无刷直流电机数字控制系统的研究与设计毕业设计

摘要

本文主要研究了永磁无刷直流电机的基本拓扑结构、工作运行原理、数学模型和控制策略以及性能，以DSP(TMS320LF2407A)为核心，确立了一套的无刷直流电机的整体控制系统方案。在Matlab/Simulink仿真下，建立了独立的功能模块，这些模块包括无刷直流电机的总体模块。速度跟踪控制模块、电流滞环比较控制模块、转子位置跟踪计算模块等，再将各个功能模块进行有机的结合，搭建了基于MATLAB/Simulink无刷直流电机系统的仿真模型。本文所提出和设计的无刷直流电机控制方案经理论分析，仿真证明是可行的。同时，论文中提出的系统建模和仿真的新方法还为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。

关键词：无刷直流电动机；DSP；MATLAB；逆变器；PWM

Abstract

Thispapergivesadeepresearchonbasicstructure,workingprinciples,mathematicalmodelandcontrolperformanceofpermanentmagnetBLDCmotorandbuildupaschemeofBLDCservomotorcontrolsystemwiththecoreofDSP(TMS320LF2407A).InMatlab/Simulinkenvironment，theisolatedfunctionalblocks,includingBLDCgeneralblock(includingBLDCMblock,torquecomputationblock,rotationspeedcomputationblock,thebackEMFblock),currenthysteresiscontrolblock,speedcontrolblock,rotorpositioncomputationblock,voltagesourceinverterblocketc,havebeenmodeled.BLDCmotorcontrolsystemthatthispaperproposedisanalyzedandsimulatedinMatlab/Simulink.Theresultsprovetheschemeisfeasible,andthedesignrequirementsareachieved.Thenovelmethodofmodelingandsimulationgivenbythispaperofferedanewthoughtwayfordesigninganddebuggingactualmotors.

Keywords:brushlessDCmotor；DSP；MATLAB；Inverter；PWM

目录

第一章绪论

5

1.1课题研究的背景及现状

5

无刷直流电动机调速系统的发展

5

控制系统的发展及现状

5

控制算法的研究

6

1.3本文主要结构

7

第二章无刷直流电机原理

9

2.1无刷直流电机控制系统结构

9

2.2无刷直流电机驱动选择

10

2.3无刷直流电机驱动特性

11

2.4无刷直流电机运行特性与原理

14

第三章无刷直流电机的控制系统设计

16

3.1无刷直流电机控制策略

16

3.1.1无刷直流电机的开环控制策略

16

无刷直流电机的闭环环控制策略

17

3.2无刷直流电机调节器设计

18

3.3无刷直流电机数字控制系统

21

3.3.1TMS320LF2407X简介

21

3.3测速度算法

25

第四章无刷直流电机的仿真

28

4.1MATLAB/Simulink简介及其功能

28

4.2BLDCM各模块的建立

28

4.2.1电流滞环控制模块

28

4.2.2速度控制模块

29

4.2.3转矩计算模块

29

4.3无刷直流电机仿真波形

29

4.3.1无刷直流电机仿真模型

29

4.3.2无刷直流电机仿真波形

30

第五章总结与展望

33

5.1总结

33

5.2展望

33

致谢

34

参考文献

35

第一章绪论

1.1课题研究的背景及现状

从19世纪中叶到现在以来,电动机的使用就与人类社会发展和文明的进步紧密的结合在一起,电机作为一种机电能量转换的重要装置,其发展经历了很多时期，同时也有着广泛的应用范围，在各行各业和国民经济的发展中做出了很大的贡献。在各个领域，不管是公共场合还是老百姓自己家里，电机都随处可见。电动机从功能上可以分为直流电机、同步电机、异步电机这三大种类型，其容量范围可以从几瓦到上万千瓦兆瓦不等。

以前，最早的直流电动机是有刷直流电动机，并在工农业中得到了广泛的应用，它凭借着优良的调速性能，在应用调速理念的领域发挥了重要作用，可是有一个原因限制了它进一步的发展，那就是机械换相装置的存在。它的机械电刷和换向器由于始终不断地要进行强迫性接触，这将会带来可靠性差、火花、噪声等各种各样的棘手问题，会直接影响他的性能和调速的精度。随着科学技术的不断发展与创新，半导体技术、开关型晶体管的研发成功这些都给新型的无刷直流电动机的创造带来机遇。

现今，直流无刷电机集电机、变速机构、检测元件、控制软件和硬件于一体，形成为新一代的电动调速系统。直流无刷电机具有最优越的调速性能，主要表现在：调速方便(可无级调速)，调速范围宽，低速性能好(起动转矩大，起动电流小)，运行平稳，噪音低，效率高，应用场合从工业到民用极其广泛。如电动自行车、电动汽车、电梯、抽油烟机、豆浆机、小型清污机、数控机床、机器人等。

目前,按照直流电机中位置传感器有无来划分，无刷直流电机的控制方法主要分为，有位置传感器的控制方式和无传感器的控制方式这两大类。由无刷直流电机电机的运行原理可知，控制系统随着转子不断的发生位置的改变，三相桥式逆变器的功率器件也同样相应改变其状态,要么开通要么关断，有着多种不同的组合，这样就可实现无刷直流电机的运行。因此,由上分析可知，准确地判断并检测出转子的位置,并且根据转子位置及时改变功率器件的状态组合，就可以有效的控制无刷直流电机正常的运行。

