直流电机控制系统

直流电机控制系统（精选12篇）

直流电机控制系统 第1篇

1 直流电机闭环控制系统的基本结构及原理

一个直流电机闭环控制系统主要分为以下四部分:误差比较器、PID调节器、执行驱动电路、反馈电路, 系统整体结构如图1所示。

其中误差比较器的功能是将用户给定系统的转速设定值与系统反馈电路反馈回来的电机实际进行比较, 从而送出一误差信号, 作为PID调节器的输入量。在微机控制系统中, 误差比较器的功能直接由软件来实现。

PID控制是较早发展起来的控制策略之一, 由于算法简单、鲁棒性好、可靠性高而广泛用于过程控制和运动控制中, 尤其适用于能建立精确数学模型的控制系统。PID调节器就是比例 (P) 、积分 (I) 、微分 (D) 调节器的组合。它将误差信号的比例、积分、微分通过线性组合构成一控制量去控制相应执行驱动电路。在过程控制中, PID控制是一种较常用控制规律。PID调节控制器的比例调节器、积分调节器和微分调节器各有其优缺点, 三者组合起来可达到取长补短的作用, 使控制更加完善。近年来, 智能控制无论是理论上还是技术应用上均得到了长足的发展, 随之不断涌现将智能控制方法和常规PID控制方法融合在一起的新方法, 形成了许多智能PID控制器。这些智能控制器不仅具备自学习、自适应、自组织的能力, 而且还有常规PID控制器结构简单、鲁棒性强、可靠性高、为现场工程设计人员所熟悉等特点。

PID调节器的动作规律如图2所示。当误差e在t0处有一跳变时, U在t0处有一冲击式瞬时呼应, 这是由微分调节器产生的。微分的作用总是反抗误差往任何方向变化, 而且误差变化越快, 它的反抗作用就越强烈。所以, 微分调节器的加入将有助于减小超调, 克服振荡, 使系统趋于稳定。同时加快了系统的动作速度, 缩短调整时间, 从而改善了系统的动态品质。

在数字控制系统中, 由于计算机是按照一定的采样周期采集被控制量, 再经PID运算后输出控制量的。即数字控制属于采样控制, 因此, 连续的时间函数必须变换成离散的时间函数, 计算机可实现的差分方程式。

式中n为采祥次数, T为采祥周期, en为第n次采样的误差值。Un是该次采祥后经PID运算出来的控制值, 它是一个全量控制值, 与控制执行机构的位置一一对应, 故也称为位置型算式。

由于1中的Un与过去的采样数据有关, 不仅要累加。而且还要存储, 这给程序设计带来不便, 因此, 目前计算机控制的PID算式普遍采用增量形式。根据式1可得:

将1减2可得增量输出的PID算式:

从4可看到, 增量输出的PID算法只需保持现时以前的三个时刻的误差值 (en、en-1、en-2) 即可。它不仅方便了编程, 而且可以减少位置式算法中由于累加ej而产生的积累计算误差。对了于某些应用, 譬如步进电机的控制, 直接采用式4就行了, 而对于需要全量输出的控制器, 则可根据4得到全量输出的增量式算式:

5的编程也比较方便, 一般是在内存中设置一个数据表, 存放A、B、C参数以及en、en-1、en-2和Un-1等值, 运算时将其调出进行乘加运算就行了。

如何选择确定PID算式中的各参数, 这也是设计PID调节控制器的一项重要工作。通常由于实际系统比较复杂, 进行严格理论计算有一定的困难, PID的各参数往往是通过实验凑试或者通过实验的经验公式来确定。

执行驱动电路的作用就是根据PID调节器输出的信号而产生驱动电机转动的直流电压。目前常用的电路有可控整流器和直流斩波器两种。可控整流器适用于大功率调速系统。对于中小功率的电机调速系统, 目前普遍使用直流斩波器, 即DC-DC变换器来调速。一个使用SCR的直流斩波器如图3所示。图中当斩波器导通时 (ton) , e0=E, 关断时 (toff) , e0=0。

式中, T为斩被周期。ton为斩波器导通时间, ton/T称为斩波工作率。改变工作率即可改变负载电压, 达到调速的目的。改变工作率有两种办法, 一种是固定T, 改变ton称为恒频系统, 也称脉宽调制 (PWM) , 采用脉宽调制对直流电机的调速是目前中小功率调速系统较常用的一种方法。另一种是固定ton, 改变T, 称为变频系统。变频系统具有防干扰能力差, 滤波困难等缺点, 在直流电机调速应用方面较少使用。

反馈电路的功能是检测电机的转速, 然后转换成误差比较器能够接受的信号 (模拟电压或数字量) 送回误差比较器。检测电机的转速, 目前常用的有以下几种形式。

(1) 采用直流测速发电机。

(2) 采用光电编码盘。

2 本系统的硬件结构及工作原理

随着数字电子技术和微型计算机技术的发展, 采用单片微型计算机实现直流电机闭环控制系统, 上述的误差比较器、PID调节器等均可由软件来实现, 简化了系统硬件电路, 使系统更加灵活可靠。采用MCS-51系列单片机的实验仪便可以用来构成闭环控制系统, 系统硬件结构见图4所示。

转速设定输入电路采用四位拨码盘。两位分别与两片74LS245 (双向三态门) 的A端相接, 74LS245的B端与单片机实验系统的数据总线相接。三态门的使能端分别接74LS138译码器的YO (译码地址4000H) 和Y1 (地址4001H) 程序采Y用读外部数据存储器的指令就能将BCD拨码盘的信息读入。

系统采用EXR51单片微机实验仪。实验仪具有6位LED显示器和一个32键的小键盘, 同时还提供了四块逻辑辑实验板以及8031仿真接口, 用户系统的硬件可在逻辑实验板上插接而成并通过仿真接口与实验仪的8031系统连接。利用实验仪的调试功能可方便地调试实验系统的软硬件设备。

电机控制驱动电路见图4。单片机产生PWM信号从P1.0输出经驱动器ULN2003与光电耦合器4N25的发光管相接。光耦的输出三极管连接直流电源和功率达林顿三极管TIP127, 达林顿管直接驱动电机运转。

转速反馈回路采用增量式光电码盘, 码盘输出信号直接与单片机的INTl引脚相接, 由软件对转速的脉冲信号进行计数。

本系统的软件框图如图5所示。

由于该电路在采用了线性脉宽调制 (PWM) 的方法来实现对电机转速的调节, 还加入了单片机控制, 不仅小巧、轻便、输出特性良好而且还操作简单, 调试灵活, 具有控制智能化等特点, 因此, 十分适用于各种科学实验与小功率的电子设备中, 相信会有很好的应用前景。

摘要：本文介绍一种采用单片微型计算机实现直流电机闭环控制系统。大大地简化了系统硬件电路, 使系统更加灵活可靠。

利用DSP控制直流无刷电机 第2篇

摘要：介绍了一种利用双口RAM实现DSP与单片机高速数据通信的方法，给出了它们之间的接口电路以及软件实现方案。

关键词：DSP；双口RAM；接口电路；数据通信

直流无刷电机实际属于永磁同步电机，一般转子为永磁材料，随定子磁场同步转动。这种电机结构简单，而且由于移去了物理电刷，使得电磁性能可靠，维护简单，从而被广泛应用于办公自动化、家电等领域。直流无刷电机运行过程要进行两种控制，一种是转速控制，也即控制提供给定子线圈的电流；另一种是换相控制，在转子到达指定位置改变定子导通相，实现定子磁场改变，这种控制实际上实现了物理电刷的机制。因此这种电机需要有位置反馈机制，比如霍尔元件、光电码盘，或者利用梯形反电动势特点进行反电动势过零检测等。利用光电编码器的系统在软件实现上更方便。电机速度控制也是根据位置反馈信号，计算出转子速度，再利用PI或PID等控制方法，实时调整PWM占空比等来实现定子电流调节。因此，控制芯片要进行较多的计算过程。当然也有专门的直流无刷电机控制芯片；但一般来说，在大多数应用中，除了电机控制，总还需要做一些其他的控制和通信等事情，所以，选用带PWM，同时又有较强数学运算功能的芯片也是一种很好的选择。Motorola的数字信号处理器DSP568xx系列整合了通用数字信号处理器快速运算功能和单片机外围丰富的特点，使得该系列特别适合于那些要求有较强的数据处理能力，同时又要有较多控制功能的应用中，对直流无刷电机的控制就是这一系列DSP的典型应用之一。

直流无刷电机结构和连接

三相直流无刷电机采用二二导通、三相六状态PWM调制方式。电机定子绕组轴向示意图如图1所示。

当电流从A到B时，定子绕组产生的磁场为图1中A－B方向，如果电机顺时针运行，此时，永磁转子磁场应位于III区，产生的扭矩最大。当转子转过III区和IV区的交界，到达IV区时，定子绕组电流应相应改变成为从A到C，即产生的磁场成为图1中A－C方向。

这样，定子磁场总超前转子磁场约90°，使转子不断的向前跟进。实现这个过程的关键是取得转子位置，积分编码器就起这个作用，如它的三路输出：PHASEA、PHASEB、PHASEC，在转子分别位于图1中的I到VI各区时，输出信号相应为：011、001、101、100、110、010。这样，通过捕捉积分编码器任一路输出上的跳变沿，读取跳变沿后的积分编码器输出状态，就可以确定转子的新位置，实现定子绕组电流换向。同时，利用定时器检测两次换向之间的时间间隔，计算出电机运行的速度，再通过调整PWM信号的占空比，调整定子电流，实现调速。

DSP568xx中使用到的主要模块

在Motorola的DSP568xx系列数字信号处理器的软件开发包中，给出了一个利用上述思路对直流无刷电机控制的应用程序：bldc_sensors。主要用到了DSP的脉宽调制PWM模块、定时器模块、相位检测器DECODER模块。

