毕业设计（论文）-数字式电动执行器控制原理

目录TOC\o"1-3"\h\u21268第一章绪论 1172261.1课题研究的背景和意义概述 1128051.2国内外研究现状 120921.3本文研究的主要内容 415712第二章基于DSP芯片MC56F8323无刷直流电动机控制系统总体概述 5232292.1无刷直流电动机工作原理 5245592.2无刷直流电动机的数学模型建立 6153372.3无刷直流电动机控制策略 86902第三章基于DSP芯片MC56F8323无刷直流电动机控制系统硬件设计 9173593.1硬件总体设计 9231583.2逆变主电路 10310673.3控制单元介绍 11288853.4IPM驱动电路设计 12224893.5速度位置环电路设计 1373333.6电流环电路设计 14312753.7保护电路 1520877第四章基于DSP芯片MC56F8323无刷直流电动机控制系统软件设计 17246974.1软件控制总体结构方案 1714534.2主程序 17114154.3速度中断程序 1838284.4位置中断程序 18211164.5故障中断子程序 19143924.6控制器设计 2025974第五章自适应PID模糊控制算法与MATLAB仿真 21133395.1传统PID控制 21122905.2自适应PID模糊控制 2110195.3MATLAB仿真 24295585.3.1MATLAB简介 24234245.3.2无刷直流电动机本体模块 25219805.3.3无刷直流电动机转速测量模块 2634665.3.4无刷直流电动机转速测量模块 27306335.3.5逆变器模块 27137015.3.6速度调节器模块 28143935.3.7电流控制模块 28103535.3.8参考电流模块 29100485.3.9计算位置模块 30212815.3.10仿真结果 3021122第六章总结 356016参考文献 3523190第一章绪论1.1课题研究的背景和意义概述电动执行器在自动控制系统中的作用是接受来自控制器的控制信号，通过电动执行器本身开度的变化，控制阀体等节流件的开度，达到控制流量的目的。电动执行机构是以电动机为驱动源、以直流电流为控制及反馈信号，当上位仪表或计算机发出控制信号后，电动执行机构输出轴按照信号大小比例地动作，使阀门或风门开到相对应的开度，并将系统开度信号反馈回控制室内，从而完成系统的调节功能。然而，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中，同时也是最为常见的电动执行器。随着经济社会的不断发展，科技的日异月新，电力电子也同样取得了巨大的发展和进步。新型材料以及新型半导体的应用，逐渐产生了以电子换相代替传统电刷机械换相的无刷直流电动机。1955年，美国Harrison等人首次申请了应用晶体管换相替代电动机机械换相的专利，这边是无刷直流电动机的雏形。1962年，借助霍尔元件来实现换相的无刷直流电动机的问世开创了无刷直流电动机产品化的新纪元。1978年，原联邦德国MANNESMANN公司的Indramat分部在汉诺威贸易展览会上正式推出其MAC无刷直流电动机及其驱动系统，标志无刷直流电动机正式迈入实际使用阶段。与采用机械结构进行换向的传统直流电机相比，无刷直流电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠和维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无刷赐损耗以及调速性能好等诸多优点。正是有着如此多的优点，无刷直流电动机在当今国民经济各个领域的应用日益普及。电机控制是工业自动化进程中一个相当重要的组成部分,它包含工业领域中的速度控制、力矩控制、位置控制。微处理器在电机控制领域中的应用,使传统的电机控制面貌一新。模拟量到数字量的转换实现了全数字化的描述及控制。它具有速度快、控制准确灵活、噪声小、高集成度、反应灵敏等优点。适应了工业企业提高产品质量和增加产量的要求,因此得到了广泛的应用。无刷直流电动机的数字化控制越来越明显，优势也日益突出。对于无刷直流电机的数字式控制研究是时代的需要，无刷直流电动机数字式控制是一种新型的调速系统，该系统具有良好的运行、控制以及经济性能，显示出巨大的发展潜力。因此，研究全数字电动执行器的控制设计有着极强的现实意义。1.2国内外研究现状国内三种电机的生产分工较为明确，电机分为直流电机、同步电机和异步电机。无刷直流电机是三种电机的集合，是电机发展的高层次产品，它代表电机的发展方向。目前无刷直流电机研究刚刚起步，主要集中在高等学校，如浙江大学、北京航空航天大学、上海交通大学等，均在进行1.5kw以下样机的研究试验，清华大学正在做15KW电机的样机实验，中科院正在做28KW电机的样机实验。企业中生产高性能、大容量这种电机的厂家还没有，只有生产结构简单、性能较低、容量在0.2KW以下、用于电动自行车电机的厂家。国际发达国家对直流无刷电机的研制与中国大体相当，但像美国、日本在直流无刷电机控制方面比中国先进。