直流无刷电动机控制器的硬软件设计

1、直流无刷电动机控制器的直流无刷电动机控制器的硬软件设计硬软件设计姓名：韩旭姓名：韩旭学号：学号：40850237班级：电班级：电083指导老师：孙昌国副教授指导老师：孙昌国副教授1研究意义研究意义2 目前无刷直流电机控制器采用的主芯目前无刷直流电机控制器采用的主芯片主要是片主要是DSP芯片，但是芯片，但是DSP芯片具有很芯片具有很多影响控制器应用的不足，而多影响控制器应用的不足，而ARM系列芯系列芯片相对的可以解决这些问题。片相对的可以解决这些问题。 取取TI公司性能较好的公司性能较好的DSP TM320F2809与与ARM LM3S9B96进行性能比较，比较结进行性能比较，比较结果见表果见表

2、1和表和表2。主要设计内容主要设计内容3l详细了解直流无刷电动机的原理及控制方法；详细了解直流无刷电动机的原理及控制方法； l学习并掌握直流无刷电动机控制器的设计内学习并掌握直流无刷电动机控制器的设计内容；容； l设计直流无刷电动机控制器的控制板；设计直流无刷电动机控制器的控制板； l编写直流无刷电动机控制器实时控制软件；编写直流无刷电动机控制器实时控制软件；l完成直流无刷电动机控制板的制作并在开发完成直流无刷电动机控制板的制作并在开发工具系统上调试与试运行控制软件。工具系统上调试与试运行控制软件。4论文框架论文框架硬硬件件设设计计系系统统仿仿真真软软件件设设计计集集成成测测试试硬件总体构成硬

3、件总体构成5硬件设计硬件设计6原原理理图图设设计计PCB图图设设计计硬件原理图设计硬件原理图设计7主控电路主控电路以太网接口以太网接口CAN总线接口总线接口JTAG接口接口USB接口接口控制面控制面板板接口接口硬件原理图设计硬件原理图设计8MOSFET驱动电路驱动电路逆变电路逆变电路电流检测电路电流检测电路硬件原理图设计硬件原理图设计9电机终电机终端接口端接口霍尔传感霍尔传感器接口器接口正交编码正交编码器接口器接口硬件原理图设计硬件原理图设计10+5V变压电路变压电路+15V变压电路变压电路+3V变压电路变压电路USB电压调节模块电压调节模块外接风扇外接风扇电路电路刹车控制电路刹车控制电路指示

4、灯电路指示灯电路硬件硬件PCB图设计图设计11绘制原理图绘制原理图加载封装，生成网络表加载封装，生成网络表规划电路板规划电路板布线布线加载网络表和封装库加载网络表和封装库元器件布局元器件布局规则检查规则检查制板完成后的控制板制板完成后的控制板12变压模块变压模块CAN总线总线接口接口以太网接口以太网接口USB接口接口JTAG接口接口控制面控制面板板接口接口电电机机终终端端接接口口逆变电路模块逆变电路模块主控模块主控模块系统仿真系统仿真13PI控制器控制器模糊控制器模糊控制器PID控制控制模糊模糊控制控制哪种方哪种方法更好？法更好？模糊控制规则模糊控制规则14仿真结果仿真结果 对对PI控制和模糊

5、控制两种控制算法下的控制和模糊控制两种控制算法下的系统进行起动、运行、突加负载、突减负系统进行起动、运行、突加负载、突减负载等过程的的控制效果分析比较，设定参载等过程的的控制效果分析比较，设定参考转速为考转速为500rpm，加速度为，加速度为1000rpm/s，无，无负载起动时仿真结果如图所示。负载起动时仿真结果如图所示。 系 统 中 电 机 参 数 为 ： 电 压 常 数系 统 中 电 机 参 数 为 ： 电 压 常 数146.6077V_peak L-L / krpm；转矩常数；转矩常数1.4N.m / A_peak；反电动势角度；反电动势角度120；极；极对数对数4；转动惯量；转动惯量0

6、.089kg.m2；摩擦因子；摩擦因子0.005N.m.s；最大转速；最大转速2000rpm。15仿真结果分析仿真结果分析稳定时间稳定时间超调量超调量稳态误差稳态误差抗干扰能力抗干扰能力PI控制较长较大小强模糊控制较短较小大较弱16综上可知，综上可知，PID控制具有比模糊控制更好的稳态控制具有比模糊控制更好的稳态性能和可靠性，但是性能和可靠性，但是其响应其响应较慢，超调量也较大；较慢，超调量也较大；模糊控制响应速度快，超调小，但是可靠性模糊控制响应速度快，超调小，但是可靠性较差较差，控制精度控制精度不高，稳态误差大。这两种控制方法都有不高，稳态误差大。这两种控制方法都有弊端，想要达到更好的控制

7、效果，可以将两种控制弊端，想要达到更好的控制效果，可以将两种控制方法结合在一起，形成模糊方法结合在一起，形成模糊PID控制方法。控制方法。软件设计软件设计17主程序主程序状态机状态机波形更新中断波形更新中断速度更新中断速度更新中断主应用启动代码主应用启动代码转速和电流调节程序转速和电流调节程序18n主要功能：调整电机转速。主要功能：调整电机转速。n原理：调速系统采用的是转速电流双闭环原理：调速系统采用的是转速电流双闭环控制，转速环的输出作为电流环的输入，控制，转速环的输出作为电流环的输入，电流环的输出控制电流环的输出控制PWM波的产生，进而控波的产生，进而控制电机转速。制电机转速。集成测试集成

8、测试19调试使用的电机参数为：额定电压：调试使用的电机参数为：额定电压：24V；空载转速：；空载转速：8000rpm；空载电流：；空载电流：0.11A；转矩参数：；转矩参数：28.018mNm/A；反电；反电动势常数：动势常数：2.934mV/rpm；速度常数：速度常数：340.832rpm/V；摩擦力矩：；摩擦力矩：3.082mNm；电流常数：电流常数：0.036A/mNm；转子惯量：；转子惯量：0.098gcm2。调试结果调试结果20电机起电机起停控制停控制电机电机状态状态电机电机转速转速电机运电机运转方向转方向结结 论论通过以上结果可得出以下结论：通过以上结果可得出以下结论：lARM芯片

9、芯片LM3S9B96可以完成对电动机的转速控可以完成对电动机的转速控制工作；制工作；l硬件控制板中的以太网和硬件控制板中的以太网和JTAG接口可以正常工接口可以正常工作；作；l控制板可以顺利完成控制电机加减速、刹车等主控制板可以顺利完成控制电机加减速、刹车等主要功能；要功能；lPID控制精度高但超调较大、响应速度较慢，模控制精度高但超调较大、响应速度较慢，模糊控制响应速度快、超调小但稳态误差较大，两种糊控制响应速度快、超调小但稳态误差较大，两种方法结合形成模糊方法结合形成模糊PID应该可以获得更好的效果。应该可以获得更好的效果。21下一步工作下一步工作 本设计成功的完成了控制板预期的基本功能，本设计成功的完成了控制板预期的基本功能，但是要达到更好的控制效果，还有进一步工作要但是要达到更好的控制效果，还有进一步工作要做：做：l对模糊对模糊PID算法的控制效果进行仿真验证；算法的控制效果进行仿真验证；l针对控制板编写对应的软件并