PWM模块共有六路输出，分别用来控制三相的顶底共六个功率管。

模块可以被配置成互补通道模式，即PWM0与PWM1为一对互补对，共三对互补对，如图2所示。互补对内的两个信号可以在芯片内部被互相交换，如图2中C相所示；也可以同时被屏蔽，使得输出全为0，该相就关断，如图2中A相所示。

定时器模块是最普通的外设，在这个应用中，使用了5个定时器模块，它们分别是A0、A1、A2、A3和D0。前3个分别接积分编码器的一路输出，利用它们的输入捕捉功能，产生中断，在中断子程序内检测新的积分编码器输出状态，实现换相。A3接的也是积分编码器的一路输出，它用来测量某路霍尔信号两个跳变沿间的时间间隔，计算转子速度。D0用来产生20ms间隔的节拍，周期性的对系统状态进行转换和检测。

相位检测器DECODER模块对于电机控制非常有用，它不仅能用于本文所说的六状态积分编码器，还能用于转子每转一圈产生相当多数目脉冲的积分编码器。该模块框图如图3所示。

但在本应用中，只用到了它的干扰信号滤波器，即使用了积分编码器的三路输出经过滤波后的值。六状态积分编码器的三个输出PHASEA、PHASEB、PHASEC分别接到相位检测器的PHASEA、PHASEB、INDEX三个输入端上。

控制算法

对于无刷直流电机的控制，软件上的内容是主体。

程序是一种前后台结构，前台是一个死循环，死循环内作两个工作，一个是程序状态转换ApplicationStateMachine，另一个是20ms时钟节拍触发的LED控制、直流电压数字值读取和速度控制等服务性工作ServiceLedISR()。程序中有一个全局变量ApplicationMode，取值可以是Init、Stopped、Running和Fault，用来指示系统的状态。main()函数一开始在初始化函数Initialize()中先把系统状态设置为Init，然后在程序状态机ApplicationStateMachine()里实现如图4所示的转换。

状态之间转换的各种条件均标在图4的各个箭头上。硬件上的其他事件：定时器A0、A1、A2的输入捕捉，A3的输入捕捉和溢出，D0的输出比较以及加减速按键都是通过中断的方式打入。所以整个软件的结构如图5所示。

系统一加电，程序进入初始化函数Initialize()，在这个函数中，做了以下工作：

◆启动直流电压ADC；

◆初始化Led，开始20ms的周期时钟中断D0；

◆开关状态初始化；

◆PWM参数初始化；

◆捕捉积分编码器跳变沿的定时器A0、A1、A2初始化；

◆相位检测器初始化；

◆ApplicationMode=Init；

◆取得转子位置，设好初始的导通相；

◆PI控制器初始化；

◆用于测量转速的定时器A3的初始化。

从Initialize()返回后，立刻进入前台死循环。

在转子运行过程中，定时器A0、A1、A2输入捕捉的发生，标志着转子运行到了一个需要换相的位置。输入捕捉事件触发中断ISRQTimer()，在这个中断服务程序中，完成以下的工作：

◆从相位检测器取得当前积分编码器的三路输出状态；

◆根据当前积分编码器输出状态，判断转子运转方向；

◆并调整PWM模块的.交换和屏蔽，即定子电流换相。

所以说，定子电流的换相，是在紧随着积分编码器输出跳变沿的中断服务子程序中完成的。在判断转子运转方向的时候，使用了一个常数组：DIRECTION_TABLE[8]={0,5,3,1,6,4,2,0}。这个数组元素的下标和元素的值对应转子在顺时针运转情况下，当前编码器状态和下一个编码器状态（见图1）。比如，当前编码器输出011，转子磁场位于I区，那么顺时针运转时，下一个编码器状态应为001，这正好对应于上述数组中，下标为011的元素值为001。这样，通过比较以编码器上一个状态作为下标的数组元素值与当前状态是否相同，就可以判断转子运转方向。在实现定子电流换相时，也以当前状态为下标，从专门数组中取得PWM模块通道交换与屏蔽所需的参数。在本应用中，将三对PWM互补通道对的参数设成一致，通过屏蔽某一相，交换另外一相，实现定子绕组电流状态的控制，如在图2中，A相被屏蔽，B相顶功率管开关占空比为70％，而将C相两个PWM通道交换，C相的底功率管开关占空比就由原来的30％成为70％，从而使电流由B相流入定子绕组而从C相流出，确定定子绕组B－>C的电流状态。

积分编码器的某一路输出，比如PHASEC的跳变，还触发了定时器A3的输入捕捉中断。在输入捕捉中断中，取得各个跳变沿之间的时间间隔，用来计算转子速度。定时器A3的溢出中断，也是为取得各个跳变沿之间的时间间隔服务。

在Initialize()函数中调用的LedInit()函数内部已经将定时器D0进行了初始化，所以从那时开始，定时器D0开始运行，每20ms产生一个中断，触发中断服务子程序LedISR()的运行。在LedISR()中，只是设了一个标志位bLedISROccurred为真。但这会使得死循环内ServiceLedISR()函数的具体内容被执行，而不是直接返回。ServiceLedISR()函数的具体代码完成以下工作：

◆Led闪烁周期计算和控制；

◆UpButton、DownButton按键延时控制；

◆从ADC读取直流电压值并重启ADC；

◆取得一路积分编码器的跳变沿间隔并计算速度，进行速度控制。

所以，转子运转的速度控制是在几乎每20ms周期的ServiceLedISR()内完成。

加减速按键也触发中断，在中断服务子程序内，调用相应函数，实现系统设定速度的改变。

结束语

直流电机控制系统 第3篇

关键词：无刷直流电机;DSP;TMS320LF2407A

一、引言

无刷直流电机的特点是结构简单、运行可靠、维护方便。它又有传统直流电机控制简单、调速性能好、功率密度高、输出转矩大等特点。因此，无刷直流电机在工业机器人控制、数控设备、纺织、化工等工業控制领域得到了广泛的应用。所以，对无刷直流电机及其控制方法进行系统、深入的研究有十分重要的意义。

二、无刷直流电机系统的硬件设计

1.硬件系统总体设计。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。控制电路以美国TI公司的TMS320F2407A芯片为核心，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TMS320F2407A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。无刷直流无刷电机控制系统主要由如下部分组成：（1）逆变主电路;（2）TMS320F2407A控制单元;（3）驱动电路;（4）检测电路;（5）保护电路 。

2.TMS320F2407A控制单元

（1）控制器的选择。控制器是无刷直流电机控制器的核心，选用控制器需要考虑的是控制器要可靠，易于维护，可移植性强，效率高。有以下几种：1）专用芯片;2）单片机;3）数字信号处理器，其中数字信号处理器（DSP）采用了不同的内部结构。传统的通用微处理器大多采用的是冯·诺依曼结构（Von Neumann Architecture），它片内的程序空间与数据空间共用一个公共的存储空间。为了提高速度，现代DSP芯片内部一般采用的是哈佛结构（Harvard Architecture）或改进的哈佛结构。而哈佛结构最大特点是计算机具有独立的数据和程序存储空间。这样允许CPU可以同时执行取指令和取数据，提高了数据吞吐率，进而提升了系统的运算速度。流水线技术也可以帮助系统提高效率。硬件乘法器可以使得DSP在单周期内就可以完成取操作数，相乘并把结果放在累加器中。除此之外，特殊的DSP指令也会大大提高系统的性能，DSP有着非常丰富的片内外设。利用DSP来进行电机控制，可以减小系统的成本，另外，DSP还有如下的优势：1）速度快; 2）存储容量大;3）软件编程灵活;由此可见，数字信号处理器比较适合作为电机控制的中央控制单元。基于以上分析，本设计中采用TI公司用于电机控制的2000系列CPU，其型号为TMS320F2407A。

（2）控制板设计。由前面分析可知，系统采用的控制器是TI公司的TMS320F2407A DSP芯片。下面介绍DSP及其最小系统的外围接口电路。DSP控制板主要由DSP芯片、外扩存储器、JTAG仿真调试接口和CPLD译码电路组成。下面介绍下外扩存储器电路，JTAG仿真调试接口和CPLD译码电路组成。TMS320F2407A内部存储容量有限，同时考虑到调试过程中可以将程序下载到片外高速SRAM中，系统进行了外部RAM的扩展，系统选用两片IS61LV6416，用于存储数据。在DSP存储器的扩展中，需要注意的是存储芯片的数据读写速度，因为DSP的指令周期都很短，对于速度很慢的存储器需要插入很多等待周期，以免DSP对它的读写发生错误。

3.驱动电路设计。由前面的逆变主电路可知，整个系统的核心就是DSP产生6路PWM波，并且控制每个PWM的脉冲宽度和导通时间，PWM信号经过驱动电路来控制MOSFET，MOSFET是IR公司的IRF3205，这是一款电压型控制器件，其开通电压为12-15V，但DSP输出的电压高电平为3.3V，不能满足驱动IRF3205的要求。则需要设计一个电平转换电路来把DSP的3.3V信号，转化为15V信号，此时就考虑到用一个光电器件。由于PWM频率为10K，则就需要选择一个高速的光耦，一般高速光耦有HCPL4504、PC817和东芝系列的TLP250。我们选择了日本东芝公司的TLP250，光耦TLP250是一种可直接驱动小功率MOSFET和IGBT的功率型光耦，由日本东芝公司生产，其最大驱动能力达1.5A。选用TLP250光耦既保证了功率驱动电路与PWM脉宽调制电路的可靠隔离，又具备了直接驱动MOSFET的能力，使驱动电路特别简单。

