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1、 中图分类号：密级：看到顶上显示的那个横杠了吗，那是表格下的一根线，因为对WORD2007不熟，所以要麻烦你帮忙给弄掉，谢谢，请注意千万不要影响到其他地方UDC：本校编号：硕 士 学 位 论 文论文题目：基于DSP无刷直流电机控制系统的设计与仿真研究生：学号：学校指导教师：职称：申请学位等级：专业：论文提交日期： 论文答辩日期：独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含获得 交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已
2、在论文中作了明确的说明并表示了意。学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解 交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权 交通大学可以将学位论文的全部或部分容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名： 导师签名：签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 硕 士 学 位 论 文基于DSP无刷直流电机控制系统的设计与仿真BLDC Motor Control System Designand Simulati
3、on Based on DSP作 者 姓 名：学科、专业 ：学 号 ：指 导 教 师：完 成 日 期：兰 州 交 通 大 学Lanzhou Jiaotong University57 / 69摘 要无刷直流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等诸多优点，使其在当今众多高新尖科技领域中获得了良好的应用前景。本文主要研究以下几个方面：如何实现无刷直流电机控制系统平稳起动，如何基于微控芯片DSP进行无刷直流电机硬件控制系统设计以与无刷直流电机仿真技术的研究与实现。本文对永磁无刷直流电机的基本结构、工作原理、数学模型等进行深入分析，并对目前无刷直流电机常用的控制方法进行比较和分析，确定了以脉宽调制（PW
4、M）技术方法为控制无刷直流电机控制原理；根据控制系统的控制性能要求与无刷直流电机的特点确立以TMS320F2812控制芯片作为整个硬件系统的控制核心，利用TMS320F2812芯片产生的PWM波实现对无刷直流电动机的控制，使控制系统具有良好的调速性能、实现快速起动、系统稳定且具有较宽的调速围等优点。不但简化了控制系统的外围设备、有效地降低了系统的功耗，而且提高了系统的准确性和实时性，获得了更好的控制效果，具有广泛的应用围。然后，本文根据该设计方案完成了整个控制系统的硬件和软件设计工作。文中详细阐述了TMS320F2812的最小系统与其外围电路等多个电路的设计，并以CCS 3.3(Code Co
5、mposer Studio 3.3)为软件调试平台，从无刷直流电机控制思想出发，采用模块化编程，分别对系统的主程序、子程序以与控制算法进行了设计与说明。在进行无刷直流电机控制系统仿真技术研究中，详细阐述了模糊控制算法与模糊推理过程、模糊-PID控制器的设计步骤与使用对象；针对无刷直流电机多变量、时变性、非线性以与强耦合特性等，为了提高无刷直流电机的控制性能，提出了基于模糊自适应PID控制方案与基于微粒群优化算法(PSO)的自适应模糊PID控制方案两种设计方面。同时，详细介绍了基于群体智能的优化算法，该算法具有算法简洁、易于实现等优点，能够在实现复杂的解空间中寻找最优解优点。文中对如何将PSO算
6、法实现于模糊控制器的优化设计进行原理阐述，使控制系统能够在线自动调整模糊控制器的量化因子、和比例因子，进而调整PID的三个参数称、较好地实现系统快速、无超调的动态性能。在MATLAB/SIMULINK环境下采用模块建立无刷直流电机功能模块，主要由无刷电机模块、PWM波调节模块、PSO算法S函数编写、模糊PID控制模块等部分组成；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。仿真结果证明了基于PSO参数自整定模糊-PID控制的有效性，同时验证了该方法具有响应速度更快、超调更小、稳定性与跟踪性能强的特点，明显优于传统的PID控制和自适应模糊PID控制算法。这样既验证了控制算法理论的合
7、理性，又节约了成本，缩短了产品的开发周期，为无刷直流电机控制的设计开发提供了较好的方法。关键词：模糊PID控制器；DSP控制系统设计；PSO算法；无刷直流电机论文类型：应用研究AbstractBrushless DC motor does not only have simple structure，reliable operation，easy maintenance advantages，but also is same as DC motor has high efficiency，no excitation loss and speed performance advantages，h