无刷直流电动机调速系统的发展

控制系统的发展及现状

电力电子技术的进步对无刷直流电动机的发展来说具有一个很大的推动作用，在其发展的早期，当时处于初级发展阶段的大功率开关器件，不仅可靠性差，而且其价格昂贵，同时又受到驱动控制技术水平、永磁材料两方面的制约，这导致自发明以后的无刷直流电机在一段很长的时间内，只能处于实验室研究阶段，没有办法得到应有的推广与发展，20世纪七十年代，伴随着电力电子工业的高速发展，各种新型的全控型半导体功率器件如春雨般出现在世人眼前，这为它后来广泛应用与发展奠定了基础。

1978年，在当时的汉诺威贸易博览会上，MANNESMANN公司正式推出了一种MAC无刷直流电动机及其驱动器，它的出现，在当时引起了世界各国的极大关注，随后，研发和生产无刷直流系统的热潮也在国际上喷涌而出，这也就标志着无刷直流电机正在逐步地走向实用阶段。

在人们对无刷直流电机不断的了解基础上，无刷直流电机的理论也逐步进行了完善与改进。在1986年，当时对其作了全面而又系统的总结，在总结中，他指出了无刷直流电动机的众多研究领域，标志着无刷直流电动机在理论上走向成熟。

电机的控制技术从最初的模拟控制，到以数字信号处理器为主的模拟数字混合式的控制,再到全DSP数字信号处理器的数字控制演变,这些都始终与计算机技术的发展紧密相关。早在20世纪七十年代开始,当微处理器，以单片机为主要器件的数字处理技术刚出现不久,国外工业行业中的电气传动开始引入了到电机控制技术中。那个时候,微处理器的品种是有限的,运算速度还是非常的慢,在处理器内部硬件资源上都比较的匾乏，用这种微处理器构成的电机控制系统常常需要辅以大量的外围硬件数字逻辑电路和模拟电路。这种系统不但结构拓扑复杂,设计工作量大、同时物理体积也很大，增加了硬件成本，同时抗外部的干扰性能也较差，系统的控制性能不可能提高，可靠性同样也存在着严重的问题。

最近几年以来，对于无刷直流电机的应用研究也有了突破性的进展。如果不仅能够改善控制系统的控制性能，并且还能降低设计成本，将是今后无刷直流电机发展的一种趋势。

1.2.2控制算法的介绍

在直流电机控制系统中,首先要求被控过程必须具有一定的稳定性和鲁棒性,能够迅速同时并且准确地跟踪参考速度给定值的变化,并且有较小的给定超调量。当控制系统中存在着不同干扰时，比如电网电压波动，负载变动等等，控制系统和物理系统的输出的数值也要能够在参考给定值附近波动并且最后还能稳定下来；而且,在控制系统与外部环境参数都出现变化的时候,控制系统应该能够有效的保持系统运行的稳定状态。有上分析可知,如果要同时满足上述的各项实际要求并不是一件很容易的事情，所以在实际应用当中,设计人员必须根据实际中具体过程的特殊要求，在满足主要方面的同时,还要兼顾其它方面的性能。

在经典控制理论和现代控制理论中,一般最常用的控制器时PI控制器和PID控制器，为了能够保证被控系统的稳定性，并且尽最大的可能消除系统的静态误差，PI调节器是一种被广泛应用的经典控制方法，主要在机械设备控制，电气动设备控制和电子设备控制中，是控制器中历史最悠久,控制效果最强的一种最最基本的控制器。由于PI控制器的结构是简单的，并且还有稳定性能好，工作可靠性高和控制参数易于整定的优点，在数字程序中调整起来也相对非常的方便。正是PI控制器有着上述的优良特性，在某种程度上成为了工业控制中应用最多的一种控制技术，在经过了半个多世纪的发展历程中,PI控制器从最初的模拟控制逐渐地发展到了以微处理器的数字PI控制时代,不仅克服模拟PI控制器的诸多不足地方，而且还能够方便的快捷地调整控制参数，使得PI控制器的应用更加灵活,同时在现代数字化中，也具有了非常强的可靠性和适用性。

目前，现代人工智能控制技术，如模糊控制测量，遗传算法分配策略，神经网络控制策略，滑模变结构控制策略以及自适应控制策略都已经在无刷直流电动机控制中得到了应用。这些控制方法和策略都有着较大的优势,比如,并不需要知道严格的电机数学模型,可适用于多变量高阶和复杂的非线性时变系统,都具有良好的稳定性和鲁棒性等。但是，智能控制算法技术的计算运算量较大,控制算法也较复杂实现困难，实时性不强，因而，PI调节器还是目前最为常见的控制方法，这在实用性上有很大提高。随着计算机网络技术和微电子制造技术的进步,他们在直流和交流电机控制领域的应用已经快速发展起来。

相对于开环控制系统的特点而言，闭环控制系统具有一系列的优点。在负反馈的控制系统中,由于有外部扰动和系统内部突变，总之不管是出于什么原因，只要被控制的物理量偏离了给定值，PI调节器就会产生相应的控制作用，来消除偏差，实现无误差跟踪。因此，闭环控制系统具有着抑制外部和内部干扰的能力，对器件特性变化不敏感，可以改善整个系统响应特性等优点，很具有实用性。

