基于DSP的无刷直流电机控制系统研究及在工业缝纫机中的应用设计

国防科学技术大学硕士学位论文基于DSP的无刷直流电机控制系统研究及在工业缝纫机中的应用设计姓名：徐欧华申请学位级别：硕士专业：计算机技术指导教师：陈吉华20071001基于DSP的无刷直流电机控制系统研究及在工业缝纫机中的应用设计作者：徐欧华学位授予单位：国防科学技术大学相似文献(10条)1.学位论文褚新惠基于DSP的无刷直流电机控制器的研究与实现2006无刷直流电机有着体积小、重量轻、效率高、惯量小和控制精度高等优点，同时还保留了普通直流电动机优良的机械特性，被广泛应用于伺服控制、数控机床、机器人等领域，随着无刷直流电机应用领域的不断扩大，要求控制系统运行稳定、成本低廉、控制算法合理、控制精度高、开发周期短。为此，基于DSP的无刷直流电机控制系统有着广泛的应用前景。美国TI公司的TMS320C28x系列是TI公司最新推出的DSP芯片，它具有强大的数字信号处理能力，将其用于无刷直流电机控制系统，则能更好的控制无刷直流电机，体现它的优越性能。本课题主要是研究用TMS320F2812如何控制无刷直流电机。为此，需要研究如何驱动功率较大的电机，如何保护电机使其正常转动，在需要计算机控制时，用RS485通信如何实现远程控制等。围绕此核心，本课题制作了一个基于DSP的无刷直流电机控制器，可驱动5kw的高速直流电机。本控制器含有一系列完善的功能，包括过流报警，气压、液压报警，准停功能，以及电机实际转速超出指定转速30％时的限速功能，此限速功能采用点刹方法来实现。控制核心使用DSPTMS320F2812，同时使用专用直流电机控制芯片MC33035控制和驱动电机。在DSP控制部分，承担了整个系统的控制功能，包括电机转速的检测、控制、显示，以及启动外围保护电机安全工作的附加设备等，与计算机的通信也由DSP负责。MC33035负责执行DSP部分的控制指令，给出控制电机转速的驱动信号，以调节电机转速。本课题使用的无刷直流电机采用霍尔元件作为位置反馈，控制器通过采集霍尔反馈的电机实际转速修正控制转速，从而实现对电机转速的闭环控制。电机转速的控制算法包括用矩形窗函数过滤采集到的电机转数，用PID算法调整控制转数。转速控制的主要思想是通过采集电机转速，与指令转速相比较后，用PID算法不断修正给出的控制转速值，最终让电机稳定在目标转速上。本课题完成了此无刷直流电机控制器的制作及调试工作。整个控制系统包括两大部分，一是控制器本身，二是在计算机上的操作系统。控制器通过RS485总线与计算机通信，在计算机的操作界面上含有控制电机所需要的全部功能按键，通过操作计算机可方便地控制电机。除了可通过计算机控制电机外，也可通过直接调节安装在控制器上的键盘来调节电机转速，同样也是闭环调节电机转速。调试结果表明，本控制器工作稳定，控制精度高，控制偏差基本都在理论计算误差75转/分内，而且操作方便，保护功能齐全，带载能力强，具有良好的应用价值。2.期刊论文韩瑞.赵创社.刘建伟.刘晓伟.HANRui.ZHAOChuangshe.LIUJianwei.LIUXiaowei基于DSP的两相无刷直流电机转速控制系统-现代电子技术2009,32(13)介绍一种基于DSP的高速两相无刷直流电机控制系统.针对目前大部分电机伺服系统仍使用传统有刷电机的情况,通过使用数字信号处理器和大规模可编程逻辑器件,进行无刷直流电机的数字化控制.分析无刷直流电机系统的原理和特性,详细介绍系统的组成、功能.针对该系统中实时控制处理的要求,在体积和功耗受到限制的条件下,提出一种基于DSP+CPLD的电机控制方案.使用TMS320F2812和EPM7128S作为主控制芯片,软件设计使用DSPC语言编写.系统联调实验结果表明,该系统具有较好的鲁棒性、精确性,改善了电机的调速性能.3.学位论文殷云华基于DSP的无刷直流电机控制系统设计和仿真研究2007随着计算机技术和现代控制理论的发展，由数字控制装置组成的随动系统应运而生。与传统的模拟系统相比，数字随动系统具有设计简单，体积小，修改方便，精度高，可靠性高等优点。