目前，通过国内外的许多专家、学者在无刷直流电机及其控制的研究，取得了很大的进步，主要集中在无位置传感器、转矩脉动的抑制、智能控制这几方面。比如说无位置传感器这方面，国内外经历了间接位置检测、反电势法、端电压法、续流二极管法、电感法、状态观察法等等方法；转矩脉动方面，美国的J.K.Hung博士等人利用定子电流谐波的最优权重设计方法，通过电流调节器等装置有效减少了电磁转矩及齿槽引起的转矩脉动。英国的Ys.ccn.z.O.Zhu及DavidHower博士研制成功了无齿槽的PMBLDCM(PermanentMagnetBrushlessDirectCurrentMotor,在国内，成功的将软件开发技术应用在无刷直流电机的逆变器上，减少电源损耗，抑制转矩波动，提高电机的效率方面取得了比较满意的效果；智能控制方面，从发展趋势来看，以数字信号处理器为核心的控制电路将代表无刷直流电机电子换相控制器的发展方向。要对一个对象实现精确的控制就需要充分了解这个对象，无刷直流电动机是一个比较复杂的控制对象，虽然人们对无刷直流电动机的研究取得了比较突出的进步，但也还有许多需要深入探讨的问题。下面是总结的现在存在的一些问题，大体来说有这几个方面。（1）无刷直流电动机数学模型的建立局限电机本体设计无刷直流电机的绕组结构的设计一般参考交流电机，无刷直流电机的参数也是参照交流电机的公式计算出来的。这些计算公式是否需要修正，如何修正，目前还没有结论。无刷直流电机转子永磁体的放置形式也可以多种多样，磁场分布的实际情况又非常复杂，传统的等效磁路分析法有很多不足之处。这就直接影响着无刷直流电动机数字模型的准确建立，数学模型的准确建立的局限性从而导致它的控制难度也就相应加大了。（2）转矩脉动无刷直流电机控制存在的难题之一是转矩脉动，转矩脉动限制了速度控制精度和位置控制性能的进一步提升，转矩脉动分为：纹波转矩脉动、换流转矩脉动、齿槽效应转矩脉动、枢反应产生而转矩脉动等。其中纹波转矩脉动是因为在电机的设计及其制造过程中，受精度及其他条件的限制会产生纹波转矩脉动。无刷直流电机的电枢电流理论上为120°的矩形波，这样无刷直流电机可以产生恒定的转矩。但在实际换相过程中，绕组中的电感存在着储能作用，使得电枢电流在实际运行中很难达到期望的矩形波。此外，由于电机定子的齿槽效应也会产生齿槽效应转矩脉动。另外，电枢绕组流过的电流会产生的电枢反应磁势。这个磁势造成电机内部气隙磁场的畸变，从而也会引起电枢反应产生而转矩脉动。（3）无位置传感器无位置传感器由于具有成本低、可靠性高、系统维护方便、对环境适应能力强等优点，因此无位置传感器在无刷直流电动机的控制中得到了很大的应用。无传感器控制技术的关键之处在于速度和位置检测。目前主要方法都是通过检测电枢电压、电流来进行转子位置的估计方法。与有位置传感器检测法相比，无位置传感器系统省去了位置传感器，简化了电机结构，有很好的控制效果。到目前较为成熟位置检测方法有反电动势检测法、电感检测法等，其中反电动势检测法是无传感器系统中最常见和应用最广泛的一种方法，也是目前为止比较实用的一种方法。（4）起动问题对于无位置传感器无刷直流电机控制系统，起动问题是一个非常重要的问题。当采用反电势法时，电机静止时，由于电机反电势幅值与转子转速成正比，反电动势信号为零，检测电路无法检测到准确转子位置信号，系统低速性能比较差。目前应用于起动的常用方法有：随意位置起动法、查询起动法、特殊位置开环起动法，更好起动方法还有待进一步的研究。（5）控制算法无刷直流电机是一个具有非线性、多变量、强耦合的被控对象。对于无刷直流电动机这样一个复杂的系统，因为没有精确的数学模型，传统的PID控制对这样一个控制对象很难达到理想的控制效果。因为在无刷直流电机控制系统中，PID控制算法虽然简单易用，但在无刷直流电机控制系统中很难发挥它的作用。随着控制理论的发展，近年来出现了很多先进的控制方法，比如变结构控制、智能控制等。这些先进控制理论的应用，大大提高了无刷直流电机控制系统的动静态性能。变结构控制的最主要特点是：结构简单、响应速度快、对控制对象参数变化依赖性不强。智能控制是近些年发展的一类新型控制策略，智能控制的主要特点是它有自学习、组织、以及适应功能，能够解决控制对象的数学模型不确定问题、非线性控制问题和其他一些比较复杂的问题。研究表明对于无刷直流电机这个控制对象，利用智能控制可以取得较满意的控制效果。模糊控制、专家系统、人工神经网络控制等是智能控制几种常见形式。（6）抗干扰问题电磁兼容性EMC（ElectroMagneticCompatibility）在设备现场的影响越来越明显，随着对设备的要求的增加，EMC在工业现场得到了越来也多的关注和思考。在复杂的电磁环境中，每台电子、电气产品除了本身要能抗住一定的外来电磁干扰保持正常的工作以外，还不能产生对该电磁环境中的其他电子、电气产品所不能容忍的电磁干扰，或者说，既要满足有关标准规定的电磁敏感度极限值要求，又要满足其电磁发射极限值要求，这就是电子、电气产品电磁兼容应当解决的问题，也是电子、电气产品要通过电磁兼容认证的必要条件。比如电子技术和电力电子技术中要特别注意EMC的影响，人们也正在寻求解决的办法。无刷直流电机控制系统包括机械和电路两大部分，对于这样的系统，既要防止其对外界的抗干扰能力也要防止其对外界产生干扰和辐射。