采用PI控制器的单闭环速度反馈调速系统，可以有效的保证最后系统稳态在给定速度，误差为零；但是，在单闭环控制系统中，由于它不能真正的完全的按照电流快速变化的要求来控制动态过程中的电磁转矩，所以在对控制系统动态性能要求比较高的应用场合，或者是要求能够快速起或制动时，单闭环控制系统就不能容易的使控制系统达到实际需要。除了这个缺点之外，单闭环速度调速系统的动态抗外部干扰性能也比较差，当电网电压出现小幅度波动时，控制系统必须等到速发生变化后才能发挥调节作用，因而单闭环会产生较大的动态误差。

如果想要有较高性能的调速，一般有两个基本的要求，他们是:一、能够快速启动和制动；二、能够快速地克服负载变化，电网电压波动等干扰。通过上述中的分析可以发现，如果需要能够实现电机的快速起动和制动，必须使电机在起动或者制动过程中保持输出最大的恒定的在允许范围内的电磁转矩，即尽最大可能的允许恒定的电枢电流，当电机内电枢电流保持最大的允许值时，直流电动机能以恒定的加速度快速的声至给定的转速或者停机，然后电机内电枢电流则立即降至负载电流值或者降低为零。如果还要要求能够快速的克服电网电压波动的干扰，那么就必须对电机内的电枢电流进行快速调节。以上分析的两点都涉及到了电机内电枢电流的控制，所以自然而然的就需要考虑到将电机内电枢电流也作为一个被控物理量，从而有效的组成转速外环+电流内环的双闭环调速系统。

1.3本文主要结构

本文的大致结构如下：

第一章：主要介绍了无刷直流电机的发展现状，从模拟控制时代到数字控制时代，从有刷直流电机过度到无刷直流电机的过程；无刷直流电机的整个控制系统，以及采取的何种闭环控制方式。

第二章：简单的介绍了无刷直流电机的基本原理，研究无刷直流电机的换向准则，用图示的方法简单清晰明了。

第三章：研究了无刷直流电机的控制系统，介绍了开环和闭环的优缺点，介绍了数字控制芯片TMS320LF2407的基本性能以及速度测试算法。

第四章：对所研究的无刷直流电机建立了控制系统，建立速度外环电流内环的双闭环控制系统，仿真结果表明所搭建的控制系统可以快速稳定的跟踪速度参考给定值。

第五章：对全文进行了总结以及未来发展展望。最后对有关人士表达了深深的谢意。

第二章无刷直流电机原理

为了能在MATLAB/Simulink中能很好的仿真无刷直流电压的性质以及建立无刷直流电机的控制系统，本章对无刷直流机的结构和工作原理作了简单的介绍。

2.1无刷直流电机控制系统结构

无刷直流机的转子具有一定磁极对数的永磁体，它是由永磁材料制成的,。无刷直流机的转子磁钢的形状呈弧形，并且气隙磁场呈梯形分布，这些都是为了能产生梯形波感应电动势而设计的。无刷直流电机的定子上有电枢绕组，这一点与永磁有刷直流电动机正好是相反的。无刷直流机的定子电枢绕组采用的是整距集中式的绕组，根据不同的相数分类，绕组的相数有二、三、四、五相，甚至多相，但目前来看，应用最多的是三相绕组和四相绕组，且以三相绕组应用最为广泛。电机的各相绕组分别与外部的电力电子开关电路相连，电力电子开关电路中的功率器件开关管受位置传感器的信号控制，从而可以有效的实现无刷直流电机的控制，以满足实际需求。

图2-1无刷直流电动机原理框图

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。基于有刷直流电机改进的直流无刷电机，内部电枢绕组与功率开关器件相连，其驱动过程是通过内部主转子位置传感器的输出信号来完成的，使电枢绕组依次通电，其原理框图如图2-1所示。在定子形成旋转磁场以驱动转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断地输出具体位置信号，位置信号转换为电信号后通过控制芯片来改变电枢绕组的通电状态，电枢电流方向始终保持恒定不变，因此，整个直流无刷电机的换向过程完全属于无接触式。

2.2无刷直流电机驱动选择

电枢绕组在电机转子上的直流电机是普通的直流电机，同时，电机内的气隙磁场是有固定不变励磁电流产生的。为了使普通直流电动机有效的稳定旋转，这必要需要采取某些措施，比如通过机械式的换向器在与电机固定不变的电刷进行不断的有效的改变电枢绕组中电流流通的方向，使两个正交的静止磁场方向能够始终保持着相互垂直的关系，这是一种解耦的方法，直流电机之所以能够有效控制正是因为电枢电流和气隙磁场相互垂直，无刷直流电机正也是借助这点被研究出来。采用上述方式后，无刷直流电机就能产生有效的电磁转矩，从而不断的拖动负载快速旋转。

在无刷直流电机换相的过程中，电机定子的各项绕组会在工作气隙中形成的旋转磁场是不是连续变化的，而是跳跃式的运动。这种形式的旋转磁场在一个周期内会有三种状态，这三种状态中的每种状态都会持续120o。它们会跟踪转子一起变化，并与转子周围的磁场相互作用，这样才能够产生推动无刷直流电机转子继续向前转动的电磁转矩。

无刷直流电机有着多相结构，根据电动机不同的相数可以将驱动电机的逆变器分为电压型半桥驱动、电压型全桥驱动，然而电压型全桥驱动同样又可分为星形的连接结构和三角形的联结结构。因此，根据实际的需要，选择不同形式的驱动逆变器会使电动机产生不同的驱动性能，同时生产成本也会不相同。接下来对这些情况作一个简单的对比：