8、as good application prospects in the field of science and technology. This article studies the following aspects：how to implement a brushless DC motor control system smooth start，how to design brushless DC motor control system of hardware based on microcontroller chip DSP and implement simulation te
9、chnology of brushless DC motor.First，learning the permanent magnet brushless DC motors basic structure，working principle，mathematical modeling and so on，and analyzing the current control methods of brushless DC motor commonly used. Also to determine the pulse-width modulation (PWM) methods for the c
10、ontrol of brushless DC motor control theory. According to the control performance requirements and the characteristics of brushless DC motor，control-chip TMS320F2812 is selected as the entire hardware system control center. TMS320F2812 chip provides PWM wave to control the brushless DC motor. So the
11、 system has many advantages， such as good speed performance，starting fast and stable，wide speed ranges. Its not only simplifies the system peripherals，reducing system power consumption， but also improve the systems accuracy and timeliness，get better control effect，expand the range of applications. A
12、nd complete the entire control system hardware and software design.Elaborate on TMS320F2812 minimum system and its peripheral circuit design. Select CCS 3.3 (Code Composer Studio 3.3) as software debugging platform. Use modular programming to control brushless DC motor. Design and instruct the main
13、program of the system，subroutines and control algorithm respectively. Describe the process of fuzzy inference of fuzzy control algorithm in detail in the brushless DC motor control system simulation technology，fuzzy PID controller design procedure and the use of objects. Brushless DC machines have t
14、he characteristics of multiple variables，time-varying， nonlinear，strong coupling. Propose two kinds of scheme to improve the performance of brushless DC motor control. One is based on fuzzy adaptive PID control，and the other is based on particle swarm optimization (PSO) of the adaptive fuzzy PID con