无刷直流电机控制器中包含强电驱动和弱电控制电路，特别是由于逆变器中的开关管的开关频率都很高，高的调制频率很容易导致电路受到外部的电磁干扰，随着电力电子设备本身功率容量和密度的不断增大，这个也会对电网产生谐波及污染周围的电磁场，又是造成电磁兼容的又一因素。因此无刷直流电机的抗干扰措施进行研究很有必要。一般的抗干扰措施有：强电驱动与弱电控制的完全隔离，考虑电路板中的布线，减小电路板的电磁辐射。（7）电枢反应和传统的直流电机相比，无刷直流电机的电枢反应有其自身的特点，但是受到客观条件的限制，对电枢反应的具体影响只能通过磁场进行分析计算，到目前为止还没有预测和估计电枢反应的通用计算公式。同时由前面叙述可知，电枢反应会对转矩脉动也会产生一定得影响。1.3本文研究的主要内容通过分析国内外的研究现状，针对上述存在的问题，本论文提出了一种控制策略，主要设计方案如下：一是建立更为完善的无刷直流电动机数学模型；二是提出了自适应PID模糊控制来解决传统的PID控制策略对非线性、强耦合性以及时变的无刷直流电动机系统存在的一些控制缺点。由于采用自适应PID模糊控制策略，使得对无刷直流电动机这样一个时变非线性被控制系统起到比较满意的控制效果，并通过仿真算例说明了本文所提设计方法的有效性及优越性。本文工作主要内容安排如下：介绍无刷直流电机的基本结构、原理、数学模型及系统控制方法，通过对几种不同控制器的分析比较，确立了以DSP为核心的无刷直流电动机的控制系统方案。(2)选型：本文的主要内容是基于DSP芯片MC56F8323的直流无刷电机控制器的硬件设计和进行MATLAB软件的仿真；电流传感器为LEM（莱姆）公司的LTS6-NP，其为霍尔型电流传感器；位置传感器采用增量式光电编码器；驱动电路采用IPM（智能功率模块）驱动电路。(3)阐述无刷直流电机控制系统的整体设计思想，对控制系统软件做了简单的介绍。包括主程序、中断子程序及速度控制算法，并基于模块化的编程思想绘制出了各个程序流程图。(4)介绍PID控制与模糊控制两种控制方法及各自的优势，设计一种模糊参数自整定PID控制器，并且将其应用于本文所设计的无刷直流电机双闭环控制系统中。(5)在分析无刷直流电机数学模型的基础上，在MATLAB／SIMULINK环境下对系统进行仿真研究。第二章基于DSP芯片MC56F8323无刷直流电动机控制系统总体概述2.1无刷直流电动机工作原理无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。无刷电机是指无电刷和换向器(或集电环)的电机，又称无换向器电机。早在上世纪诞生电机的时候，产生的实用性电机就是无刷形式，即交流鼠笼式异步电动机，这种电动机得到了广泛的应用。但是，异步电动机有许多无法克服的缺陷，以致电机技术发展缓慢。本世纪中叶诞生了晶体管，因而采用晶体管换向电路代替电刷与换向器的直流无刷电机就应运而生了。这种新型无刷电机称为电子换向式直流电机，它克服了第一代无刷电机的缺陷。无刷直流电机的定子是电枢绕组，转子是永磁体。无刷直流电机的基本结构如下图2.1无刷直流电动机基本结构图无刷直流电动机是由一台同步电机、一组转子位置检测器和一套受位置检测器控制的自控式逆变器组成的电机系统。其控制基本原理框图如下图图2.2无刷直流电机控制基本原理框图定子三相绕组的导通时间和顺序由无刷直流电机的控制与功率驱动电路来决定。功率驱动单元是将直流侧的电源功率分配到无刷直流电机定子上的各相绕组，使其通电后，这样电机才能够产生持续不断的转矩，它是控制电路的核心部分。位置传感器主要用于电路换向的控制信号。一般来说，传统的直流电机的电枢在转子上，而产生固定的磁场的是电机的定子。为了使电机运转起来，电枢绕组的电流的方向得到了不断地改变，使得转子的电枢电流产生的磁场和定子固定的磁场相互正交，只有在这种情况下电机可以产生最大转矩。2.2无刷直流电动机的数学模型建立数学模型的建立是控制的第一步，也是非常关键的一个环节。数学模型的建立是否恰当直接影响未来控制能否顺利实现。接下来以转子结构永磁面装式结构、三相无刷直流电机定子电枢绕组星形接法、两相通电模式为例，分析无刷直流电机的数学模型。为了便于分析，现作如下五个假设：假如三相绕组完全对称，功率器件和导通时间对系统没有影响，功率器件的导通与断开状态是理想状态，定子绕组的电枢反应对系统性能没有影响，忽略电机的磁滞和涡流损耗，电机的气隙感应电动势呈梯形分布等。以下都是电机的相关方程：无刷直流电动机的电压方程(2-1）其中：、、为定子相绕组电压,单位为伏特（V）为定子相绕组电流，单位为安培（A）L、M分别为每相绕组自感与互感，单位为亨利（H）、、为定子相绕组的反电动势,单位为伏特（V）r为三相定子绕组的电阻，单位为欧姆（Ω）M为三相绕组之间的互感，单位为亨利（H）d/dt为微分算子这是一个简化的电压方程，这是因为前面的几个假设才能列出这样一个简化方程。根据三相电路的相关知识我们可以得到一些等式及相关关系。如,利用矩阵的计算，因此公式（2-1）还可以表示为：（2-2）无刷直流电动机的转矩方程为：（2-3）我们已知无刷直流电动机的电磁转矩方程是由由定子绕组的电流感应电动势产生，由方程（2-3）我们知道，电机的转矩与电流及电压的乘积呈正比关系，因此，我们控制电流也就能起到控制电机转矩的效果。