1）电机的绕组利用率。与普通直流电动机驱动方式不同，无刷直流机的定子绕组通电不是连续的而是断续通电的。采用适当的方式提高电机定子绕组的通电率，可以有效的增加通电的导体数，这样做可以使定子电阻下降，提高电机的运行效率。

2）电机转矩的波动。由于定子通电不是连续的，无刷直流电机输出的电磁转矩波动程度会比普通直流电动机波动的幅度要大，甚至会大很大，无刷直流电机产生的电磁转矩是脉动的。因此，为了希望能够尽量减小电机的转矩波动。一般电机的相数就要越多，这样电机的转矩波动就会越小，但是这样又会增加设计成本。从驱动逆变器的角度来说，电压型全桥驱动逆变器比电压型半桥驱动逆变器的波动程度要小。

3）电机驱动电路成本。无刷直流电机的相数越多，所需的驱动电路逆变器的开关管越多，功率开关管的驱动电路成本也就越高。电压型全桥驱动比电压型半桥驱动所使用的功率开关管要多一倍，因此这种电路的成本要高很多。然而，多相无刷无刷直流电动机的结构复杂，驱动逆变器也越复杂，相应的生产和设计以及运行维护的成本也越高。

综合上述分析的三种情况，目前无刷直流电机的应用中都是以三相电压型全桥驱动方式最多，这种驱动方式如图2-2所示。

图2-2三相桥式驱动电路原理

2.3无刷直流电机驱动特性

驱动电路开关管的控制原理可用图2-3加以说明（图中假设转子只有一对磁极，定子绕组A、B、C三相对称，按每极每相60o相带分布）

（a）A相绕组正向通电流，B相绕组反向通电流（b）转过60角度

（c）继续向左旋转（d）A相绕组正向通电流，C相绕组反向通电流转过60o

（e）B相绕组正向通电流，C相绕组反向通电流（f）向左转过60角度

（g）B相绕组正向通电流，A相绕组反向通电流（h）向左转过60角度

图2-3无刷直流机转子位置与换相的关系

假设当无刷直流电机的转子是处于如图2-3（a）所示的位置时，其角度认为是为0o，另外相带A′、B、C′三绕组端是在磁极N级以下的，相带A、B'、C绕组端是在磁极S级以下，这时A相绕组正向通入电流，B相绕组反向通入电流，C相绕组是不通电的，对应IGBT都是关断的，各相绕组通入电流的波形见图2-3所示，它们之间产生的定子绕组磁场与转子绕组磁场之间是相互作用的，这样才能有效的使无刷直流电机的转子能逆时针以某个速度维持转动。当无刷直流电机转子转过60o角后，无刷直流电机的转子位置如图2-3（b）所示。这时如果无刷直流电机的转子继续向左旋转旋转下去就会进入如图2-3（c）所示的位置，无刷直流电机电枢绕组中有一定量导体的电流方向是不一致的，这样会使它们互相抵消，削弱磁场的大小，使无刷直流电机发出电磁转矩大大地减小。因此，为了避免无刷直流电机出现电磁转矩减小的结果，那么当电机的转子旋转到如图2-3（b）所示的位置时，就必须实现逆变器桥的换相，使B相绕组断电，C相绕组反相通入电流，无刷直流电机的转子继续向左旋转，即逆时针旋转，再转过60o角后到了如图2-3（d）所示的位置。根据上面所讲的原理就必须要使逆变桥进行换相，即A相绕组断电，B相绕组正向相通入电流，如图2-3（e）所示，依次循环，这样如此循环下去，无刷直流电机转子每转过60o角就要换相一次，根据不同的位置，各相电流按图2-3所示的步进顺序进行断电和通电，无刷直流电动机就会平稳地旋转下去。

按图2-3的驱动方式，就可以得到如图2-4所示的无刷直流电机定子电流和定子感应电动势的波形。对于B相绕组和C相绕组，无刷直流电机的感应电动势的波形是相同的，只是在相位上滞后于A相绕组120o和240o。