作为典型的数字随动控制系统的执行器，无刷直流电机既具备交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列特点，又具有直流电机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点，故在许多高科技领域得到了非常广泛的应用，如机器人、数控机床、雷达、潜艇和各种军用武器随动系统。本文以无刷直流电机控制系统在武器随动系统中的应用为背景，设计基于DSP的无刷直流电机控制系统，并进行仿真研究。首先，本文深入研究了永磁无刷直流电机的基本结构、工作原理、数学模型和控制性能，比较分析可编程逻辑控制器、专用芯片和单片机控制等不同的控制方案对无刷直流电机的控制性能，确立了一套以DSP(TMS320LF2407A)为核心的无刷直流伺服电机的控制系统方案。本控制系统的主要优势在于利用数字信号处理器DSP的高速数字运算功能，实现各种高效的控制算法，达到无刷直流电机的高精确控制的目的。在接下来的部分，本文详细论述了无刷直流电机控制系统设计和模糊PID控制器设计。在控制系统设计部分，本文重点论述了控制系统的总体硬件构成，包括TMS320LF2407A控制器，DSP外围电路和功率驱动及其逆变电路的设计。同时，对位置信号、相电流、相电压检测电路，速度信号检测电路和故障逻辑电路进行了设计。本文还对控制系统软件进行了简单介绍，包括主程序、中断服务程序以及速度环和电流环算法，并基于模块化结构设计思想绘制了流程框图。在模糊控制器设计部分，本文详细讲述了模糊PID控制器的特点，并且在Matlab环境下对参数自整定模糊PID控制器进行了设计和建模。最后是本控制系统的建模和仿真研究。本文在Matlab/Simulink环境下建立了独立的功能模块，包括BLDC总体模块(包括BLDCM本体模块、转矩计算模块、转速计算模块、反电势计算模块)、速度控制模块、电流滞环控制模块、转子位置计算模块、电压逆变器模块等，再进行功能模块的有机结合，搭建了无刷直流电机系统的仿真模型。系统采用双闭环控制，速度外环采用参数自整定模糊PID控制，电流内环采用电流滞环控制。仿真结果证明了该方法的有效性，同时验证了参数自整定模糊PID控制优于传统PID控制，前者具有响应速度更快、超调更小、稳定性和跟踪性能更好的特点。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，达到了设计任务的要求。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。4.期刊论文陈涛.李智.胡聪.ChenTao.LiZhi.HuCong基于DSP的无刷直流电机模糊PID控制系统设计-国外电子测量技术2010,29(2)随着无刷直流电机应用领域的不断扩大,对控制系统的稳定性和控制精度提出了更高的要求.为此,本文以DSP芯片(TMS320LF2407A)和无刷直流电机专用集成芯片(MC33035)为核心设计了系统硬件电路,并将传统PID控制与模糊控制相结合形成的模糊PID控制算法应用于该硬件系统,同时设计了上位监控系统,组成了一个数字化、智能化的无刷直流电机控制系统.实验结果表明,本控制系统运行稳定,控制精度高,有着很强的应用推广价值.5.学位论文庞向坤基于DSP的无刷直流电机实验系统的研究与设计2008目前，随着电力电子技术、控制理论以及实现各种软算法的微处理器技术、检测技术及数字信号处理技术的迅猛发展，电机控制技术也面临着前所未有的机遇与挑战。这些技术和理论逐渐渗透到各种电机的运动控制系统中，大大提高了电力拖动系统的动、静态性能。无刷直流电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又兼有直流电动机的运行效率高、无励磁损耗及调速性能好的特点，特别是我国的稀土材料为世界第一，为高性能直流无刷电动机的发展创造了得天独厚的条件。本文以永磁方波无刷直流电机(BLDCM)为控制对象，设计了一套基于DSP控制的无刷直流电机实验系统。