之前我们假设的反电势为梯形波，定子电流为方波就是为了能得到恒定的转矩，由无刷直流电动机的工作原理我们可以知道，定子只有两项绕组是导通的，因此，方程（2-3）还可以表示为：（2-4）其中，为电机转矩常数，为电机的转速电机的运动方程为：（2-5）其中，为电机的负载转矩，B为电机的阻力系数，J为转动惯量，w为转子机械角速度电机的反电势方程为：（2-6）其中，为反电动势，为电机的反电动势常数电机的转速方程为：（2-7）综合上述方程我们得到无刷直流电动机的机械特性方程：（2-8）我们画出电机的机械特性曲线：根据机械特性图我们可以知道无刷直流电动机能实现无极调速，只需控制直流电动机电压无需控制励磁即可实现电机的调速，因此非常方便。2.3无刷直流电动机控制策略所谓控制策略就是指控制工艺，本设计通过对控制对象的分析，觉得用DSP芯片MC56F8323作为控制核心，采用电流、转速双闭环控制，内环为电流环，根据检测得到的反馈电流信号与给定电流信号相比较，其差值通过一定的PID算法，得到新的参考电流，去控制下一步PWM占空比，实现电流调节。外环为速度环，由霍尔传感器检测出来的信号经过计算得出转速，与给定转速相比得出差值，经PI运算得到下一步给定电流值。控制框图如下：图2.3调速控制框图第三章基于DSP芯片MC56F8323无刷直流电动机控制系统硬件设计3.1硬件总体设计系统的硬件部分主要由主电路、控制电路和辅助电路等构成，其主电路部分包括整流、滤波、逆变电路等。逆变电路是由功率开关管构成的三相桥式结构。逆变电路对整流、滤波后的直流电压进行斩波，形成电压、频率可调的三相交流电，供给无刷直流电机，这样无刷直流电机就开始运转起来。控制电路以基于DSP芯片MC56F8323为核心，构成全数字化控制系统，对系统的控制与保护等负责，系统的控制参数和故障信息等保存在相应的存储器中。辅助电路由电源电路、驱动电路、检测与保护电路等组成。系统的硬件框图如图所示。图3.1系统硬件结构框图DSP对三相绕组电流进行采样，同时通过位置传感器检测的位置并计算转速，然后通过设计的控制算法，最后结果输出PWM控制信号，控制信号经过驱动电路就可以控制电机。同时DSP还有监控系统运行状态的功能，当有故障发生时，DSP将立即封锁PWM输出信号，使电机停机，并且发出报警信号。无刷直流无刷电机控制系统主要由如下部分组成：逆变主电路MC56F8323控制单元IPM驱动电路速度位置检测电路电流检测电路保护电路图3.2控制器硬件框图3.2逆变主电路无刷直流电机结构各种各样都有，并且分为三相、四相、五相绕组。驱动电路又可以选择为半桥驱动和全桥驱动。全桥驱动中电机绕组又可分为星形和三角形连接。不同的情况的组合会使电机产生不一样的控制性能，分析后主要有以下几个方面的原因：1)转矩的脉动；因为无刷直流电动机的电子换相产生的电压波动必定使形成的磁场不稳定，因此无刷直流电机的转矩脉动比传统直流电机的大，所以设计过程中一定得尽量减小转矩脉动，使得电机不会产生明显的振动等一些缺陷。根据实验数据表明，全桥驱动电路比半桥驱动电路的转矩脉动小。理论上相数越多，转矩的脉动越小，因此我们需要选择相数较多的连接方式。2)绕组利用率；无刷直流电机的电枢绕组在实际运行过程中是断续供电的，提高了绕组的利用率后，可使其等效电阻下降，最后可以提升了系统的效率。从这个角度来考虑，全桥驱动比半桥驱动好，三相绕组比四相绕组利用率高，同理，四相也比五相好。即相数越低利用率会越高。3)成本；显然，全桥驱动电路所需的开关管的数量是半桥驱动的两倍，成本会越高。电机绕组的相数越多，电机制造相应会成本越高。由上分析可知，综合考虑的话，通常中、大功率的三相负载均采用三相逆变器，应用最广的还是三相桥式逆变器。三相星形全桥驱动的综合性能指标最好，本设计采用这种方式。主逆变电路如图所示：图3.3主逆变电路和单相逆变器一样，三相桥式逆变器的基本工作方式也是180°导电方式，即同一相上、下两个桥臂交替导电，各自导通180°，桥臂1到桥臂6开始导电的相位依次相差60°。图中D1至D6为续流二极管，当开关管从开通到断开时候，二极管起一个续流的作用。在三相星形绕组连接的状态下，每次有两个MOSFET处于导通状态。开关管总共有八种状态，但只有六种状态是有效的，控制电路通过位置传感器来检测电机的转子位置，控制单元根据当前位置信息来输出PWM波形。3.3控制单元介绍本文是基于DSP芯片MC56F8323的无刷直流电动机控制系统，那么我们联系我们的控制器来具体说说我们的系统控制器的结构组成。MC56F8323是FREESCALE（飞思卡尔）半导体公司56800E系列的一款DSP芯片，内置FLASH，在核心频率为60MHz下运算速度可达到60MIPS（MillionInstructionPerSecond，每秒百万条指令）。它所提供的大部分指令（包括乘法指令）均为单机器周期指令，且指令使用灵活、方便，具备进行复杂计算（如矢量运算）的能力；3.3V供电，兼容5V输入；最多可达27个通用I/O口，且每一个I/O口均可配置为中断输入和配置为集电极开路输出，增大驱动负载能力。