图2-4电流与感应电动势波形

表2-1三相星形联结全桥驱动的通电规律

通电顺序

正转（逆时针）

转子位置

0～60

60～120

120～180

180～240

240～300

300～360

开关管

1，4

1，6

3，6

3，2

5，2

5，4

A相

+

+

-

-

B相

-

+

+

-

C相

-

-

+

+

通电顺序

反转（顺时针）

转子位置

360～300

300～240

240～180

180～120

120～60

60～0

开关管

3，6

1，6

1，4

5，4

5，2

3,2

A相

+

+

-

-

B相

+

-

-

+

C相

-

-

+

+

2.4无刷直流电机运行特性与原理

设转子永久磁铁所产生的磁场在电动机气隙中是按正弦分布，转子转角为时，。当定子绕组某相通过直流电流时，电动机产生的转矩为：

（2-1）

式中,为相导体数；

为导体的有效长度；

为气隙磁通最大值；

r为气隙半径；

I为定子绕组相电流。

无刷直流机的在运行时电压平衡方程式可写为：

（2-2）

（2-3）

（2-4）

根据式（2-2）~（2-4）得到无刷直流电机的机械特性方程为

（2-5）

式中，为无刷直流电动机转速，；

U为供电的直流电源电压，V；

为IGBT功率晶体管导通的压降，V；

为无刷直流电动机输出电磁转矩的平均值，N·m；

R为无刷直流电动机内阻，；

、分别为无刷直流感应电势的系数、电磁转矩的系数。

和普通的直流电动机运行原理基本一样，当供电电压U变化时即可以改变无刷直流电机的转速，无刷直流电动机也可以实现无级调速。但实际中使用的无刷直流机调速控制系统是使用的微机进行控制的，检测电路把检测到电压信号经过模数转换成数字信号之后送到DSP主控器中，DSP则会计算出无刷直流电动机的实际转速，这样再与参考给定的转速进行比较，从而输出控制IGBT的PWM脉冲信号，即通过控制开关管IGBT的通和断，就能有效的控制无刷电动机电流（电压）大小，使无刷直流电动机的转速稳定跟踪参考给定值。其控制系统的调速原理是通过检测电路检测出某个信号再与参考给定的比较，通过DSP产生的信号控制IGBT，即控制电机定子绕组通入的电流就可以有效的控制电机的转速和电磁转矩。

第三章无刷直流电机的控制系统设计

无刷直流电机的控制系统由硬件电路系统和软件控制系统组成，硬件电路系统包括速度和转子位置检测电路，PI控制器电路，三相电流检测与反馈电路，PWM信号驱动电路，三相电压型全桥逆变器，无刷直流电机等。软件系统包括检测程序，按键扫描程序，信号处理程序，中断程序等等。为了使无刷直流电机能够按照参考给定的速度稳定运行，那么必须设计出性能良好的硬件电路系统以及软件处理程序。如图3-1所示的硬件电路控制系统框图。

功率驱动电路

三相全桥逆变电路

无刷直流电机

电流检测电路

反电动势检测电路

其他接口电路及必要

PWM

ADC

ADC

TMS320F2407

核

心

控

制

器

图3-1硬件控制系统总体框图

3.1无刷直流电机控制策略

无刷直流电机的速度控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统两种情况，接下来我们将逐个研究这两种控制策略。

3.1.1无刷直流电机的开环控制策略

开环控制系统没有任何反馈环节，系统的稳定性也不高，可靠性不强，响应时间虽然相对闭环快，但是稳定精确度不高，其特点是电路系统的输出量不会对系统的控制作用有任何影响，没有自动调节能力。这种控制策略只能用于对系统稳态精度要求不高，控制结构简单的场合，但是在控制要求比较高的场合，开环控制策略就受到很大的限制。

开环控制系统拓扑结构相对闭环控制系统简单，在没有任何反馈信号下，电机的输出量可能会受到电压波动和负载突变的影响。正是因为开环控制系统的静特性比闭环系统的要差很多，在电磁转矩变化的情况下会导致电机转速变化很大，这种情不利于无刷直流电机的平稳运行。如图3-2所示是无刷直流电机的开环调速系统框图。

图3-2无刷直流电机开环调速系统

无刷直流电机的闭环环控制策略

物理系统中被控对象的输出物理量会经过某个环节反馈至控制系统，从而改变物理系统的输出量，这种控制策略是典型闭环控制系统的特点。闭环控制系统可以是一个闭环也可以是两个闭环设置是多个闭环，一个闭环动态性能可能满足不了实际要求，一般采用的是二个闭环系统，多个闭环系统容易不稳定，实际中很少采用。无刷直流电机一般采用的是速度外环+电流内环的双闭环控制结构图，这种拓扑结构，如图3-3所示。

图3-3无刷直流电机的双闭环控制结构图

在图3-3中，nref为参考给定的速度，n为实际电机输出的速度，同时也是反馈至控制系统的速度，iabc_ref为速度外环PI调节器输出的三相参考电流。图3-3所示的速度外环+电流内环的双闭环控制系统中速度外环PI调节器和电流内环PI调节器在双闭环调速控制系统中的作用可以解释如下：

（1）速度外环PI调节器的作用

A）速度外环PI调节器是无刷直流电机闭环调速系统中的主导PI调节器，它的作用是使无刷直流电机输出的转能够零稳态误差的跟踪参考给定速度，同时系统动态特性也非常的优越；B）对电机负载突变起调节作用，抑制电机输出速度的波动，使电机运行平稳。

（2）电流内环PI调节器的作用

A）作为内环的PI调节器，其最大的作用就是使电机输出的三相电流紧紧的跟随速度外环PI调节器输出的值，实现零稳态误差的跟踪；B）当电网电压出现不同程度的波动时，能够很好的抑制其对电机输出转速和电磁转矩的影响；C）在转速调节的动态过程中，使电机输出最大允许电流，从而输出最大允许电磁转矩，加快动态调节速度，降低动态调节时间。

一般来说，速度外环+电流内环的双闭环无刷直流电机的调速系统一般都具有非常满意的动态和稳态性能。对于无刷直流电机调速系统来说，从各个动态性能考虑，其中最为重要的动态性能是抗外部扰性能，比如电网电压扰动和负载扰动的时的抗干扰性能。速度外环+电流内环的双闭环无刷直流电机的调速系统中，由于电流内环PI调节器的作用，电网电压或逆变器电压的波动都可以通过内环电流的瞬时反馈得到及时有效的调节。另外，当负载扰动是发生在电流内环之后产生值之后，这可以依靠速度外环调节器对其进行有效调节。上分析可知，当无刷直流电机使用速度外环+电流内环的双闭环控制系统可以使电机的抗外部干扰性能得到很大地改善，提高系统的运行稳定性。

