分析问题所在并解决问题。 北京科技大学本科生毕业设计(论文)选题报告 - 18 4 4进度安排进度安排 第1 周 第3 周查阅资料和撰写开题报告； 第4 周 第 8 周设计并制作直流无刷电动机控制器的控制板； 第9 周 第 13 周编写控制软件在开发工具系统上调试与试运行控制软件； 第14 周 第15 周撰写毕业设计论文； 第16 周论文答辩 本人签名： 年月日 北京科技大学本科生毕业设计(论文)选题报告 - 19 参参 考考 文文 献献 11吴雪梅.基于DSP 的无刷直流电机控制系统研究与设计.西安：西北工业大学信号 与信息处理专业，2005. 22王晓明，王玲著.电动机的 DSP 控制：TI 公司 DSP 应用.北京：北京航空航天大学 出版社，2004.7. 33谭建成著.永磁无刷直流电机技术.北京：机械工业出版社，2011. 44D. Krklje, . Morvai, K. Babkovi and L. Nagy. BLDC Motor Driver Development of Control and Power Electronics，PROC. 27th International Conference on Microelectronics (Miel2010).SERBIA：NI，2010. 55Tan Chee Siong, Baharuddin Ismail, Mohd Fayzul Mohammed，ed. Study of Fuzzy and PI Controller for Permanent-magnet Brushless DC Motor Drive，The 4th International Power Engineeringand OptimizationConf.(PEOCO2010). Selangor：ShahAlam，2010. 66Tan Chee Siong, Baharuddin Ismail, Siti Fatimah Siraj，ed. Analysis of Fuzzy Logic Controller for Permanent Magnet Brushless DC Motor Drives，Proceedings of 2010 IEEE Student Conference on Research and Development (SCOReD 2010).Malasia：Putrajaya， 2010. 77牛海清，谢运祥.无刷直流电动机及其控制技术的发展.微电机，2002，35(5)：36- 38. 88张曼若.无刷直流电动机的发展与应用.微电机，1995，28(1)：25-25，29. 99杨玉巍. 基于 DSP 的无刷直流电机模糊控制系统研究.西安：西北工业大学机械 电子工程专业，2006. 1010 王廷奇.基于 DSP 技术的直流无刷电机控制系统的研究.哈尔滨：哈尔滨工程大学 电力电子与电力传动专业，2007. 1111 郑吉，王学普. 无刷直流电机控制技术综述. 微特电机，2002，30(3)：11-13. 1212 张琛著.直流无刷电动机原理及应用.北京：机械工业出版社，1996. 1313 丁志刚.无刷直流电动机的研究和开发进展.微电机，2000，33(1)，29-30. 1414 贡俊，陆国林. 无刷直流电机在工业中的应用和发展. 微特电机，2000，28(5)： 15-19. 1515 谢宝昌，任永德著.电机的 DSP 控制技术及其应用. 北京：北京航空航天大学出 版社，2005.3. 北京科技大学本科生毕业设计(论文)选题报告 - 20 1616 吴红星，叶宇骄，倪天，郭庆波. 无刷直流电机转子位置检测技术综述. 微电机， 2011，44(8)：75-81. 1717 KENICHI IIZUKA，HIDEO UZUHASHI，MINORU KANO，