这款DSP芯片是专门面向运动控制应用的数字信号处理器，其上包括了电机控制所需要的主要功能模块，如六路PWM模块、正交编码模块、AD模数转换模块、与外界通信的SPI（SerialPeripheralInterface，串行外围接口）、SCI（SerialCommunicationsInterface，串行通信接口）和CAN现场总线模块。因此只需很少的系统元件就可以组成一个完整的伺服系统。需要特别指出的是其内部带有PWM模块，特别适用于电机控制。PWM模块有6个输出通道，从PWM0到PWM5，可以配置为3对互补的PWM信号或6个独立的PWM信号，在互补通道下允许可编程的死区时间插入，通过电流状态输入或软件独立的顶/底通道脉宽校正和独立的顶部、底部通道极性控制。由DSP内置的PWM模块产生六路PWM信号直接输入IPM驱动模块，从而驱动电机。在控制算法中需要电机运行时的相电流，由两个电流传感器将电流信号转换为电压信号输入DSP内置的AD模块，该AD模块有两个独立的转换器，可以保证采集到的相电流是同时的。电机的转速和位置的测量由外置的光电编码器完成，由编码器产生的两路正交信号输入DSP内置的正交编码模块，就可由DSP计算电机的转速和位置。人机接口通过DSP内置的SCI、SPI和CAN现场总线模块完成对电机各种参数的设定，同时监视电机的运行状况,人机界面非常直观方便。3.4IPM驱动电路设计IPM（智能功率模块）驱动电路主要完成对DSP芯片产生的六路PWM信号的功率放大，驱动内部的功率管从而实现对电机的驱动。IRAMS16UP60APlugNDriveTM集成电源模块（IPM）是IR公司iMOTION集成设计平台系列的产品，它除了将6个高压功率晶体管和驱动芯片IR2136等电路集成在一个小型绝缘封装外，还具有过热、过流、欠压和内置死区控制防止高端IGBT（绝缘栅双极晶体管）和底端IGBT短路等保护功能，以确保操作安全以及系统可靠。此外，它还能够由一个+15V直流电源来提供工作电压，可以简化其在电机驱动应用中的使用，并由此加速最终产品的开发。采用这种集成驱动器件可以大大的简化电路，同时也是因为此种驱动电路功能稳定安全可靠，因此本设计在没有考虑经济的情况下大胆的使用这种IPM驱动。其典型应用电路图如图所示图3.4IPM典型应用原理图3.5速度位置环电路设计直流无刷直流电机的控制大体是由两个闭环组成，一个是速度位置环，一个是电流环。其中速度位置环在电机控制中具有非常重要的作用，因为速度位置的检测结果直接影响后续的判断与控制，其检测到的精确性直接反应到对电机控制的精度。速度的测量方法有多种，如测速发电机、感应式转速传感器、霍尔转速传感器、光电式转速传感器以及旋转变压器式转速传感器等。但目前调速系统速度和位置反馈控制中应用较多的还是增量式光电编码器，它不仅可以检测电动机转速，还可以测定电动机的转向及转子相对于定子的位置。光电其结构图如图所示图3.5光电编码器结构图1.光源2.柱面镜3.码盘4.狭缝5.元件图3.6光电编码器工作原理图简而言之，光电编码器就是把光学输入量转换成数字量输出。这样的优势是测量精度和分辨力高，抗干扰能力强，能避免在读标尺和曲线图时产生的人为误差，便于用计算机处理。根据码制我们有9位二进制码盘，6位的循环码盘等。光电编码器的工作原理为：在刻度盘上均匀分布一定数量的小孔，有光透过时产生逻辑“1”信号，没有透光时产生逻辑“0”信号，这样从光敏传感器就可以产生A、B两路相位相差90度的正交信号。MC56F8323内部带有正交编码模块（quadraturedecoder），从编码器输出的正交信号输入DSP的PHASEA脚和PHASEB脚，内部的正交编码模块将信号进行四倍频，再由位置计数器计数从而可以确定转子的速度和位置。如果PHASEA信号的相位领先于PHASEB信号，那么运动方向为正向，落后则为负向。其正交信号检测时序如图所示。图3.7正交信号检测时序图MC56F8323正交编码模块具有如下特点：PHASEA和PHASEB的输入信号首先必须通过一个干扰信号滤波器，该滤波器可以数字延时，可以滤除毛刺，保证只有真正的信号才进行计数。同时对于只用单个信号的控制，均可配置为单个的脉冲计数。

对于一个高速转轴编码器，转轴速度可以通过计算每单位时间内位置计数器的变化值来得到。对于低速电机，由于输入PHASEA和PHASEB与通用定时器相连均可作为输入捕捉引脚，可以利用定时器测量正交相位之间的时间周期来得到高分辨率的速度测量。定时器模块利用一个16位的计数器，通过对总线时钟的分频来计数，40MHz的总线时钟频率最大可以得到102ms的计数周期。对于一个1000齿的编码器来说，通过利用定时器测量速度可以精确测量到0.15转每分。3.6电流环电路设计在直流无刷电机控制系统中，为了得到较好的控制性能，很多的控制算法如矢量控制等都需要知道电机定子的三相相电流。HNC-25SYB系列闭环霍尔传感器在电隔状态下测量直流无刷电动机的母线电流，经MC56F8323芯片AD转换器后，构成电流环的反馈部分。同时，还可以监测母线上的电流变化，防止过流。图3.8霍尔电流传感器电流环主要是完成DSP对电机相电流的检测，只需要采集两相的电流根据KCL电流定理就可以知道三相的电流了。所采用HNC-25SYB系列霍尔型电流传感器，采用单极供电，具有出色的精度、良好的线性度、低温漂和反应时间快等特点，测量范围灵活，可配置为从-3A～+3A、-6A～+6A和-19.2A～+19.2A，非常适用于电机的电流检测。以最后一种配置为例，其输出电压与原边电流曲线图如图所示。