15、trol.Elaborate on swarm intelligence optimization algorithm，the algorithm is simple and easy to implement，in the realization of complex solution space to find the optimal solution benefits. Expound the principles of using PSO algorithm to optimize the fuzzy controller design. The control system can
16、automatically adjust the fuzzy controller online quantization factor 、and scale Factor . Then adjust the three parameters(、) of PID to achieve better system quickly and dynamic performance without overshoot. Build brushless DC motor function modules by module in MATLAB/SIMULINK environment. There ar
17、e mainly brushless DC motor module, PWM wave adjustment module，writing S function of PSO algorithm，fuzzy PID control module and other components. Link functional modules to build a brushless DC motor system simulation model. Simulation results prove the effectiveness of the PSO-based parameter self-
18、tuning fuzzy PID control，and verify the method is better than traditional PID control and adaptive fuzzy PID the former control algorithm. Also the new method has advantages，such as faster response，smaller overshoot，stability and strong tracking performance. This will not only verify the reasonablen
19、ess of the theory of the control algorithm，also can shorten the development cycle and save cost. Provide a good development methodology for the development of brushless DC motor control algorithms.Key Words：Brushless DC motor, Fuzzy PID controller, SP control system design, PSO algorithm目 录摘要IAbstra
20、ctIII1绪论11.1 论文的背景与意义81.1.1课题研究的背景81.1.2电机的发展与其意义81.1.3 MATLAB仿真的意义21.2 国外研究现状与分析21.3论文研究所做的主要工作42 永磁无刷直流电机工作过程分析52.1 永磁无刷直流电机的基本结构52.2 永磁无刷直流电机的工作原理62.3 永磁无刷直流电机数学模型的确定82.4 永磁无刷直流电机控制方案选择与确定112.4.1 调速系统的分类112.4.2 控制算法的确定122.4.3 主要控制模块的比较选择122.5小结133 基于DSP的直流电机系统控制方案设计143.1 控制系统总体结构143.1.1 硬件总体构成153
21、.1.2 软件总体构成153.2 转子位置检测方案的选择163.3 起动方法的选择173.4 PDM调制方法的选择183.4.1 相电压控制PWM183.4.2 硬件调制法193.4.3 软件生成法193.4.4 梯形波与三角波比较法193.5小结194 无刷直流电机控制系统的硬件与软件设计204.1 概述204.2 基于DSP无刷直流控制系统总体硬件框图204.3 TMS320F2812 DSP最小系统与其外设电路的设计214.3.1 TMS320F2812简介214.3.2 DSP最小系统级外围电路设计244.4 驱动电路的设计284.4.1 驱动芯片简介284.4.2 基于IR2130芯