本文首先介绍了无刷直流电机及其控制技术的发展与现状、无刷直流电机的结构与工作原理及其数学模型，然后论述了无刷直流电机的控制技术和策略，在比较分析各种控制方法的优缺点的基础上，将先进的模糊控制理论运用到传统的PID控制器中，有效地克服了无刷直流电机的非线性、参数时变性、模型不确定性等引起的控制难的问题，它的控制性能明显优于传统的PID控制器。同时借助强大MATLAB/SIMULINK，根据模糊-PID控制器的特点和无刷直流电机的数学模型，构建了模糊-PID控制系统的仿真模型，并进行了仿真验证。在系统的硬件设计中，首先介绍了系统的整体结构，给出了系统总体硬件电路设计方案，包括DSP外围电路、信号调理电路和功率驱动电路等主要电路设计，同时，对位置信号检测电路、母线电流检测电路、及故障逻辑电路进行了设计。对于各种电路之间的密切配合，都是从课题的实际出发，对硬件电路的设计展开了细致的考虑。控制系统的软件设计，包括下位机和上位机的软件设计。下位机主要包括主程序设计和相关的中断服务子程序，并基于模块化结构设计思想绘制了流程框图；在上位机的程序设计中，主要探讨了32位Windows系统中对PC机串行口的打开设置与读/写操作以及读串口后对接收到数据帧的处理，从而实现了利用串口通讯完成上下位机数据及时准确的传输。论文最后对无刷直流电机实验系统进行了调试和测试，根据系统的运行状况，通过实验分析验证了本文提出的模糊-PID控制算法的正确性和可行性，系统设计的正确性，硬件平台的稳定性，软件运行的平稳性，满足设计要求。6.期刊论文张浩.ZHANGHao基于DSP的无刷直流电机控制器设计与仿真-武汉理工大学学报(信息与管理工程版)2009,31(1)设计了一种基于TMS320LF2812A的无刷直流电机全数字控制系统,并对该系统进行了仿真.采用无位置传感器法获取转子位置,利用模糊PID算法实现高精度控制,可有效地产生PWM信号驱动逆变电路对无刷直流电机进行控制,并有较好的电流保护功能.仿真结果表明,该系统具有较好的动态和静态特性,电机运行的可靠性高.7.学位论文付磊基于DSP的无刷直流电机模糊控制系统设计和仿真研究2008无刷直流电机是随着电力电子技术的发展和新型永磁材料的出现而迅速发展起来的一种新型机电一体化电机。无位置传感器控制技术的应用使得无刷直流电机的体积减小，成本降低，抗干扰性加强，从而进一步拓宽其应用领域，近年来对无刷直流电机无位置传感器控制技术的研究一直是热点之一。本文在分析和总结传统的无刷直流电动机控制系统中存在的问题的基础上，设计了一种基于数字信号处理器(DSP)的无位置传感器无刷直流电动机的控制系统。利用DSP芯片TMS320F2812进行低成本、高智能无刷直流电动机控制系统的设计，能够简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。建立了永磁无刷直流电动机的数学模型；提出了无位置传感器无刷直流电动机的新型位置检测方法；确定了系统的总体控制结构、控制方法并设计了控制电路：以TI公司的TMS320F2812为核心，结合IR公司的驱动芯片IR2133；对整个控制过程绘制出其总体的流程图，完成部分位置速度环节的程序设计，利用DSP专用汇编语言与C语言进行系统软件程序的编写。在接下来的部分，本文详细论述了模糊PID控制器设计。在模糊控制器设计部分。本文详细讲述了模糊PID控制器的特点，并且在Matlab环境下对参数自整定模糊PID控制器进行了设计和建模。最后是本控制系统的建模和仿真研究。本文在Matlab/Simulink环境下建立了独立的功能模块，包括BLDC总体模块(包括BLDCM本体模块、转矩计算模块、转速计算模块、反电势计算模块)、速度控制模块、电流滞环控制模块、转子位置计算模块、电压逆变器模块等，再进行功能模块的有机结合，搭建了无刷直流电机系统的仿真模型。系统采用双闭环控制，速度外环采用参数自整定模糊PID控制，电流内环采用电流滞环控制。仿真结果证明了该方法的有效性，同时验证了参数自整定模糊PID控制优于传统PI