图1 下桥臂的MOSFET驱动电路

三相逆变主电路中有六个MOSFET需要控制，可以分为三对开关管。V1与V2为一对管。V1与V2两个不能同时导通，否则会出现电源与地直通情况。六个MOSFET都需要控制。其中下桥臂的三个MOSFET可以共地。采用典型的TLP250应用电路来实现MOSFET的驱动。电路图如图1所示：

4.保护电路设计。系统的保护电路分为欠压、过流保护。欠压保护就是检测输入端直流电压 ，要是系统发生短路，当采样电压低于设定的门限值时，DSP将PWM输出引脚置为高阻态，封锁PWM的信号的输出，达到保护电路电机本体和功率管的目的。

过流保护电路是为了防止电机在过载、起动和运行异常时由于电流过大而对功率开关管和电机本体产生损害而设计的。特别是当电机堵转的时候，此时电流非常大，DSP一定得做出相应的动作来保护整个系统。

三、结语

无刷直流电机凭其自身的特点使其得到了越来越广泛的应用，特别是在电机驱动、机器人等领域。无刷直流电机采用电子换向，与传统的直流电机相比，它提高了系统的可靠性和维护性，同时又保持了直流电机的良好的调速控制性能。并且随着电力电子技术、计算机控制技术以及DSP技术的飞速发展，使得无刷直流电机控制系统有了很高质量的硬件平台。本文介绍了无刷直流电机控制系统的硬件实现。首先介绍了整个系统硬件构架。然后详细介绍了系统的主电路，控制电路，功率驱动电路、检测与保护电路。对电路的方案选择以及参数计算做了详细的阐述，对DSP控制单元及并且设计了控制板的外围电路，该设计结合算法能够使无刷直流电机控制系统获得更快的响应速度，更高的稳态精度，更好的抗干扰性能。

参考文献：

[1]殷云华. 基于DSP的无刷直流电机控制系统的设计和仿真研究：[硕士论文].中北大学，2007.

[2]李文. 集成化无刷直流电机及其控制系统设计与研究：[硕士论文].武汉理工大学，2009.

直流电机控制系统 第4篇

19世纪20年代,人类发明的第一台电机是永久磁铁励磁的发电机。但是,由于当时的永磁材料磁能积很低,导致电机体积庞大,所以,不久就被电流励磁电机所取代。一直到20世纪60年代以后,出现了具有高剩磁、高矫顽力和高磁能积的稀土衫钻永磁材料,制成电机后具有高效节能的优越性能。1983年以前,由于稀土永磁材料价格昂贵,研究开发重点是要求高性能而价格不是主要因素的高科技领域,如军工领域等。1983年,随着性能优异而价格相对低廉的钦铁硼永磁体的问世,研究开发重点开始转移到工业和民用电机上。

由于采用电力电子器取代机械换向器,BLDCM与DCM相比,克服了它的三大致命缺点,即电刷火花、转速低及功率体积比不高。现在的无刷直流电机既具有传统直流电机的优点,如较好的机械特性和调节特性,起动转矩大、过载能力强、调节方便、动态特性好等,又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点,因此,在许多高科技领域得到了非常广泛的应用,如激光加工,机器人,数控机床,大规模集成电路制造设备、雷达,潜艇和各种军用武器随动系统等。同时,人们对其控制性能要求也不断提高,因此研制无刷直流电机的控制系统成为一项受到普遍关注的课题。目前国内外无刷直流电机的控制系统主要使用以下3种控制方法。

1 无位置传感器控制

对转子位置的检测和换相技术的研究是无刷直流电动机伺服控制的一个方面。传统的方法是采用位置传感器。为了减轻控制系统的负担,国外的一些学者提出无位置传感器法。特别是在1980年,H.Lehuy等人提出利用转子旋转时定子绕组中的感应电动势进行位置检测,这就是所谓的“反电动势法”。1990年,S.Ogasawara提出了续流二极管法,通过检测反向并连在驱动三极管上的二极管的导通状态来得出转子的位置。

在国内,学术界也开展了无位置传感器控制的相关研究。在《第五届中国交流电机调速传动学术会议论文集》中,田淳的无位置传感器———稀土永磁无刷直流方波电机调速系统就是利用三相反电动势中的三次谐波分量来检测位置,这种方法是基于三次谐波信号同转子磁通和负载情况保持有恒定的相位关系的原理而产生的,它对逆变器开关造成的噪声不敏感,因而可精确确定转子的位置。永磁无刷伺服电机无传感器位置估计方法也是采用端电压检测法,结合80C51单片机对无刷直流电机进行控制[1]。实验结果表明,低速和高速时检测位置准确,系统运行良好。

2 变结构控制

为了提高无刷电动机控制系统的性能,人们也在使用某些新型的控制策略。由于具有响应速度快、对控制对象参数变化及外部扰动不灵敏、物理实现简单等优点,变结构控制成为研究关注的焦点。变结构开关模式既可以由系统的传递函数导出,也可根据系统的最大速度、最大加速度等系统参数设计。这都会使系统的位置控制达到较好的控制效果。在BLDCM交流伺服系统变结构控制中,分析了BLDCM伺服系统的开环模型,利用时间最优控制的思想,设计了变结构控制器,并给出了开关模式[2]。

3 模糊控制和神经网络控制

在伺服控制系统中,如何在较宽调速范围内提高电流调节特性以及减小力矩波动,一直是伺服系统研究的焦点。模糊控制是近年来研究的热点,它不依赖于被控对象的精确的数学模型,对系统的动态响应有较好的鲁棒性;PID控制方法可以很好的消除系统的稳态误差,所以人们将两者结合用于无刷直流电机的伺服控制系统,使系统同时兼有两种方法的优点。徐邦荃在直流调试系统和交流调试系统中,把这一控制方案应用于以8098单片机为核心,由IGBT逆变器和三相无刷直流伺服电机等组成的系统上[3]。实验结果表明,采用Fuzzy-PID复合控制,系统具有Fuzzy和PID控制的双重优点,响应快,速度无超调,调速范围宽,在不同的负载下具有较强的鲁棒性。神经网络既具有非线性映射的能力,能够逼近任何线性和非线性模型,又具有自学习、自收敛性,而且对被控对象无需精确建模,对参数变化具有较强的鲁棒性。由于神经网络算法的优点,人们开始研究神经网络控制算法并且将其应用在无刷直流电机伺服控制中。

随着各种控制算法的出现,对无刷电机控制器的要求也越来越高。微处理器是比较常用的一种控制形式,51系列、96系列等多种单片机都在无刷电机伺服控制系统中出现过。但是,由于许多算法对运算的速度要求很高,致使在以单片机为核心的很多控制系统中不能实现,只能停留在计算机仿真阶段,其控制效果也得不到实践的检验。为了提高运算速度并且方便无刷电机的伺服控制,现在出现了很多专门用于无刷电机控制的专用芯片,如SIEMENSC504微控制器,AD公司的ADMC401,ADSP2171,MC33035等。

随着数字处理器件(DSP)的发展,其运算的快速性越来越受到人们的关注,并且日益成为无刷直流电机控制应用中最热门的处理芯片。许多优良的控制算法,都可以在DSP上实现。现在,很多厂商都开始专门开发适用于电机控制的数字信号处理器,其中,TI公司的2000系列是最具有代表性电机控制芯片。

无刷直流电机是当今效率最高的调速电机之一,与其相关的控制技术研究是当今电机领域的热门课题。其中,有很多问题值得深入研究,如无刷直流电机的转矩脉动、最佳换向和转子位置检测问题。

参考文献

[1]吴捷.永磁无刷伺服电机无传感器位置估计方法[J].微特电机,2000(4):3-7.

[2]吴忠,王秀芝.BLDCM交流伺服系统变结构控制[J].电气传动,1999(3):10-15.

电机控制论文. 第5篇

目前几种比较常见的直接转矩控制策略中，对于中小容量而言，控制方案重点在于进行转矩、磁链无差拍控制和提高载波频率。对大容量来说，其区别在于低速时采用了间接转矩控制，从而达到低速时降低转矩脉动的目的。

直接转矩控制技术概述

相对于直流电机在结构简单、维护容易、对环境要求低以及节能和提高生产力等方面具有足够的优势，使得交流调速已经广泛运用于工农业生产、交通运输、国防以及日常生活之中。随着电力电子技术、微电子技术、控制理论的高速发展，交流调速技术也得到了长足的发展。目前在高性能的交流调速领域主要有矢量控制和直接转矩控制两种。1968年Darmstader工科大学的Hasse博士初步提出了磁场定向控制(Field Orientation)理论，之后在1971年由西门子公司的F.Blaschke对此理论进行了总结和实现，并以专利的形式发表，逐步完善并形成了现在的各种矢量控制方法。特点

对于直接转矩控制来说，一般文献认为它由德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi于1985年首先分别提出的。对于磁链圆形的直接转矩控制来说，其基本思想是在准确观测定子磁链的空间位置和大小并保持其幅值基本恒定以及准确计算负载转矩的条件下，通过控制电机的瞬时输入电压来控制电机定子磁链的瞬时旋转速度，来改变它对转子的瞬时转差率，达到直接控制电机输出的目的。在控制思想上与矢量控制不同的是直接转矩控制通过直接控制转矩和磁链来间接控制电流，不需要复杂的坐标变换，因此具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点。控制

事实上，1977年A·B·Plunkett曾经在IEEE的工业应用期刊上提出了类似于目前直接转矩控制的结构和思想的直接磁链和转矩调节方法，在这种方法中，转矩给定与反馈之差通过PI调节得到滑差频率，此滑差频率加上电机转子机械速度得到逆变器应该输出的电压定子频率；定子磁链给定与反馈之差通过积分运算得到一个电压与频率之比的量，并使之与定子频率相乘得到逆变器应该输出的电压，最后通过SPWM方法对电机进行控制。