22、片驱动电路的设计284.5 显示电路的设计294.6 控制系统软件设计304.6.1 系统软件总体结构图设计304.6.2 主程序设计314.7 控制系统各子系统设计324.7.1 AD采样程序设计324.7.2 定时器中断程序设计334.7.3 更新比较值或换相子程序344.7.4 基于TMS320F2812 DSP控制电机算法的实现344.8 小结355 无刷直流电机的控制系统建模与仿真365.1 无刷直流电机控制系统的仿真模型365.2常规的模糊PID控制系统365.2.1模糊控制系统的组成375.2.2模糊PID控制器的结构设计375.3基于自适应模糊算法的PID控制器设计385.4
23、运用微粒群算法实现自适应模糊HD控制器的优化395.4.1微粒群优化算法概述395.4.2基本微粒群算法405.4.3改进的微粒群优化算法405.4.4基于惯性权重和分段时变学习因子的PSO算法405.5基于粒子群算法的模糊控制方法优化分析425.5.1微粒群算法对模糊隶属度函数优化分析425.5.2微粒群算法对模糊控制规则优化435.6微粒群算法优化的自适应模糊PID控制器仿真445.6.1程序描述445.6.2隶属度函数的确定455.7微粒群算法对模糊PID优化的设计495.7.1微粒群算法对模糊控制器参数自调整的实现505.7.2 MATLAB仿真结果分析535.8小结56结论57致58
24、参考文献59附录系统硬件电路图621绪论1.1 论文的背景与意义1.1.1课题研究的背景直流电机是一种把电能转换成机械能的装置，已广泛用于国民经济和人们的生活中。尽管直流电机具有工作效率高、调速性能好等诸多优点，但在实际应用中，它的很多的缺陷也是不容忽视的。导致这种结果的原因是多方面的，但主要的原因还是因为电刷的存在。这种机械换向的结构会给系统带来很多不利的影响，如换向时摩擦产生的电火花、外界电磁干扰等，这种装置还导致电机在保养和维修方面的不便和较高的费用。这些不利因素极制约了通用型直流电机在实际生产实践中的推广与应用。随着电力电子技术的发展以与新型电机材料的开发应用，永磁无刷直流电机得到了空
25、前的发展。在这些研究成果中，对电机的发展带来革命性突破的是用钕铁硼等永磁材料来代替外加励磁、用半导体器件代替电机电刷 1。电机的转子是用永磁体制作而成，它为无刷直流电机提供主磁场，而电枢绕组在定子上的安装方式有很多的形式可供选择。控制电路在电机控制系统中扮演着指挥官的角色，本文设计的直流电机控制系统采用电子开关电路作为电机的驱动电路，控制系统把传感器反馈的信号与指令信号进行逻辑综合，把处理后的指令发给驱动器，进而激励电机转子转动起来。1.1.2电机的发展与其意义在十九世纪中期，直流电动机逐渐替代其它类型的电机在工业生产中得到运用。在接下来的较长时间里，直流电机凭借着调速性能好、控制简单、体积小
26、、性价比高等优点在工业领域得到重视与发展3。按照时间顺序，可以把直流电机的发展分为四个阶段：第一个阶段：理论阶段。1917年，Boligen等人尝试用整流管代替普通电机的电刷，这样做的目的是为了实现对电机的无刷控制。但由于当时大功率电子器件还不成熟，使得这种无刷控制技术只能停留在理论阶段。第二个阶段：诞生阶段。1955年，无刷直流电机技术的瓶颈终于被攻克，设计者D.Harrison等科学家依托晶体管电子开关技术的发展和不断成熟，使得无刷控制在电机控制中得以实现。但那时，受到启动转矩问题的制约，使得无刷电机无法产品化。第三个阶段：应用阶段。从1978年起，无刷直流电机逐渐运用到工业生产中，这种实
27、质性的发展也是依赖于电子技术、永磁材料等以与电机相关领域技术的发展而得以实现的，使得无刷直流电机更具实用性。第四个阶段：智能化发展阶段。低成本、高频化、高智能、微型化、大容量是这个时期电子产品的显著特点；在这个时期，永磁材料（钕铁硼）的性能也得到了很大程度的优化 2，在这个背景下，BLDCM的应用和发展也朝着大功率和微型化的方向迈进。1.1.3 MATLAB仿真的意义信息科学技术发展迅速，用于研发、测试的仪器更新速度不断加快，随着技术含量的提高，价格也越来越贵。但并不是所从事研究与开发的工程技术人员都有与研究领域相适应的进程相应的仪器设备。计算机可以用于大部分电子工程2。采用计算机仿真的这种方
28、法的优势在于它可用虚拟的仪器来代替仪器设备。仿真时只要在计算机与其相应软件的协助下，操作人员只要通过特定的培训就可以完成对产品模型的仿真与验证。而MATLAB仿真软件就是最为人们所熟知、应用最广泛的仿真软件之一。MATLAB仿真主要有以下几个优点：(1)研究方法已经有专门的设计人员事先调试好，仿真时只要选择合适的构建方法就能达到理想的仿真效果，具有简单、快捷、多样、方便多样等优点。仿真过程中只要把需要验证的控制系统的数学模型放在MATLAB仿真器进行研究就可以，而不必考虑其他复杂的因素，因此与实际物理系统相比要简单的多。其方便快捷性主要体现在：仿真研究可以在实验室进行，也可以在提供一定环境的其