图3.9电流传感器输入输出曲线图现在很多的电路设计中采用在逆变桥的下桥臂上串接电阻分压作为传感器，将电阻上的电压信号作为采样信号。这种检测方法非常简单和便宜，但是很难做到电阻值稳定不变，采样精度不高，不能提供准确的电流值。而且反馈控制电路与主电路没有隔离，万一功率电路的高电压通过反馈电路进入控制电路，将危及到控制系统的安全。并且在有些硬件条件下，如某些IPM模块不提供下桥臂发射极开路，就不能实现使用电阻器进行相电流的测量。因此给出通用的解决方案。电流传感器输出电压为模拟量，必须要将模拟量转换为数字量，DSP才能使用。MC56F8323带有AD数模转换器，其内部有两个独立的转换器（许多DSP芯片是不具备的），转换精度为12位，转换速度最快为每次同时扫描只需要5.3us。ADC模块最大时钟频率为5MHz，每个时钟周期为200ns。第一个采样需要8.5个ADC时钟，以后每个采样需要6个ADC时钟，同时扫描采样一共需要4个采样，一共花26.5个时钟周期，需要5.3us（26.5×200ns=5.3us）。若采用同时扫描方式，由于内部有两个独立AD转换器可以同时对两路信号进行采样，这就可以保证采集到的两路相电流是同时的，且ADC采样可以通过同步信号和PWM信号同步。就是这种同步使得控制的参数得到比较精确的地步。3.7保护电路过电流检测电路是为了防止电机过载、启动或异常运行时由于电流过大而对控制电路、功率逆变器和电动机本体的损害而设计的。在主电路上串联一个电阻，通过将采样电路的两端电压与设计的电压进行比较来确定主电路电流是否过载，过流信号送至芯片的中断引脚，封锁功率开关的驱动信号。如图图3.10过电流检测电路为了防止直流侧压过高对功率器件和无刷直流电动机本体造成损伤，设计了一个过电压检测电路，通过电阻对直流电源进行分取样，与参考电压进行比较，一旦发生过电压，则将故障信号送到芯片的中断引脚，封锁功率开关驱动信号。图3.11过电压检测电路第四章基于DSP芯片MC56F8323无刷直流电动机控制系统软件设计4.1软件控制总体结构方案本设计是基于DSP芯片MC56F8323的无刷直流电机的控制，DSP软件作为整个控制部分的核心，它的设计是整个设计的灵魂。那么我们首先要知道DSP要完成什么工作，还有它怎么工作。软件主要分为主程序与中断子程序。系统的总框图如下所示：图4.1系统总框图4.2主程序主程序是整个软件的内在灵魂，这是整个控制思路的集中体现，主程序主要由以下的一些功能模块组成：DSP芯片初始化、I／O初始化、预置系统参数，设置中断标志等。DSP芯片初始化包括时钟配置，串口通讯初始化，PWM模块初始化。主程序流程图如下：图4.2主程序流程图4.3速度中断程序要实现无刷直流电机的控制，那么参考数据是至关重要的，比如速度、位置的检测反馈数据。其中转子的速度反馈就是其中的重中之重！因为DSP只有根据检测到的转子速度才能经过计算得出速度的调节量，从而送到驱动电路来驱动电机。速度的测量是根据电流来折算的，电流采样中断其设计必须满足电流环的频率要求。本系统采用的频率为10Khz，即采样周期为100μs。在这个周期内要完成速度的计算，电流的采样，同时，把速度计数器清零。为下一个采样周期计算速度做好准备。其中有转速调节器的输出作为电流调节器的给定，而采样回来的电流值作为反馈值，经过电流调节器后的结果输出PWM控制寄存器，目的是使得输出电流值跟踪系统负载。速度控制中断子程序的流程图:图4.3速度控制中断子程序的流程图4.4位置中断程序转子的位置好比一个参考系，我们暂且认为这是一个时变的固定的参考系，如果说我们得到的速度是一个较为模糊的控制参数，那么位置就是一个相对明确的参考。DSP根据得到的位置参考信号来得出具体的PWM控制信号，来确保绕组的及时准确的换相。本系统为了实现高要求的位置控制我们采取了捕获中断方式，以下是具体的流程图：图4.4位置中断流程图4.5故障中断子程序系统产生故障在所难免，应对突发事件是一个设计师首先必须考虑的问题，因为这关系到设备的安全使用。一旦系统产生异常，故障信号反馈到DSP，DSP立即封锁PWM输出，从而保护电机。图4.5故障中断4.6控制器设计要说主程序是控制器是整个设计的灵魂，那么控制器的设计就是这个灵魂的具体表现。本系统采用位置速度双闭环控制，内为电流环外为位置环。图4.6速度调节器控制器程序流程图第五章自适应PID模糊控制算法与MATLAB仿真虽然传统的PID控制是一种优良的控制策略，但是对于无刷直流电机这样一个非线性时变系统的控制并不理想，因此我们不能单纯的依赖PID控制，本设计采用智能控制理论当中的自适应PID模糊控制方法来控制。那么我们具体来分析一下两种控制算法。首先我们从传统的PID控制说起。5.1传统PID控制PID俗称比例-微分-积分控制，PID有这么几个优点：原理简单，使用方便；适应性强，可广泛应用于各种工业生产部门，按PID控制规律进行工作的控制器早已商品化，即使目前新式的过程控制计算机，其基本控制功能也仍然是PID控制；鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不太敏感。