发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机、电动

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机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。

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洗衣机，出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如上图（b）所示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。

此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。[4]

实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动，绕组形式同发电机。

2.3直流电机的调速原理

众所周知，直流电机转速n的表达式为:

nUIR(22)

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Jd(24)式中Ke-反电动势常数.电磁转矩为:

Te=KT *Ia(2-5)式中KT-磁转矩常数。[2]

动态工作特性是指实际的动作与相应的动作命令之间的响应关系。将式(2-2)、式(2-3)、式(2-4)和式(2-5)作拉氏变换，得到如下函数:

Ua(s)=RaIa(s)+ LaSIa(s)+ Ea(s)

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图5.5主控电路图

5.3隔离单元模块

为了防止电机驱动单元对数字控制单元的干扰，必须在两者之间加隔离电路来防止干扰的产生。避免LMD18200的驱动电路对控制信号的干扰，对于LMD18200的引脚3(转向输入)、引脚5(PWM输入)与LM629的PWMS、PWMM引脚之间通过光电耦合器6N137连接。

(l)光电耦合器的选型

LM629的PWMM脚输出的调制信号如图5.6所示，如果LM629接6MHz晶振，其最小输出占空比（1/128）时的接通时间为: 4/fCLK=4/6*106s=0.67us 因此应选择高速光耦。

而N6137的工作频率可达到10MHZ，即它可用在开关周期为: l/l07s=0.1us 因此光耦可选6N137。

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KP=(input[0][0][e*10]*KP_memf[4]+((input[0][1][e*10]>input[1][0][ec*10])?input[1][0][ec*10]:input[0][1][e*10])*KP_memf[3]+((input[0][1][e*10]>input[1][1][ec*10])?input[1][1][ec*10]:input[0][1][e*10])*KP_memf[2]+((input[0][1][e*10]>input[1][2][ec*10])?input[1][2][ec*10]:input[0][1][e*10])*KP_memf[1]+input[0][2][e*10]*KP_memf[0])/(input[0][0][e*10]+((input[0][1][e*10]>input[1][0][ec*10])?input[1][0][ec*10]:input[0][1][e*10])+((input[0][1][e*10]>input[1][1][ec*10])?input[1][1][ec*10]:input[0][1][e*10])+((input[0][1][ e*10]>input[1][2][ec*10])?input[1][2][ec*10]:input[0][1][e*10])+input [0] [2] [e*10]);这样编写程序的好处就是略去模糊推理的判断转移程序，例如在某个时刻的误差e对应为9.8，误差变化率为8那么对于误差隶属度函数input[0][0][98]的取值必为0,input[0][1][98]同样为0，只有input [0] [2] [98]的取值为0xFF；误差变化率隶属度函数值input [1] [0] [98]为0, input[1] [1] [98]为0, input[1] [2] [98]为0xFF，因此上式的会等价成：

KP=(0+0+0+0+255*40)/255 所以计算量不大并且省略掉了条件转移相关程序。[24] 模糊控制流程图如图6.7所示。

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开始采样两次速度求误差

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LM629控制程序的编写、模糊控制程序的编写、通讯程序的编写及调试。实验平台的自行设计，在调速系统软件设计中利用PID参数的模糊在线自整定，使其整定精度大于离线整定精度。

但到目前为止论文还有需待完善的地方：模糊规则的提取和选择是一个复杂的过程，往往难免掺杂着一些主观思维，在调试过程中难免要根据具体情况进行调整，这使得调试过程变得复杂和设计周期时间延长；本系统是采用模糊自整定PID参数控制技术，对于PID参数的常规整定也带有很多主观思维。在实际工作情况下对象模型和工作环境经常是差异很大的。

通过对本课题的研究我有以下几个方面的收获：

（1）学习与掌握了单片机的基本原理及其各种应用，对它的各种硬件接口与软件设计方法有较深入的认识。

（2）对自动控制系统的动、静态性能及其控制有了一定的认识。

（3）在调速系统上位机的开发中用到Visual Basic，因此对VB编程有了更深刻的理解和更熟练的应用。

（4）本设计重点在于应用，因此在设计过程中使自己的动手能力得到锻炼，同时提高了解决实际问题的能力。

7.2研究展望

直流调速系统的控制方案层出不穷，并且控制效果也越来越好，有关模糊控制在直流调速中的应用还有以下方案值得研究：

(1)自适应模糊控制方法在直流传动控制系统中应用的实用化研究。目前最具有工程应用前景、最能体现模糊控制优势的，是能够在线进行模糊模型辩识、在线根据模型变化进行控制规则和参数自调整的模糊控制算法，而如果能把这种辩识和控制算法简化到可在单片机内实现，则模糊控制和智能控制的应用将会跨上一个新台阶。

(2)基于模糊神经网络控制等自适应方法的研究。神经网络和模糊控制的结合是智能控制的一个重要发展方向，但目前将其应用于直流传动控制系统的研究还不多。其中一个重要的原因是模糊神经网络控制方法复杂，计算量大，速度慢，实时性差且结构和机理尚未完全揭示，而直流传动控制系统又对实时性和控制精度要求很高。但随着模糊神经网络理论的完善，以及模糊芯片和神经网络芯片的

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日趋成熟，这将成为直流传动系统控制的重要手段。

T.G.Habetler的空间矢量调制方法

把无差拍方法应用于直接转矩控制首先是由美国人T.G.Habetler提出来的。这种方法的主要思想是在本次采样周期得到转矩的给定值与反馈值之差。

空间电压矢量的幅值和相位是任意的，可以通过相邻的两个基本的电压矢量合成而得。利用计算出来的空间电压矢量可以达到转矩和磁链无差拍的目的。

利用Habetler的无差拍方法，从理论上可以完全使磁链和转矩误差为零，从而消除转矩脉动，可以弥补传统DTC的Bang-Bang控制的不足，使电机可以运行于极低速下。另外，通过无差拍控制得到的空间电压矢量可以使开关频率相对于单一矢量大幅提高并且使之固定，这对于减少电压谐波和电机噪声是很有帮助的。

但是，空间电压矢量作用时间可能会大于采样周期，这说明不能同时满足磁链和转矩无差拍控制。因此作者提出了三个步骤，首先是否转矩满足无差拍，如果不满足再看是否磁链满足无差拍，如果还不满足就按照原有直接转矩控制矢量表来选取下一周期的单一电压矢量。因此按照Habetler的无差拍方法最大的计算量有四个步骤，这将耗费很大的计算资源，不易实现，另外在整个计算过程中对电机参数的依赖性比较大，这将降低控制的鲁棒性。转矩或磁链的预测控制方法

在T·G·Habetler的无差拍的直接转矩控制方法中，由于计算量很大而不易实现，因此出现了一系列的简化的无差拍直接转

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矩控制，比较典型的是转矩跟踪预测方法。在这种方法中，分析了低速转矩脉动的情况，得出转矩脉动锯齿不对称的结论。

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非零电压矢量和零电压矢量对转矩变化的作用是不同的，前者可以使转矩上升或下降，而后者总是使转矩下降。另外，在不同的速度范围内二者对转矩作用产生的变化率也在变化。在转矩预测控制方法中，电压矢量在空间的位置是固定不变的，合成在两个单一电压矢量的中间，但是电压矢量不是作用整个采样周期，而是有一定的占空比，在一个采样周期中可以分为非零电压矢量和零电压矢量。如果使下一采样周期非零电压矢量和零电压矢量共同作用产生的转矩变化等于本周期计算出来的转矩误差。

将消除转矩误差，达到转矩无差拍控制的目的。即使出现计算出来的电压矢量作用时间超出采样周期，也可以用满电压矢量来代替，因此是非常易于实现的，从实验结果来看，转矩脉动的锯齿基本上对称，说明转矩的脉动已经大为减少。上法认为磁链被准确控制或变化缓慢，而没有考虑磁链的无差拍控制，在文献中对磁链也进行了预测控制。预测控制

在这种方法中，通过磁链的空间矢量和电压矢量关系可近似得到：

其中ΔΨS是在电压矢量作用下的磁链幅值改变量，θVΨ是二者的空间角度。设

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制，所需的电机参数只有定子电阻和电感，对电机参数变化的鲁棒性比较好，从实验结果来看，系统的动态响应性能是比较好的。但是在这种方法中，需要检测电机的相电压，这增加的系统硬件的复杂性，另外，计算量也比较大。

基于几何图形的无差拍控制

在文献中，对定子磁链方程、转子磁链方程以及由定、转子磁链表达的转矩方程进行离散化，之后把前两个方程带入到转矩方程中去。通过离散的转矩方程分析可以知道施加电压矢量可以使转矩误差为零，转矩变化到平面上的一条直线上，这条直线与转子磁链矢量方向平行。采取同样的方法可以分析知道施加电压矢量可以使磁链误差为零，磁链变化到平面上的一个园上，这个园与与磁链园同心。于是利用直线和园的交点就可以得到使转矩和磁链无差拍控制的电压矢量，当然这个电压矢量受到逆变器所能输出的电压大小的限制。

把几何图形引入到无差拍的控制中来是一个比较好的思路，可以得到最优的无差拍控制的电压矢量，同时也有助于理论上的分析。但是就如何把图形方式和数字化控制结合起来从实现方式上来说还是存在有一定的难度。

离散空间矢量调制(DSVM)方法

无差拍的直接转矩控制从理论上可以最大化地消除转矩和磁链的的误差，克服了Bang-Bang控制不精确性的弱点，但是需要比较大的计算量，并且这些计算都是与电机参数有关，容易引起计算上的误差。因此在文献中提出了既不需要多少计算，又能提高转矩和磁链控制精度的离散空间矢量调制方法。