29、他场合进行所以很方便2。而其多样性则体现在：仿真器的参数可以根据仿真的结果进行一定围的调整以便运用仿真器找到合适的系统的设定参数。(2)与实际物理系统相比，实验室MATLAB研究和仿真低成本是显而易见的。这主要是由于仿真研究的对象是控制系统虚拟的数学模型，而模型与实际的物理系统所需要的费用是截然不同的。(3)实验结果分析。仿真研究的优势在于，能够为实际系统的设计提供大量、充分、更利于观察的曲线与图标等依据，达到这样的效果也与前两者有着千丝万缕的联系。1.2 国外研究现状与分析永磁无刷直流电机之所以比传统的直流电机更具竞争力，是因为永磁无刷直流电机在保留了传统直流电机的诸多优点的同时，还随着其应
30、用领域的不断扩展，使得我们不得不重新认识无刷电机的定义。无刷直流电机已经从单指电子换相直流电机，拓展到指具有刷直流电机外部特性的电子换相电机。借着永磁材料、电子技术、自动控制理论以与电力电子技术不断进步的东风，特别是高频、大功率开关器件的快速发展，永磁无刷直流电机与其控制技术也得到了较大的发展。目前，对于线性系统的研究已经形成了完备的理论体系，这些理论和方法很多都已运用在永磁无刷直流电机的设计与研发中，对永磁无刷直流电机控制技术的发展是不可替代的57。但永磁无刷直流电机是由很多种元器件构成的集合体，而在其中很多元器件是非线性的，这就必然导致永磁无刷直流电机是一个多变量、非线性系统。为了研究方便
31、，我们把永磁无刷直流电机看作线性系统来研究，是在一定理想条件下对电机系统的近似描述。而在对永磁无刷直流电机控制系统的精度和性能要求不高的场合，可以把电机的系统近似地看成线性系统，或者局部线性化，根据实践经验这样也可以满足对控制的要求3。现在，在众多的电机控制策略中，经典的PID控制以其算法简单紧凑、运行可靠、控制器可以由模拟电路实现等优点得到了广泛的应用。当然现代控制理论，如最优控制、自适应控制策略等在电机控制中的应用，也对电机的运行性能的改善与提高起到了不可替代的作用。虽然，无刷直流电机控制的技术经过了多年的发展，其控制技术与控制方法也已经相当的成熟，但随着人们需求的多样性与高精度、高可靠性
32、的依赖性，使得无刷直流电机的发展受到严峻的考验。最大的挑战则是无刷直流电机很多的元器件都不是线性的，导致其本质的非线性，而我们在做控制系统时往往把电机看成是线性系统，这样必然会导致电机大围运动时，相应的系统误差也会增大。近年来，对永磁无刷直流电机控制技术的研究已由原来的线性系统的研究方向向非线性控制理论的研究方向发展，而且受重视的程度逐年提高。与此同时，数字信号处理器和可编程逻辑器件技术的飞速发展，推动了无刷直流电机控制领域的进一步发展，为实现电机的非线性控制提供硬件基础。由于电机是一个复杂的机电系统，导致其具有许多不稳定因素。在这些因素中，转矩脉动对电机的动态稳定性影响相对较大，从一定程度上
33、阻碍了伺服电机控制方面的发展。尤其是大惯性系统，控制或消除转矩脉动变得十分关键，这也是伺服控制系统设计者所关注的重要问题之一。近年来，国外的研究人员对转矩脉动问题做了全面的分析研究。根据研究结果并结合实践经验，针对不同脉动产生的原因，研究人员提出了抑制或削弱转矩脉动的策略6，从而为一定程度上提高永磁无刷直流电机控制性能带来了可能。但是，这些研究仅仅是在原有的结构、方案上做出修改，并没有从本质上，即从原理上消除转矩脉动。因此，要想进一步提高电机的动态特性，还应该针对这个问题做更加深入细致的研究与分析。在无刷直流电机控制传感器的选择上，一般采用光电码盘、旋转变压器等测速器件作为反馈装置来实现转速和
34、位置的控制闭环。一般情况下，采用传统的PID控制方法提高转速和位置控制的精度都能够满足控制的要求；而对于那些要求精度较高和动态性能较好的场合则需要考虑采用现代控制方法来实现。在控制策略中，转速锁相环控制也是提高电机转速控制高精度的有效方法之一。但之所以其应用受到了一定限制，就是因为其动态响应、抗干扰能力相对较差。特别是在大转动惯量永磁无刷直流电机的锁相环控制系统中，由于其快捕带较窄，导致系统对扰动和噪声极其敏感，容易引起失锁和误锁定，而造成这种后果的主要因素是锁相环鉴相器的非线性鉴相特性。近年来，锁相环控制方法的优化工作也是研究的热点之一。很多研究学者用非线性控制方法对锁相环进行优化，这种优化
35、的控制方法使锁相环控制方法不但继承了原来控制的优点，并且还提高了系统动态响应性能与抗干扰能力。从锁相环控制的鉴相器实现方式来看810，可分为模拟锁相环、模数混合锁相环、数字锁相环和软件锁相环10，其中用软件来实现锁相环非线性控制方法是最效率的一种方法。1.3论文研究所做的主要工作本文中，我们着重对永磁无刷直流电机的模糊-PID运动控制系统进行了设计、仿真与优化。首先，我们分析了电机的运动状态，建立起了永磁无刷直流电机的数学模型，分析并确定了无刷直流电机的控制方案；以TMS320F2812数字信号处理器与其最小系统为控制核心，设计了无刷直流电机控制系统的硬件和软件；使用MATLAB/SIMULI