3.2无刷直流电机调节器设计

控制器的基本控制规律有比例（P）、积分（I）和微分（D）三种基本控制以及组合比例积分（PI）、比例微分（PD）和比例积分微分（PID）。

1、比例控制规律（P）

具有比例控制规律的控制器，其输出信号与输入信号之间的关系，可以用下面的数学表达式表示

（3-1）

式（3-1）中，为调节器的比例增益或比例放大倍数，因此，比例控制器的传递函数为

（3-2）

比例调节器实质上是一个增益，或放大倍数，为调节器输出变量与输入信号之比，是控制系统中设定值和测量值的偏差，也成为偏差信号。由于控制器的输入和输出可以是不同的量纲，因而可以有量纲，只是时间上没有延时。

2、积分控制规律

积分控制器的控制规律可以用数学表达式表示为：

（3-3）

式中，积分控制器的积分速度常数。

积分控制器的传递函数为

（3-4）

显然，式（3-4）所描述的是一条斜率为定值的直线。该输出斜率正比于控制器的积分速度常数。

积分控制器的作用是可消除系统的稳定误差，其输出信号的大小不仅与输入偏差信号的大小有关，而且还将取决于偏差存在时间的长短。只要有偏差，控制器的输出就不断变化，而且偏差存在的时间越长，输出信号的变化量也就越大，直到控制器输出达到极限为止。只有在偏差信号为零的情况下，积分控制器的输出信号才能相对稳定，这是积分控制的显著特定。

纯积分控制器的缺点在于，它不像比例控制那样输出量与输入量保持同步、响应速度快，而输出变化总要滞后于偏差的变化，这样就难以及时有效的克服扰动的影响使系统稳定。

3、微分控制规律（D）

对于惯性较大的被控对象，通常期望能够根据被控变量的变化趋势而采取超前性的调节措施，以避免调节过程产生更大的偏差。理想微分控制规律的数学表达式为

（3-5）

由此可以知道，此时被控制器的输出与输入偏差的速度成正比，比例系数称为微分时间常数。

由式（3-5）可知，若在某一时刻输入一个阶跃变化的偏差信号，则在该时刻控制器的输出为无穷大，其余时间输出为零。理想微分器在阶跃偏差输入信号作用下的特性是一个幅度无穷大，脉宽趋于零的尖脉冲。微分控制器的输出只与偏差变化的速度有关，与偏差存在与否无关。这表明，微分调节器对于恒定的偏差是无调节能力的，因此不作为一个单独的控制器使用。实际上，微分控制器常与比例控制器和积分控制器一起组合使用。

4、比例积分微分控制规律（PID）

理想的比例积分微分控制规律的数学表达式为

（3-6）

式中的各系数与比例、积分、微分的一样。PID控制器的传递函数为

（3-7）

总和以上1~3的比例积分微分控制规律的特性，可以得到PID的控制特性：

比例部分P为负反馈的基础，增大比例放大倍数P可以减少励磁控制系统的稳态误差，并加快响应速度，但比例过大可能会造成系统的不稳定。

积分部分I，用以提高励磁系统的静态放大倍数，减少稳态误差，并降低动态放大倍数，有利于控制系统的稳定。

微分部分D，用来提高励磁控制系统的响应速度，减少超调量以及补偿系统中较大的惯性时间常数环节，有助于控制系统的动态稳定。

3.3无刷直流电机数字控制系统

TMS320LF240X是一种DSP定点的控制芯片，它德州仪器TI公司的生产的，特别为运动控制系统打造的一种专门数字化控制芯片。它具有设计、生产、运行等低成本、同时还有低功耗，发热较小以及高速的计算和处理信号能力。

TMS320LF240X将多种外部硬件转换电路进行了有效的设计并一体集成到一个控制芯片内部中，这样形成了真正意义上的的单个数字信号芯片控制器装置，运算和处理速度高达30M/s以及以上，同时，该数字DSP芯片同时还具有强大的外部通信接口（SCI、SPI、CAN）以便于构成强大的数字控制系统。

3.3.1TMS320LF2407X数字信号DSP简介

TMS320LF2407A是DSP系列中的一种，具有如下的一些特点：

1）采用CMOS传感的高性能静态技术，供电直流电压低，直流电压约为，从而有效的减小控制器的功耗；30M/S的处理和执行速度能有效的使得单个指令周期大大的缩短到了33ns左右，从而有效的提高了数字信号DSP控制系统的实时控制的能力，使得系统稳定性更高。

2）片内高达32K字的FLASH程序存储器，高达字的数据/程序RAM。544字双端口RAM(DRRAM)和2K字的单口RAM(SARAM)。

3）两个事件管理器模块EVA和EVB，每个包括：两个16位通用定时器Timer1和Timer2，但是还有一个Timer0是不需要使用的；8个16位的脉宽调制(PWM)高速通道，可以有效的控制交流感应电动机、逆变器、无刷直流电动机、等实际中较多应用的电机，尤其是通过控制逆变器来控制无刷直流电机和感应电机。

4）可扩展的外部程序存储器，总共192K字；64K字程序存储器空间；64K字数据存储器空间；64K字I/O寻址空间。

5）看门狗定时器模块(W和DT),保证程序运行的安全性。

6）16通道10位A/D转换器，最小转换时间为500ns，可选择两个事件管理器来触发的两个8通道输入A/D转换器或一个16位通道输入的A/D转换器。

7）控制器局域网(CAN)模块。

8）串行通讯接口(SCI)。

9）16位的串行外设接口(SPI)。

10）基于锁相环的时钟发生器。

11）高达四十个可编程同时复用的通用输入/输出引脚(GPIO)。

12）32位累加器和寄存器和32位中央算术逻辑计算单元（CALU）；16位乘以16位并行的乘法器，这些都可实现单指令周期乘法运算；另外还有5个外部中断，它们是直流电机的驱动保护，复位保护而设置的。