在离散空间矢量调制方法中，通过对两电平逆变器输出的六个基本电压矢量中的相邻电压矢量和零电压矢量进行有规律的合成，如图3是使用相邻的单一矢量2和单一矢量3以及零电压矢量合成出来的空间电压矢量。从图3中可以看出其合成方法是把整个采样周期平均分为3段，每一段由非零电压矢量或零电压矢量组成，如空间电压矢量23Z是由矢量2和矢量3以及零电压矢量各作用1/3采样周期，可以采用5段式或7段式方式合成(文中没说明)，利用这种有规律的合成方法一共可以合成出10个电压矢量。

细化的电压矢量可以对转矩和磁链进行更精确的控制，文献中对磁链使用了传统的2级滞环Bang-Bang控制，而考虑到转

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交流电机-韩国SPG小型电机感应电机系列

矩需要动态响应快，对其划分了5级滞环Bang-Bang控制，如图4所示，不同的误差带内使用不同的电压矢量表。另外，作者通过推导得到电压矢量对转矩变化的影响式子如下所示：

从式(10)中可以看出同一电压矢量在低速和高速对转矩变化的影响是不同的。因此，在不同的速度范围使用了不同的电压矢量，如图3所示。从另一方面看，低速使用幅值小的电压矢量以及高速使用幅值大的电压矢量也是符合V/f=C这一规律的。传统的直接转矩控制在低速时连续使用较多的零电压矢量使开关频率很低，转矩脉动大。而按照离散空间矢量调制的方法由于低速使用幅值小的电压矢量，因此连续使用的零电压矢量少，开关频率高，转矩脉动小。另外，由于高速时的电压矢量比较多，可以划分12个扇区，使用两个电压矢量表，这样可以进行更精确的控制。

从以上分析可以看出，离散的空间矢量调制方法易于实现，不需要有无差拍控制那样多的计算，保持了传统Bang-Bang控制的优点，因此鲁棒性好，但相对于传统的直接转矩控制又可以提高转矩和磁链控制精度，减小低速转矩脉动。但是控制精度越提高，矢量划分就越细，电压矢量控制表就越多越大，这将增加控制的复杂性。因此，如果能让离散的空间矢量调制与无差拍控制结合起来，将会有助于克服这个缺点。由PI调节器输出空间电压矢量的方法

在直接转矩控制中，如果能获得任意相位的空间电压矢量，将有助于减小低速下的转矩脉动，达到矢量控制在低速下的稳态性能。

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显然这个空间电压矢量在空间位置上的相位是任意的。从结构上看基于PI调节的直接转矩控制相似于定子磁链定向的矢量控制，但二者是有区别的，定子磁链定向的矢量控制基于同步旋转坐标系，定向于定子磁链d轴，q轴磁链为零，另外在d轴方向还要对磁链和和q轴方向上的电流进行解耦，而这些对于基于PI调节的直接转矩控制不需要，其中只需要使转矩输出和定子磁链反馈通过PI调节方法来跟随上给定即可，因此从实现上是比较简单的，同时鲁棒性也比较好，并且相对于传统的直接转矩控制可以提高开关频率，减小了低速下的转矩脉动，但是在这种方法当中需要选取合适的PI参数，否则会影响控制系统的动、静态性能。除了以上这种PI调节的直接转矩控制外，在文献中还在A·B·Plunkeet的直接转矩和磁链调节法的基础上做了进一步的研究，使用空间电压矢量的方式输出，此处不详细叙述。

注入高频抖动提高开关频率

在前面的各种直接转矩控制策略中都谈到提高低速下的开关频率可以降低转矩脉动，同时也可以降低噪声。在文献中，提出了一种在传统的直接转矩控制基础上注入高频抖动的方法提高开关频率，其中作者用图表的方式显示了开关频率随转矩和磁链滞环宽度的减小而提高，但是这种提高是有限的，一个最主要的原因是磁链和转矩控制上的延迟，滞后越大开关频率就越低。例如从仿真来看10μs延迟有14kHz的开关频率，但当有20μs的延迟时只有8kHz的开关频率。文献中提出的提高开关频率方法是在转矩和磁链滞环内叠加上高频的三角波，其幅值与滞环宽度相当。

当反馈值大于三角波时电压矢量减小，当反馈值小于三角波时电压矢量增大，因此，即使控制上有延迟，但随着三角波频率的增大，开关频率

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参考文献

[1] 国家机械工业委员会.电机原理[M].北京：机械工业出版社，1988.9 [2] 胡双,马志云.永磁无刷直流电机系统建模研究[J].电工技术杂志, 2003.8:17～21 [3] 西巴依洛夫，洛奥斯，刘锐乡.电机的数学摸拟[M].北京：机械工业出版社，1985 [4] 施佩特，许实章，陶醒世.电机：运行理论导论[M].北京：机械工业出版社，1983.3 [5] 李士勇.模糊控制·神经控制和智能控制论[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998.9 [6] 罗海福, 毛义梅.模糊PID控制器的设计与仿真[J].自动化与仪器仪表, 2001.3:3～6 [7] 陈梅,杨琳琳,许正荣.直流电机的模糊PID控制[J].自动化技术与应用,2008.2:14～15 [8] 何平，王鸿绪.模糊控制器的设计及应用[M].北京：科学出版社，1997.1 [9] 佟绍成，王涛，王艳平.模糊控制系统的设计及稳定性分析[M].北京：科学出版社，2004.4 [10] 汤兵勇，路林吉，王文杰.模糊控制理论与应用技术[M].北京：清华大学出版社，2002.9 [11] 王晓明.电动机的单片机控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.5 [12] 倪忠远.直流调速系统[M].北京：机械工业出版社，1996.9 [13] 俞静涛.直流调速传动：整流和调节技术的实际应用[M].北京：煤炭工业出版社，1980 [14] 拉希德，陈建业，杨德刚.电力电子技术手册[M].北京：机械工业出版社，2004.6 [15] 王少平，田庆安，昌现兰.PWM控制与驱动器使用指南及应用电路：单端控制与驱动器部分[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.6 [16] 张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2003.10 [17] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2002.1 [18] 李序葆，赵永健.电力电子器件及其应用[M].北京：机械工业出版社，1996.12 [19] 何希才，尤克.最新功率半导体器件应用技术[M].北京：机械工业出版社，1995.3 [20] 曲维本.光电耦合器的原理及其在电子线路中的应用[M].北京：国防工业出版社 [21] 叶盛祥.光电位移精密测量技术[M].乌鲁木齐：新疆人民卫生出版社，2003.6 [22] 谢宋和，甘勇.单片机模糊控制系统设计与应用实例[M].北京：电子工业出版社,1999 [23] 孙育才.ATMEL新型AT89S52系列单片机及其应用[M].北京：清华大学出版社，2005.1

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[24] 马忠梅.单片机的C语言应用程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1997 [25] 付家才，杨庆江，赵金宪.单片机控制工程实践技术[M].北京：化学工业出版社，2004.5 [26] 徐爱钧，彭秀华.Keil Cx51 V7.0单片机高级语言编程与μVision2应用实践[M].北京：电子工业出版社，2004 [27] 邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法[M].北京：清华大学出版社,2004 [28] Zadeh.L.A.，Ruan.D.，Huang,Chongfu.Fuzzy sets and fuzzy information．Granulation theory[M].北京：北京师范大学出版社，2000.5 [29] K.M.Passino，S.Yurkovich.Fuzzy Control[M].北京：清华大学出版社，2001.11 [30] Reston.Control system engineering[M].Virginia：Reston Publishing Company,1984 [31] Electro-Craft Corrporation.DC Motors Speed Controls Servo Systems：An Engineering Handbook [M].Oxford：Pergamon press，1977

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谢辞

本文是在李军红老师的悉心指导下完成的。在从大二以来的两年时间里，李老师给我提供了良好的实验条件和动手的机会，并在学习和生活上给予充分的指导和帮助，对我在学习生活中取得的成绩给予充分的肯定。在和李老师讨论问题的过程中，他严谨、求实的治学态度、对科学持之以恒的钻研精神和正直、宽厚的为人之道对我产生了非常深刻的影响。在此我向他表示最诚挚的敬意和深深的感谢。另外我在进行论文工作期间，得到了自动化教研室许多老师的指导，在此向同样他们表示诚挚的谢意。

感谢已毕业的师兄曾力对我的关心和帮助，他在多年来一直在教我如何面对学习和生活。同时感谢朱哲、雷波等同学在论文撰写过程中给予的关心与支持。没有他们的帮助要想完成此论文是不可能的。

最后感谢我的家人多年来对我的理解、支持与鼓励，并把此文献给他们。

曾广玺

2008年5月于南华大学

直流电机的单片机控制 第6篇

系统首先通过按键对电机的正、反向(即顺时针、逆时针)转动时间分别设置,设置的时间显示在LCD液晶显示器1602上,格式为第一行显示Forward(正转) 时:分:秒,第二行显示Backward(反转) 时:分:秒。采用倒计时方式。时间设定完成后,按下开始键,电机工作指示灯闪烁,正向转动时间开始倒计时,正向转动指示灯亮(红灯亮),同时电机正向转动;当正向转动时间倒计时到0,反向转动时间立即开始倒计时,正向转动指示灯熄灭,反向转动指示灯亮(绿灯亮),同时电机反向转动。当反向转动时间倒计时也到0时,系统自动恢复到初始设定的时间。按下停止键,正(反)转倒计时停止计时,直流电机停止工作,电机工作指示灯熄灭。

系统硬件结构如图1所示。

图1系统硬件结构

系统的控制芯片采用Atmel公司的AT89C51。6个按键分别连接到单片机的P2.0～P2.5口,作为按键控制信号的输入。按下K0键,系统进入时间设定模式,连续按下K0键可以依次选择时、分、秒进行设置,通过K1,K2键对时、分、秒进行加1或减1操作。按下K3键退出时间设定模式,K4,K5键分别为启动键和停止键。