在控制系统的设计与校正中，PID控制规律的优越性明显，但是他的结构确实非常简单。基本的PID控制规律可以这么描述：（5-1）其中，为比例系数，为积分系数，为微分系数。我们由自控原理的知识知道，比例环节对闭环系统零、极点分布的作用是有限的，因为这种校正不具有消弱或抵消系统中不可变部分的零、极点的作用，也不具有向系统提供零、极点的能力。特别是，增大固然可以减小系统的稳定误差，会提高控制精度，但同时也将导致系统的相对稳定性降低，甚至造成系统不稳定。积分控制的输出反映的是输入信号的积分，当输入信号由非零变为零时，积分控制仍然不为零，具有“记忆”功能。积分控制可以减小系统的稳态误差，提高系统控制精度。积分作用的显著特点是误差控制。但单单使用积分控制，可能导致系统结构不稳定。通常与比例环节同时使用。微分环节控制反映误差e的变化率，只有当误差随着时间变化时，微分作用才会对系统起作用，对无变化或者变化缓慢的对象并不起作用。5.2自适应PID模糊控制虽然传统的PID控制是一种优良的控制策略，但是对于无刷直流电机这样一个非线性时变系统的控制并不理想，因此我们不能单纯的依赖PID控制，本设计采用智能控制理论当中的自适应PID模糊控制方法来控制。传统的速度调节器一般为PID控制器。PID控制器具有结构简单、稳定性好、稳定精度高等优点。但常规PID控制器不能在线自动修改参数,难以适应超调量小、调节速度快的应用场合。模糊控制器具有不依赖对象的数学模型、便于利用人的经验知识以及鲁棒性强等优点,它能很好克服交流调速系统中模型参数变化及非线性等不确定因素给系统性能带来的不利影响。本文将PID控制器与智能控制相结合,采用模糊参数自整定PID控制策略实现智能电动执行机构的转速调节,即基于模糊控制在线地修改PID控制参数,提高控制器的性能。模糊控制是以模糊逻辑、模糊数学为基础的一种新型的控制策略。模糊控制是一种非线性控制，或者是一种查表控制方法。如果从控制器的角度来说，模糊控制属于智能控制的范畴，实现这种智能控制是以模糊数学作为理论基础的。自从1965年扎德（L.A.Zadeh）等人从集合论的角度对模糊性的表示与处理进行了大量的研究以来，提出了模糊集、隶属函数、语言变量、语言真值及模糊推理等重要概念，开创了模糊数学这一新兴的数学分支，从而对模糊性的定量描述与处理提供了一种新途径。那么自适应PID模糊控制器如何构成呢，它分为模糊控制与PID控制。PID控制器采用的是经典的控制方式，也就是说参数一旦确定控制器会毫无保留的执行预设的控制。它的输入根据模糊控制环节给定，系统的输入输出对其没有影响。模糊控制器主要根据预设的PID控制参数对系统性能的影响及相关的经验建立模糊控制规则库，模糊控制器的输入是误差e与误差率ec，输出则为。下面就是自适应PID模糊控制器的结构组成：图5.1自适应PID模糊控制器结构图根据PID参数整定思想,模糊控制器各语言变量论域确定为:各语言变量的论域分为七个量化级：。一般来讲量化级越多控制精度也相应越高，但是这运算量相应增大，取到7个量化级比较合适，这样也能起到比较不错的效果。输入e和ec取语言值为“负大NB，负中NM,负小NS,零Z0,正小PS,正中PM，正大PB”，隶属函数选用三角形函数；输出的语言值也取“负大NB，负中NM,负小NS,零Z0,正小PS,正中PM，正大PB”，隶属函数取单点模糊量形式。根据PID 参数整定原则及经验可以得到如下1,2,3控制规则：eceNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB表5-1的控制规则表eceNBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPB表5-2的控制规则表eceNBNMNSZOPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNSNSNSNSZOPSZOZOZOZOZOZOZOPMPBNSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB表5-3的控制规则表P,I,D的控制规则已经建立，那么规则是怎么实现在控制上面的呢，下面有一个公式可以清楚的表示出来：（5-2）其中， 为预设的PID参数值，为经过模糊规则得到的参数值，这样就可以得到控制器的参数值，运行时不断的改动模糊控制的输出值，从而PID参数得到不断的改动，在线修改的方式后这样就可以实现比较好的控制。5.3MATLAB仿真5.3.1MATLAB简介MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融模块设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。MATLAB是一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C++语言基础上的，因此语法特征与C++语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。