13）电源管理模块包括3种低功耗运行模式，并且能独立的将外部设备器件有效的转为低功耗运行模式，降低损耗。

3.3.2PWM产生原理

PWM调制波是一种基于脉宽可调但复制不变的矩形脉冲波，不仅可以用于交流电机的控制，而且也可以用于直流电动机的控制。保持频率不变改变PWM的脉冲波的宽度是数字处理器中普遍采用的方式。

TMS320LF240xDSP设计了使用定时器周期值和比较器的比较值来实现产生PWM波的方法。周期值用于产生PWM波的频率，比较值主要用于产生PWM的脉宽。因此，比较值要小于周期值。

根据使用DSP比较器的方式不同，目前DSP有两种产生PWM脉冲波的方法：一种是使用Timer1或者Timer2的定时器产生；另一种是使用DSP内部的比较单元产生PWM脉冲波。

1)利用定时器比较寄存器产生PWM波

每个TMS320LF2407的DSP中的定时器都有且仅有一个定时器比较寄存器TXCMPR和一个PWM脉冲输出引脚TXPWM。利用内部的定时器、定时器周期寄存器以及比较寄存器，就能在DSP引脚上产生并得到一个对称的或者是非对称的PWM脉冲波。TXPWM引脚的输出的极性是可以控制的，即可以通过控制定时器内的寄存器GPTCONX的TXPIN位进行设置，设置中包括强制输出高电平（输出电平总是为的1）、强制输出低电平即（输出的电平总是0的）、高电平有效的（与波形发生器的输出脉冲极性是相同的）、低电平有效（与波形发生器输出脉冲的极性是相反的）。

A）非对称PWM波的产生

将DSP定时器的内部的计数方式设置在连续增计数的方式时是可以产生非对称的脉冲波形。由于本论文采用对称PWM脉冲波，所以此种方法产生不对称脉冲波这里不做过多介绍。

B）对称PWM波的产生

将DSP内部的定时器计数方式改为连续的增计算/减计数的方式DSP就会输出对称的PWM脉冲波形，见图3-2所示。在定时器计数器的初值为0且比较值是小于周期值两个的条件下DSP则开始增计数。当DSP计数到与设置的比较值相等的时候，DSP的TXPWM引脚就会发生电平的跳变；DSP继续计数到与周期值相等的时候，计数器就会开始进行减计数；当DSP再次计数到与此设置的比较值相等的时候，DSP的TXPWM引脚发生第二次电平的跳变；当DSP计数器减计数到0的时候，那么就完成一个PWM脉冲周期。

由图3-4可见，在DSP产生对称的PWM脉冲波形的过程中，PWM脉冲矩形波形的占空比计算公式可表示为：

（3-8）

同样，低有效PWM波形的占空比公式也不变。如果比较值等于0，则引脚输出保持1，其占空比为1。如果在增计数和减计数时的比较值都大于等于周期值，则引脚输出保持为0，即占空比为0（见图3-4）。如果在增计数时比较值大于周期值，在随后的减计数时会发生比较匹配，这时引脚仍然会发生正跳变，因此会产生输出错误。这种情况下硬件会自动使输出总是1，除非新的比较值为0。

图3-4定时器比较寄存器产生的对称PWM波形

2）比较单元和死区单元

每个事件管理器都有3个比较单元、1个比较控制寄存器COMCONx和1个比较方式控制寄存器ACTRx。每个比较单元都有1个比较寄存器CMPRx（注意区别于定时器比较寄存器TxCMPR），以及2个PWM输出引脚。这一套组合可以使事件管理器产生6个带死区的PWM输出，用于控制三相逆变桥。它还可以产生空间矢量PWM波形。

比较单元的操作功能与定时器比较寄存器的操作功能相似。当定时器的计数值与比较单元的比较寄存器的比较值相等时，就会在该比较单元的两个PWM引脚上产生跳变（两个引脚上的跳变与比较方式寄存器ACTRx的设置有关），并经过1个CPU时钟后发出比较中断申请。

比较单元受比较控制寄存器和比较方式控制寄存器控制，通过这些寄存器可以设置比较输出是否允许、比较值和方式寄存器的重载条件、空间矢量PWM的使用、PWM引脚输出方式。

3)利用比较单元产生PWM波

利用比较单元产生PWM波与利用定时器产生PWM波的方法几乎相同，只不过前者使用比较和死区单元，而后者使用定时器比较寄存器且没有死区功能。

以DSP内部的事件管理器A为例进行说明，将DSP定时器内部的计数方式改为连续增计数/减计数的方式就能得到如图3-5所示的对称的PWM脉冲波形波。

图3-5比较单元产生的对称PWM波形

3.3测速度算法

由于本控制调速系统中采用的是无电压电流传感器进行的控制，从而可以有效的取消了传统在无刷直流电机上装设的霍尔传感器和速度检测传感器，因此无刷直流电机的速度反馈数字信号只能够通过DSP对无传感器的控制方法来检测到转子位置信号，同时并对速度信号和电流信号加以处理来计算输出脉冲。其基本原理是根据无刷直流电机转子的位置信号变化以及时间的间隔来计算转速测量值，那么无刷直流电机转速的计算公式可用下式（3-8）来表示:

（3-8）

式中：P为无刷直流电机的极对数，假设这里电机极对数P=3具体实现如下：在DSP的内部存储器中申请开辟一个存储器单元，假设记为BCOUNT变量，主要是用于测定无刷直流电机转子位置变化的时间间隔。

在DSP内部的控制程序中，每经历一个PWM周期就对BCOUNT计数一次，即BCOUNT的计数单位为(即产生三次定时器T1下溢中断的时间间隔)。当电角度:电机转速为:

（3-9）

将上式（3-9）转速n的单位化为，那么无刷直流电机的测量转速可以表示为

（3-10）

由于TMS320LF2407ADSP只能够进行16位的除法运算，且运算结果商存入累加器的低位，余数存入累加器的高位。故实际采用的转速计算公式为:

（3-11）

第四章无刷直流电机的仿真

4.1MATLAB/Simulink简介及其功能

MATLAB于1984年开始出现，它是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的英文简称，是美国MathWorks公司开发出品的，到目前已经发展了快30年了，MATLAB可以用在算法原理设计与开发、数据采集和处理可视化、数据传送和分析以及科学数值计算上应用，其中，它有仿真和链接两个重要功能，MATLAB特点如下：MATLAB最主要的特点可以慨括如下：

(1)具有优秀的友好的工作运行平台与程序编写的环境；

(2)具有简单易懂且易用的，符合人们思维的程序语言；

(3)具有强大的矩阵科学计算功能和强大的数据处理能力；

(4)具有优秀的图形显示和处理功能；

(5)具有应用广泛的，各个专业模块集合的工具箱simulink；

(6)具有与其它程序接口的能力和处理发布平台的能力；

(7)具有应用软件的设计和开发能力，与C语言兼容的能力。

4.2BLDCM各模块的建立

BLDC无刷直流电机的建模仿真系统采用了双闭环控制方案：转速环是给定转速和实测转速相加减后由PI调节器调节输出，电流环转速外环输出值与实际电流相比较后根据误差值控制电流滞环调节器。根据MATLAB模块化数学模型建立的思想，将整个仿真模型分为控制系统和主电路，整个控制系统又可以分割为各个功能相互独立的子模块，最后搭建出无刷直流电机BLDCM整个控制系统的仿真模型，并且利用转速外环+电流内环实现双闭环的控制策略，各个功能子模块的作用与结构原理可以简述如下。

4.2.1电流滞环比较控制模块

电流控制比较模块如图4-1所示。电流滞环控制比较模块的作用是实现电流跟踪给定电流的控制方法，输入为三相参考电流，整个三相电流为外环控制输出的，将三相实际电流，做差，然后将差输送到滞环比较器中，输出为逆变器控制信号选择适当的滞环环宽，即可使实际电流不断跟踪参考电流的波形，实现电流闭环控制。

图4-1电流控制模块

4.2.2速度控制模块原理

速度控制模块原理图在如图4-2中可以提现。我们可以事先给定一个速度初值，给定的速度初值与实际测得的速度反馈信号比较后，将差值送入速度环的PI控制器；PI控制器将输出的值与实际测得电流反馈信号比较后，接着送入电流PI调节器，接下里就是滞环比较部分和逆变器驱动部分。

图4-2速度控制模块原理

4.2.3转矩计算模块原理

电机的转矩和转速的测量模块可以根据数学模型计算出来，根据电机输出的三相实际电流和反电动势的大小以及斜率，可以测量电机输出的转矩和转速，从而可以建立如图4-3所示的转矩测量模块计算模块。

图4-3转矩测量模块原理以及转速的计算原理图

4.3无刷直流电机仿真波形

4.3.1无刷直流电机仿真模型

如图4-4和图45为无刷直流电机在MATLAB/Simulink中的仿真模型图，图4-4为直流电机内部图，由整流电路、逆变电路、速度外环控制器、电流内环控制器、速度反馈环节组成。图4-5由外部交流电源以及示波器构成。

图4-4无刷直流电机整体仿真模型内部图

图4-5无刷直流电机仿真外部图

4.3.2无刷直流电机仿真波形

如图4-6所示为无刷直流电机正转时的仿真波形。图4-6（a）为定子侧三相电流；（b）为A相电流，从图中可以看出来，三相电流为方波；（c）给出了转速曲线的整体图和放大图，可以看出来实际电机的转速很好的跟踪参考给定值；（d）为电机的转矩曲线，可以看出来电机一般都是处于恒转矩状态，这为电机的启动带来很大的好处，启动速度快，跟踪精度好，动态响应快，稳定性能好。

图4-6无刷直流电机正转仿真曲线

图4-7为无刷直流电机正反转时的仿真波形。图4-7（a）为定子侧三相电流；（b）为A相电流，从图中可以看出来，三相电流为方波；（c）为电机正转在300r/min时在1s的时候使得其转向转到-300r/min，图说明了无刷直流电机具有很好的跟踪性能；（d）为无刷直流电机的转矩曲线，这说明了无刷直流电机具有恒转矩运行特性。

图4-7无刷直流电机正反转仿真波形

第五章总结与展望

5.1总结

文章首先介绍了无刷直流电机的发展现状，分析无刷直流电机的发展趋势，介绍了无刷直流电机的应用场合，建立了无刷