P0.0～P0.7作为数据总线连接到LCD1602的数据线,需要外接上拉电阻。P1.0、P1.1、P1.2分别接1602的控制端RS、R/W、EN端。P1.3、P1.4、P1.5分别作为电机工作指示灯、正转指示灯、反转指示灯的控制信号输出。P1.6、P1.7分别是控制电机启/停、正/反向转动的控制信号输出。

系统的显示部分采用字符型液晶显示器LCD1602。它可以显示2行、每行显示16个ASCII字符。主控制驱动电路为HD44780 (HITACHI )。采用标准的接口特性适配M6800系列MPU操作时序和标准的16脚接口,工作电压为5V。

系统选用的直流电机为HY37JB363。由于单片机的I/O口提供的输出电流只有几mA,而直流电机的额定工作电流需要几百mA,所以在单片机与直流电机之间需加一个驱动电路,系统选用的是LMD18200芯片。

系统软件由主程序、数据处理子程序、定时器0中断服务子程序、按键处理子程序以及液晶显示子程序等组成。

主程序:完成系统的初始化、按键扫描、数据处理及显示程序。初始化完成之后,扫描按键,如有按键按下,调用相应的处理程序。K0被按下时,被选中的时间单位将会不断的闪烁,区别于其他没有被设置的时间单位,通过K1,K2键对时间进行夹1/减1改动,按下K3键退出时间设定。启动键被按下时,开启定时中断,LCD显示时间开始倒计时,P1.4口输出低电平,正向转动指示灯(红灯)亮,P1.7输出高电平,电机开始正向转动。在中断服务程序中控制P1.3口输出电平,使电机工作指示灯(黄灯)闪烁。停止键按下时,P1.6输出高电平,直流电机停止转动,P1.3～P1.5输出高电平,各状态指示灯熄灭,关闭定时中断,停止计数。正向转动时间倒计时到0时,反向转动立即开始倒计时,P1.7输出低电平,电机反向转动,P1.4输出高电平,P1.5输出低电平,正转指示灯熄灭,反转指示灯(绿灯)亮。反向转动时间倒计时也到0时,系统自动恢复到初始设定的时间。

数据处理子程序:将秒、分、时计数器的数据分别处理后送显示缓冲区。

定时器0中断服务子程序:完成计时功能。每定时50ms产生一次中断,利用软件对中断进行累加计数,当定时器产生20次中断后(即1S后),秒单元减1。同理,对分、时单元也分别处理。

按键处理子程序:完成按键的防抖动处理、判键及设置正反转时间的秒、分、时和控制直流电机启/停和正/反转。

液晶显示子程序:第一行显示格式为: Forward(正转) 时:分:秒。第二行显示格式为:Backward(反转) 时:分:秒。

直流电机控制系统 第7篇

关键词：直流电机,单片机,无级调速,变形

0 引言

直流电机具有良好的线性调速性能和动态特性,目前仍是多数调速控制电机的最佳选择,而采用PWM技术是直流电机调速控制的首选方案。本文提出了利用AT89C51单片机产生PWM信号,通过模拟信号调节PWM的占空比进而实现直流电机的无级调速。

1 直流电机PWM调速原理

直流电机转速表达式为

由表达式(1)可知直流电机的调速方法有三种:电枢回路串联电阻(R)的调速方法,调节励磁磁通(Φ)的励磁调速方法,调节电枢电压的电枢控制方法(U)。电枢回路串联电阻的调速方法特点是:机械特性变软,负载变化时转速波动大,静态稳定性差,调速范围不大,轻载时调速效果不明显,有级调速,调速平滑性差,调速时R上损耗大,效率低。励磁调速方法也称弱磁调速一般与降压调速配合使用以扩大调速范围。调节电枢电压的电枢控制方法也称降压调速因其具备负载变化时转速波动小,静态稳定性好,调速范围大,转速调节平滑,可实现无级调速,调速时能量损失小,效率高等优点而被广泛的应用到直流电机的调速控制中。

降压调速一般是通过脉冲宽度调制(PWM)技术实现的,也就是通过改变电枢电压接通时间与通电周期的比值即占空比来实现直流电机的调速。PWM信号波形图如图1所示,占空比则加在电枢两端的PWM电压信号的平均值由此可见PWM的占空比α决定输出到直流电机电枢电压的平均电压,进而决定了直流电机的转速。如果能够实现占空比的连续调节即可实现直流电机无级调速。

2 PWM信号的软件实现方法

基于单片机用软件产生PWM信号的方法是目前比较常用的方法。这里选择AT89C51单片机,其晶振频率为12MHz。利用定时器T0,T1的交替工作产生频率为50Hz的PWM信号以P1口的实时数据作为T0,T1定时器初值调整的参数。

PWM信号的频率是50Hz则其周期T=20ms,所以定时器T0,T1定时时间之和就等于20ms。定时器T0和T1采用工作方式1,用30H和31H单元分别存放定时器T0初值TL0和TH0,32H和33H单元用于存放定时器T1的初值TL1和TH1。

程序流程图如图2所示,其中P1口的实时数据来自于模数转换芯片ADC0808的输出端口。单片机的P2.0口负责输出占空比可连续调节的PWM信号,供直流电机的驱动和控制所用。

3 直流电机驱动及控制电路实现

本系统的直流电机采用集成电路L298芯片驱动。L298芯片内部包含4通道逻辑驱动电路,是一种二相和四相电机的专用驱动器,可驱动50V、2A以下的电机。L298芯片的引脚图如图4所示。IN1~IN4输入标准TTL逻辑电平信号,控制两个H桥的输出OUT1~OUT4。其中IN1和IN2对A桥的输出OUT1和OUT2进行控制,IN3和IN4对B桥的输出OUT3和OUT4进行控制。ENA和ENB分别为A桥和B桥的使能端(高电平有效)。SENSA和SENSB接电流检测电阻,以引出电流反馈信号,不需要反馈电流时,该引脚直接接地。VCC接逻辑控制的+5V电源,VS接电机驱动电源,最高可接50V电源。OUTl、OUT2或OUT3、OUT4之间接直流电机,则当相应的使能端接高电平,输入端IN1为PWM信号,IN2为低电平时,直流电机正转,反之,直流电机反转。若IN1与IN2相同,直流电机快速停止。逻辑控制电路用于完成对直流电机的启停及正反转控制。实质上是将单片机P2.0引脚输出的可连续调节占空比的PWM信号,按照直流电机正反转和启停要求加到IN1和IN2两个引脚上(本系统采用A桥控制直流电机)。

具体要求是,正反转控制开关闭合,启停控制开关闭合,则控制电路可将P2.0输出的PWM信号加到L298芯片的IN1引脚,而IN2引脚接低电平,直流电机正转运行。反之,直流电机反转运行。在直流电机运行期间可以实现正反转的转换,启停控制开关断开,使IN1和IN2引脚同时为低电平,电机快速停止。

采用组合逻辑电路实现上述控制要求,A表示PWM信号,B表示正反转控制开关,C表示启停控制开关。Y1表示IN1,Y2表示IN2。逻辑控制电路如图3所示。

4 无级调速系统构成与系统仿真测试

该系统由三个模块组成:单片机模块,AD转换模块,电机驱动及控制模块,利用Proteus软件绘制的系统仿真原理图如图4所示。AD转换模块完成将模拟电压量转换为数字量;单片机模块完成对前端AD转换模块输出数字量的实时采集(由P1口负责),并以此为调节参数,产生占空比连续变化的PWM信号并由P2.0口输出;电机驱动及控制模块主要是利用单片机模块产生的PWM信号完成对直流电机的驱动,并利用组合逻辑电路对直流电机驱动芯片L298进行控制,完成直流电机的启停和正反转控制。

利用Proteus软件进行仿真测试:加载单片机控制程序后启动仿真,启停控制开关和正反转控制开关闭合,直流电机开始正转运行。通过调节模数转换芯片ADC0808前端的滑动变阻器,使通道IN3的电压发生连续变化,进而实现直流电机速度的连续调节即无级调速。在正转过程中断开正反转控制开关可实现直流电机反转运行,任一时刻断开启停控制开关,直流电机都会停止运行。

5 结论

利用Proteus软件设计的直流电机无级调速系统,实现了直流电机的启停、正反转和无级调速控制。仿真结果表明该系统调速范围大,响应速度快,性能稳定。以往大多数的直流电机调速系统中单片机的任务很重,除了产生PWM信号以外,还要负责完成将PWM信号按照一定的控制要求加到电机驱动芯片上,进而实现电机的启停和正反转,这样就增加了单片机程序的复杂性。本系统中,单片机只需完成利用P1采集的实时数据产生占空比可调PWM信号并由P2.0输出。至于如何将PWM信号按照控制要求加到L298芯片上,是由时序逻辑控制电路负责完成,实现了软件控制与硬件控制的有机结合。

参考文献

[1]周润景,张丽娜.基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真[M].北京航天航空大学出版社,2006:1-100.