5.3.2无刷直流电动机本体模块无刷直流电动机本体模型的建立是第一步，电机本体的输入是逆变器的输出的三相电压，而输出则为三相电流。在计算三相电流时应知道三相反动电势，三相反电势的求取十一难题。反动电势波形的好坏直接影响电机的转矩脉动、相电流畸形等。目前一般有三种方法得到反动电动势。（1）傅里叶变换法，该方法相对简单，但是有大量的三角函数的计算，计算量比较大；（2）有限元分析法，该方法得到的数据精确度比较高，但是该方法可移植性不高，适用专业性比较强；（3）分段线性法，通过反动电势的曲线来求取反动电势。综合考虑，电机本体模型如图所示图5.2电机本体图5.3.3无刷直流电动机转速测量模块电机转矩方程为：，由方程我们直接可以得到这样一个答案，只要知道三相反电动势，三相定子电流，以及转速，就可以计算出转矩。因此在SIMULINK环境下搭建这个模型。如图所示图5.3转矩测量模块5.3.4无刷直流电动机转速测量模块电机的运动方程为：。知道电磁转矩、负载转矩、阻力系数便可依据方程计算出电机的转速，转速经积分得到电机转角pos信号。因此在SIMULINK环境下可以搭建转速测量模块模型，如图所示图5.4转速测量模块5.3.5逆变器模块逆变器的功能显而易见，与整流是一个相反的过程。逆变器不是盲目的工作，逆变器的输入是电流控制模块输出的pulse信号，输出三相电压。控制pulse的时序与脉宽就可以直到交的转变，在SIMULINK环境下搭建逆变器模块，具体如下图所示图5.5逆变器模块5.3.6速度调节器模块速度控制的实现过程是这样的，给定速度与实际转速做差，速度差值赋给设计的模糊PID进行相关的计算，计算结果送给电流调节器。本体统采用自适应PID模糊控制，以便获得比较不错的动态性能，下面就是速度调节器在SIMULINK环境下的结构图图5.6速度调节模块5.3.7电流控制模块电流控制模块的输入为：三相参考电流与反馈回来的三相实际电流；输出为：开关管的控制信号。当实际电流大于参考电流并且两者偏差大于给定环宽时，将莫斯管正向关断，负向导通，直至电流减小到偏差在给定环宽之内。本电机电流控制模块采用电流滞环跟踪型控制，滞环电流控制的特点有这么几个：滞环电流控制是一种非线性控制，它控制简单，易于操作实现；当系统的开关频率很高时，响应速度快，完全满足速度的要求；稳定性高，负载和电路参数发生变化时，对系统的控制性能影响很小。在SIMULINK环境下搭建电流控制模块，如图所示图5.7电流控制模块5.3.8参考电流模块参考电流模块的功能是：根据已有的电流幅值和检测出的转子位置信号，给出给出电流控制模块的三相参考电流ia-r、ib-r、ic-r。转子位置与三相参考电流之间的对应关系如下：转子位置Ia-rIb-rIc-rΠ/6~Π/2is-is0Π/2~5Π/6is0-is5Π/6~7Π/60is-is7Π/6~3Π/2-isis03Π/2~11Π/6-is0is11Π/6~13Π/60-isis只需知道电流幅值与电机转子位置便可知道电机三相参考电流，在SIMULINK环境下创建参考电流模块如下图所示图5.8参考电流模块5.3.9计算位置模块电机的位置信号可以由电机转角信号得到，w为转角信号，b是w对2π其取余数。通过对b进行判断来得到电机的位置信号pos的值。由于这个MATLAB里面的SIMULINK模块里没有现有的功能模块，则需要通过S函数来编写。由上述可知，位置计算模块的输入为电机转角信号w，输出为位置信号pos。其控制核心的S函数如下:Ifthenelseifthenelseif5.3.10仿真结果要进行仿真电机参数必须设定，下面列出电机参数P1J0.0008Kg*R1ΩB0.0002N*m*s/rsdL0.0125HPO380VM-0.067H220V根据所有前面分析，在SIIMULINK环境下绘制总图，为了总图美观，也为方便绘制，分别把前面的各个模块进行图块封装，下面便是总图绘制情况。图5.9总图为了研究设计的模糊自适应PID控制器对系统的动静态响应起的作用，在相同条件下让模糊PID与传统PID进行各自仿真。其中负载转矩,设定转速为n=100rad／s，仿真时间T=0.5s。仿真得到的相电流、相反电动势，转子位置信号仿真曲线如图5.10-5.16所示。图5.10定子电流Ia、Ib、Ic图5.11反电动势Ea、Eb、Ec波形图5.12转子位置信号Pos波形定子三相电流的波形如图5.10所示，启动过程中电流较大，但很快会稳定。由于换向的影响，电流有部分脉动。定子绕组三相反电势的波形如图5.11所示，其平顶部分约为120。图5.12为转子位置信号的波形，是从0～2H循环的变化。电流、反电动势与转子位置信号的波形与理论分析基本相同，仿真结果证明了本文所建模的有效性及合理性。图5.13及图5.14为系统在传统PID和模糊PID控制下的速度响应曲线。图5.13PID控制下速度响应曲线图5.14模糊PID控制下速度响应曲线图5.15和图5.16为传统PID和模糊PID控制下转矩响应曲线图5.15传统PID控制下转矩响应曲线图5.16模糊PID控制下转矩响应曲线比较图5.13与图5.14可知，在模糊P