直流电机转速控制系统的设计与实现 第8篇

在电气应用广泛的今天, 电动机一直在我们的生活中扮演着重要的角色, 无论在工农业生产, 交通运输, 国防, 还是航空航天, 医疗卫生领域都有广泛的应用。近年来, 随着科技的进步, 直流电机得到了越来越广泛的应用。随着科技的发展, PWM调速成为电机调速的一种方式。通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压, 进而实现对电动机的调速。设计的整个控制系统, 在硬件结构上采用了大量的集成电路模块, 大大简化了硬件电路, 提高了系统的稳定性和可靠性, 使整个系统的性能得到提高。实现对电机正转、反转、加速、减速的控制。

2整体方案设计

2.1硬件的选型。2.1.1单片机的选择:采用STC12C5A60S2单片机, 它可以12时钟/机器周期和1时钟/机器周期可以任意选择。工作电压:5.5V~3.3V, 工作频率范围:0~40MHz, 相当于普通8051的0~200MHz, 实际工作频率可达48MHz;用户应用程序空间为8K字节;片上集成512字节RAM;拥有两路硬件PCA输出。2.1.3显示模块:根据设计要求本方案选择LCD1602液晶显示屏。LCD1602[1]液晶显示屏每行可以显示16个字符, 共有两行。其采用标准的14脚 (无背光) 或16脚 (带背光) 接口, 本方案选择16脚 (带背光) 接口。2.1.4光电编码器的选择:本设计中选择了16线的编码器, 就是直流电机每转动一圈, 可以发出16个脉冲, 会通过红外发射管和光敏三极管组成的电路, 可以发出16个脉冲。通过红外发射管一直发送光信号, 而另一边的光敏三极管就会感应到有没光信号, 而当码盘的缺口正处在红外发射管和光敏三极管的中间其电路, 可以输出非常稳定的方波。

2.2电路原理设计。2.2.1复位电路:复位电路[2]使MCU和系统中其他功能部件都处于一个确定的初始状态, 并从这个状态开始工作。本设计采用了两种复位电路, 一种是具有上电复位功能的电路, 是最常见的单片机复位电路。当系统接通电源后, RST端得到高电平, 电容C3充电, 它的电源是R1提供的, 随后完单片机的上电复位启动。还有一种就是一键电平复位功能的电路。因为外界可能干扰单片机的操作, 让单片机程序无法正常工作, 为了避免这种情况发生, 所以按下按键S1, 单片机接到复位操作。当按下S1键时, 电容两端导通电流, 电流流通到RST后, VCC变为高电平, 电容迅速放电, 使电容的两个极板电位一致, 电容C3充电。电阻R1是电源, RST端是低电平, 单片机复位完成。其电路原理图如图1所示。2.2.2显示电路设计:LCD1602字符型液晶显示屏, 能够同时显示32个字符, 并且具有功耗低、显示内容丰富、清晰、显示速度较快、界面友好等特点, 特别适用于单片机计算器的双行显示。液晶模块设计电路图如图2所示。2.2.3按键电路设计:按键采用3个独立的按键, 按键KEY1用于运行模式的切换, 分别是停止模式、正传模式、反转模式;按键KEY2, 用于直流电机加速;按键KEY3, 用于直流电机减速。当按键按下和地导通时, 即为有效。按键模块电路原理图如图3所示。

3软件设计

3.1主程序工作流程

当接通电源后, 从主程序开始运行, 当接通电源后, 从主程序开始运行, 按下K1, 直流电机正转, 再按一次电机反转, 然后按K2, 电机加速, 按K3, 电机反转。结束时按K1, 电机停止。初始化定时器计时时间为10毫秒, 在这10毫秒的时间内, 可以通过计步器来计算转速, 然后在LCD1602上显示。通过更改方波的占空比, 当占空比增加时, 转速加快, 反之, 转速减慢。见图4所示。

3.2转速计算子程序

定时器0作为计数器, 定时器1定时10毫秒, 当定时时间到10毫秒时, 当进入中断后, 首先得到定时器0的计数值 (Count) , 然后计算转速, 这是16线编码器在10毫秒的时间输出的脉冲个数, 将计数值除以16, 得到10毫秒的转的圈数, 再乘以600得到电机每分钟的转速。其程序流程图如图5所示。

结束语

本系统以STC12C5A60S2单片机为核心由单片机最小系统电路、编码器电路、直流电机驱动L298N电路、LCD1602显示电路、按键电路等构成。该监控系统具有自动化程度高、使用方便、安全性好、用户交互性高、适应性强等特点。

参考文献

[1]刘勇.数字电路[M].北京:电子工业出版社, 2004:20-90.

双余度无刷直流电机控制系统研究 第9篇

无刷直流电机是电力电子技术、传感器技术和永磁材料技术结合的产物,高性能永磁体的采用简化了电机结构,提高了电机的功率密度,电子换向线路取代机械换向线路提高了电机的可靠性和易维护程度,同时电机的转速升高不再受机械换向的影响[1]。是国内外公认的新一代航空、航天电机的重要发展方向,其驱动和控制技术的研究被广泛研究[2]。

余度技术是提高系统可靠性和安全性的一种手段,在故障出现时仍能完成系统任务[3]。这在航空航天、井下矿用等工作环境中,不能或者很难维修的情况下,双余度无刷直流电机对于提高工作的可靠性就起到很大的作用[4]。

本文依据双余度无刷直流电机的特点,设计了一种双余度无刷直流电机的控制系统。该系统有效的解决了两套余度同时工作的问题,测试结果表明,该系统具有良好的控制性能和动态性能。

2、控制系统结构

控制器的核心为DSP芯片,它完成霍尔信号边沿跳变的捕获,换向逻辑的计算,功率管脉宽调制信号的输出,电压电流传感器输出模拟信号的AD转换。上位机与主控芯片DSP之间通过RS232总线进行通信,实现系统的监测和控制指令的传输。系统结构框图如图1所示。

3、系统硬件设计

3.1 主控芯片

本控制系统的核心部件是DSP TMS320F28335,具有高性能外设的32位浮点型微处理器。它集成了浮点单元简化了开发过程并将控制应用的速度平均提高50%。28335是目前广泛使用的2812的换代产品[5]。

3.2 系统电源设计

系统要求一路270V直流供电,需要对控制系统各部分进行电源转换。除3.3V转1.9V的电源芯片外,其它芯片都为DC/DC模块。270V转24V电路原理图如图2所示。

3.3 DSP电源和时钟

图3为DSP电源电路原理图。

电源包括内核电源、IO引脚电源和FLASH电源。采用TPS76801Q将3.3V转换成1.9V。外部晶振产生30M的时钟,接入外部时钟输入引脚XCLKIN。引脚X1接地。

3.4 I/O电路

输入信号包括按钮开关、霍尔信号,输出信号为PWM和故障指示信号。IO电路如图4所示。

S1、S2、S3为开关信号,分别控制A余度启停、B余度启停和正反转信号。为复位信号。输出PWM1~PWM6控制电机A余度,PWM7~PWM12控制电机B余度。ECAP1~ECAP3为A余度霍尔位置信号,ECAP4~ECAP6为B余度霍尔位置信号。D1~D7为系统指示灯,可用于指示系统的运行情况。

3.5 驱动电路

驱动电路采用三相桥专用的集成驱动芯片IR2130。门极驱动供电压为10~20V。A余度的驱动电路的原理图如图5所示。

3.6 电流检测电路

为了能够使用电流分析法进行电机故障识别,需要设计高精度的电流检测电路电流检测电路如图6所示,分别为相电流检测和线电流检测电路。

3.7 A/D转换电路

DSP的AD模块为12位,可以对模拟信号快速进行多路AD转换。进行AD转换的信号有模拟的转速给定信号,母线电压信号和线电流、相电流信号。AD转换的原理图如图7所示。

4、系统软件设计

主程序声明和初始化系统变量,声明中断服务程序和需要调用的子函数。主程序程序流程图如图8所示。

声明变量和函数,并将中断服务程序与中断向量表联系,使能中断,初始化外设模块。系统初始化完成后,主程序查询标志位的改变,执行相应的操作。标志位的改变通过按键输入、SCI接收数据以及程序自身的运行实现。

5、实验结果

对由TMS320F28335 DSP芯片构成的双余度无刷直流电动机控制系统进行了试验,试验对象为一台双余度无刷直流电动机,额定转速2000 r/min,额定电压270V,4对极。

其空载双余度开环电流如图9所示。

在带0.4N/m的负载时,其电流波形如图10所示。

两个余度的空载和负载电流波形显示,两余度的电流形状和幅值一致性好。

6、结论

采用TMS320F28335 DSP芯片设计了双余度永磁无刷直流电动机控制系统,该系统控制电路结构简单,易于调试和工程实现。实验证明该系统实时性好,响应快,具有良好的控制性能及动态特性。同时该系统还具有体积小、重量轻,可靠性高等优点,非常适合于防爆、防腐、航空、航天等可靠性要求高的特殊场合。

摘要：在复杂工况条件下,由于维修不便,对无刷直流电机的可靠性要求较高。双余度无刷直流电机则能较好的解决此问题。本文设计了基于DSP的双余度无刷直流电动机驱动控制系统,详细介绍了系统DSP控制器的硬件电路设计,实现对电动机的位置、速度和电流的检测,给出了系统软件设计方案及控制策略,从而实现对整个系统的控制。结果表明,该控制系统,硬件电路结构简单,系统实时性好,响应快,具有良好的控制性能及动态特性。

关键词：双余度,无刷直流电机,控制系统,DSP

参考文献

[1]Lawler J S,Bailey J M,McKeever J W,et al.Extending theconstant power speed range of the brushless DC motor throughdual-mode inverter control[J].Power Electronics,IEEE Trans-actions on,2004,19(3):783-793.

[2]夏长亮.无刷直流电机控制系统[M].北京市:科学出版社,2009.

[3]董慧芬,周元钧,沈颂华.双通道无刷直流电动机容错动态性能分析[J].中国电机工程学报,2007(21):89-94.

[4]Byoung-Gun P,Kui-Jun L,Rae-Young K,et al.Simple FaultDiagnosis Based on Operating Characteristic of Brushless Di-rect-Current Motor Drives[J].Industrial Electronics,IEEE Trans-actions on,2011,58(5):1586-1593.

基于单片机的直流电机控制系统研究 第10篇

1、系统整体方案

本系统由一块SPCE061A精简开发板 (61板) 和一块电机控制模组构成, SPCE061A单片机作为主控芯片, 通过I/O端口来控制SPGT62C19B电机驱动芯片, 结合电机控制模组构成系统, 从而实现对直流电机的控制, 系统框图如图1所示。本次设计所用的电机是普通的直流电机, 这种电机有两根引线, 在引线上加上足够的电压电流就可以转动, 更换电压极性就可改变转向。直流电机采用SPGT62C19B芯片驱动, 驱动电压5-12V, 电机转速调节范围30-60转/秒, 步进值≤2转/秒;电机模组上的光栅转盘和红外对管将直流电机的转动信息反馈给单片机, 单片机针对测得的实际转速来调节SPGT62C19B的控制状态, 从而使转速趋近预设置。同时, 电机转速可由4位数码管显示出来。61板的三个按键用来对直流电机的转动方向和转速等进行设定。

2、系统软件设计

系统软件由初始化设置、中断服务程序、子程序、电机方向和速度输出程序等部分组成, 主控程序实现其各个功能模块的调用。主要包含下列模块:按键扫描:扫描1×3键盘, 获取键值, 包括Key.asm程序文件和Key.inc、Key.h头文件;数码管显示:LED数码管显示驱动程序, 该模块包括DIG.asm程序文件, 以及DIG.inc和DIG.h头文件;直流电机控制:该模块通过控制SPGT62C19B芯片, 实现直流电机的转动控制以及转速检测。上述功能模块组成两层单向调用结构, 各模块之间的调用关系如图2所示。

主控程序负责控制整个系统的工作流程, 判断按键值、控制数码管显示, 以及控制电机转动等。主程序由初始化设置、中断服务程序、子程序、电机方向和速度输出程序等部分组成, 在系统初始化 (初始化时钟、中断、变量等) 之后, 显示默认的电机转速设定值, 并等待按键输入。通过三个按键来操作其程序的运行, 当有键按下后, 调用对应的子程序, 完成特定的功能, 其流程如图3所示。

3、系统整体测试

系统操作方法比较简单, 主要通过61板上的三个按键完成, 整体操作过程如表1所示。

通过表1中操作步骤可对系统功能进行总体测试, 实际测试结果表明:该系统完全能够完成预期设计功能。

4、结语

本文以凌阳16位单片机SPCE061A作为直流电机控制系统的控制中心, 结合SPCE061A板、电机控制模组以及电源等模块单元, 实现了普通直流电机的转速测量和转速功能, 包括正转、反转及测速等功能。

参考文献

[1]罗亚非.凌阳十六位单片机应用基础.北京:北京航空航天大学出版社, 2003.

[2]凌阳科技.凌阳16位单片机开发实例.北京:北京航空航天大学出版社, 2006.

[3]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程.北京:电子工业出版社, 2005.

直流电机控制系统 第11篇

LQR最优设计是指设计出的状态反馈控制器要使二次型目标函数最小化，故具备良好的综合性能优势，即利用廉价成本可以使原系统达到较好的性能指标（事实也可以对不稳定的系统进行整定）。此外，Matlab的应用为LQR理论仿真提供了条件，更为我们实现稳、准、快的控制目标提供了方便。正是因为LQR这些优良的控制特性和品质，因此本文将其引入到直流电机的角位置控制器的设计中。

本文其余部分的安排如下。第二部分，对直流电机进行数学建模，并进一步建立可面向角位置控制的状态空间模型。第三部分，针对所建立的状态空间模型，基于LQR最优控制理论，设计电机的角位置跟踪控制器。第四部分，通过计算机仿真验证本文方案相比传统PID控制方案的性能优势。此外，相关结论和未来工作的展望将在第五部分中给出。

二、问题描述

首先，下面给出典型直流电机的接线原理图。

图3 两种控制方案下的性能指标J曲线

由上图可以看出，相比传统PID控制方案，本文控制方案下性能指标函数的稳态值更小，即保证了用较小的能量消耗实现较小的位置跟踪误差。至此，关于本文控制方案的仿真验证完毕。

五、结论

直流电机控制系统 第12篇

无刷直流电机 ( Brushless Direct Current Motor, BLDCM) 是伴随永磁材料、微控制器、电力电子等技术迅速发展起来的一种新型电动机[1]。无刷直流电机将永久磁钢安装在转子上, 无励磁损耗;同时将发热的电枢绕组安装在定子上, 散热容易, 它不但保持了传统直流电机优良的调速性能, 还具有交流电机运行可靠、维护方便等一系列优点, 同时无换相火花和励磁损耗。 正是具有这些优点, 无刷直流电动机在家用电器、音像设备、汽车、医疗设备、电动车以及机器人等领域有着广泛的应用。

在实际应用中, 电机已由过去简单的起停控制、提供动力为目的, 上升到对速度、位置、转矩等进行精确的控制。电机控制器也经历了从模拟控制器到数字控制器的发展过程, 数字控制器具有可靠性高、参数调整方便、控制精度高等优点, 其中基于现场可编程门阵列 ( FPGA) 的数字电子系统对电机进行控制, 为实现电机数字控制提供了一种新的解决方案[2]。

1 控制系统硬件设计

直流电机伺服控制系统主要由FPGA及其外围电路、隔离电路、过流保护电路、数据采集电路等组成。 其硬件结构框图如图1 所示。

本设计所采用的可编程逻辑芯片为Altera公司Cyclone II系列的EP3CLS200 芯片[3], 该器件具有200K逻辑单元、8Mb嵌入式存储器和891 个嵌入式乘法器, 广泛应用于汽车、无线、消费等领域, 是高性能处理、低功耗的理想选择。 为了使FPGA芯片能够稳定运行, 在其核心电路中, 加入了电源电路、复位电路、配置电路和存储电路。

1.1 数据采集电路

数据采集电路主要由3 个A/D转换器组成, 利用FPGA控制这3路同时采样, 分别采集指令信号、反馈信号和电流信号。 具体如下:

( 1) 采集指令信号。 AD1 选用芯片型号为AD1674, 这是一款12位A/D转换器[4], 高达10us的采样率, 内部包含了采样保持放大器、高精度10V参考电压源、时钟振荡器和三态输出缓冲等。 上位机给定信号送到数据采集电路, 与位置检测传感器输出信号比较得到位置误差信号及其变化率, 构成电机伺服控制的速度环。

( 2) 采集位置反馈信号。 AD2 与AD1 采用相同型号的芯片, 位置检测传感器采用精密电阻器, 精度为0.1%, 构成电机伺服控制的位置环。

( 3) 采集电流信号。 AD3 选用ADC0809 芯片[5], 支持单+5V供电, 分辨率为8Bit, 电流传感器采用CHB-25NP, 响应时间小于1us, 额定输入电流25A, 输出电流25m A, 采集电机电枢电流, 构成系统的电流环。

1.2 隔离及驱动电路

设置隔离电路可以避免后端电机对前端控制电路的干扰, 本系统采用高速光耦6N137 进行隔离, 解决PWM波上升沿失真的问题。

采用双级可逆受限PWM波控制两组NMOS电路驱动直流电机, 分别驱动直流电机正转和反转, 同时通过设置适当死区, 避免MOS管同时导通而导致过电流的发生。

2 控制系统软件设计

2.1 软件整体结构设计

图2控制软件整体结构图

直流电机伺服控制系统软件设计主要由A/D控制模块、反馈控制模块、PWM波控制模块等组成, 主要流程如图2 所示。 本设计采用Verlog HDL语言描述整个模块功能, 该语言允许设计者进行各级别的逻辑设计, 进行数字逻辑系统的仿真验证、时序分析、逻辑综合。

控制系统主程序由FPGA控制3 个A/D芯片实现同步采样, 位置环作为系统的主控制环, 实现位置跟踪;速度环抑制速度波动, 增强系统抗负载扰动的能力;电流环限制大电流, 保护电机。 三环联合工作, 保证了系统拥有良好的静态精度和动态特性。

2.2 反馈控制模块软件设计

反馈控制模块所完成的功能为对AD输出的信号进行处理, 若反馈量大于指令量, 运行比例运算;否则电机全素运转, 核心代码如下:

2.3 PWM波生成模块软件设计

本设计由FPGA产生一路PWM波作为控制信号, 通过硬件电路产生两组PWM波信号, 可以提高电路的可靠性, 其Verlog HDL主要代码如下:

由此代码生成的一路PWM波频率为20k Hz, 占空比为0%~100%, 后续的硬件电路根据这路PWM生成4 路带死区的PWM波。

3 结论

经过实验测试, 基于FPGA的直流电机伺服控制系统, 响应时间短, 算法执行速度快, 充分发挥了FPGA并行处理、运算速度快的特长。 长期实验表明, 此控制系统没有发生死机、复位等情况, 并且有很强的抗干扰能力, 电机速度调节精度高, 动态范围广, 在电机控制领域有着很好的发展前景。

摘要：为了提高直流电机伺服控制系统的静态调节精度和动态范围, 以FPGA为核心开发了电机控制系统, 设计了数据采集电路和隔离驱动电路, 控制策略采用速度、位置、电流三环控制, 并用Verlog HDL语言实现了控制算法。此方案增强了电机负载能力和响应特性, 在电机控制领域有着广阔的应用前景。

关键词：直流电机,FPGA,Verlog HDL

参考文献

[1]夏长亮.无刷直流电机控制系统[M].北京:科学出版社, 2009:4-8.

[2]张红霞.国内外工业机器人发展现状与趋势研究[J].电子世界, 2013, 12:5-5.

[3]Cyclone III Device Handbook[M].http:www.altera.com, 2012:15-16.

[4]黄伟, 严利人, 周卫.高性能及新颖性A/D转换器技术综述[J].微电子学, 2008, 38 (6) :805-810.