36、NK，建立了系统模型并完成了若干种控制算法的对比与仿真工作。本文对系统的研究具体有以下几个方面的容：(1)阅读了大量与课题研究相关的文献，了解并进一步认识永磁无刷直流电机的优缺点，与其研究的现状；同时进入工程现场，进行了相关的实践调研。(2)根据永磁无刷直流电机与其控制系统的数学模型，利用MATLAB/SIMULINK搭建模糊-PID控制器和无刷直流电机与其控制系统系统的模型，并进行仿真。(3)对永磁无刷直流电机系统硬件构成与软件运行原理进行了详尽的说明，并建立电机的运动学模型、电器模型以与电器模型并分析了电机的运行特性与其调速的方法。(4) 介绍几种常用的电机控制方法，根据工程需要确定了最优
37、的控制方案。(5)以工程需要要求，分别对永磁无刷直流电机运动控制系统的硬件与软件电路进行了设计，其中主要包括驱动电机路、控制电源电路、保护电路、DSP控制电路、逆变电路、整流电路，位置检测电路；并对出现的问题进行探讨与修改，确定最佳的方案。(6)对系统的实验平台进行软件和硬件的联合调试，进行适当的修改，最终达到理想的效果，然后对实验结果进行分析。2 永磁无刷直流电机工作过程分析2.1 永磁无刷直流电机的基本结构永磁无刷直流电动机的拓扑结构如图2.1所示。从示意图上看，它是由电动机本体(定子和转子)、位置传感器和电子开关线路三大部分组成的。当相电流通过任意定子绕组时，该电流产生的磁场与转子永久磁
38、钢的磁极所产生的磁场相互作用，使转子受到电磁转矩作用而旋转。把位置传感器与电机的主轴同轴安装，用以检测电机磁钢的位置，进而将位置信号反馈给驱动器，驱动器再将给定的控制信号和反馈的位置信号进行逻辑综合后发送信号，控制电子开关线路，使定子各相绕组按一定逻辑顺序导通。由于电子开关线路的导通次序与转角同步，因而能起到机械换向器的作用。图2.1 无刷直流电机拓扑结构永磁无刷直流电机的电动机本体从外观上看与普通电机相似，定子和转子也是最基本的两大部件。转子顾名思义是电动机可以转动的那一部分，它是由永磁材料做成的成，在转子上对称分布着一定磁极对数的永磁体7，一般情况下由转轴、永久磁钢与磁轭等部件组成。转子的
39、结构可以分凸极式和嵌入式，凸极式就是在转子表面上贴上瓦片状的永磁体；嵌入式就是在转子的铁心中嵌入永磁体。在设计电机磁钢的形状时，多数做成弧形(瓦片形)，这样做的目的是为了产生梯形波电动势。定子则是电机转动时相对于电机壳体固定不动的部分，其上安装有电枢，该结构与永磁有刷电机完全相反。定子主要是由硅钢冲片与分布在它们槽的绕组以与机壳、端盖、轴承等部件组成，电枢绕组采用整距集中式绕组，绕组的相数有三相绕组和多相绕组，但应用最多的是三相20。如图2.1所示的电路中就具有三相绕组无刷直流电机原理图，其中、分别为三相绕组。在设计定子的绕组时，通常把短距绕组设计成分布式的，这样做不但可以减少电机的转矩脉动，
40、而且还可以提高电动机运行平稳性。同时优化设计时，绕组通常采用星型连接，目的在于减少电动机的杂质损耗。当定子绕组过三相交流电时，就会有等频率的旋转磁场产生。在永磁同步电机的转子中，铁氧体、铁硼、稀土钴等永磁体使用较多11-13，而新一代伺服电机转子则把铁硼等新兴材料用到电机转子的制造中。这种材料具有好的宽磁滞回线、高矫顽力、高剩磁等优点，最主要的是它能产生稳定的磁场。2.2 永磁无刷直流电机的工作原理传统直流电动机的构造时，都会把电枢安装在转子上。而由定子产生的磁场是固定的，要想达到驱动电机旋转目的，就必须使电枢中的电流的方向发生改变，而这一实现过程一般是通过在电机中安装换向器和电刷来实现的。根
41、据电磁感应定律得知，转子电枢受到感应磁场的作用力而使电动机旋转起来。然而，电刷的存在使电动机的各方面的性能受到很大的限制。在设计永磁无刷直流电动机时，把电枢放在定子上，而把永磁体放在转子上，这样就可以省去电刷。这样的结构和传统的直流电机相比，在设计思想上是辩证对立的。当然以上工作只是设计工作的一部分，因为定子上的电枢通电后，产生的磁场是恒定的，而根据电磁感应定律，这样并不能驱动电动机转动。要想使电动机旋转，定子电枢各相绕组中还必须有变换的相电流通过，这样才能使定子磁场相对于转子不断地变化，从而达到了电枢绕组切割磁感线的效果，进而产生电磁感应效应推动转子旋转14。从图2.2不难看出，无刷直流电动
42、机主要由电动机和驱动器两部分构成。无刷直流电动机绕组的接法形接法与三相异步电动机相似，都采用星型连接。驱动器的主要作用是接收上位机传达的指令，进而控制电动机的启动、停止、制动25；驱动器的另一个功能是对电机进行状况进行预警保护和显示等。无刷直流电动机的原理框图如图2.3所示。图2.2三相桥式结构无刷直流电动机工作原理图图2.3无刷直流电动机工作原理框图图2.2中主电路是较典型的电流转换电路，输入信号预处理得到对称交变矩形波信号。利用转子旋转技术获得120相位差反馈信号，并进行逻辑计算，从而编码器获得有效编码对信号分别为101、100、110、010、011、001，通过逻辑器件控制T1-T4、
43、T1-T6、T3-T6、T3-T2、T5-T2、T5-T4分别导通，利用N-S极交替变换进行依次导通控制。每路电路导通时会让定子绕组围绕轴线转动60，以此类推形成传感器U、V、W根据预定控制逻辑产生新编码，无限的循环下去，最终实现无刷直流电动机连续运动。无刷直流电动机本身具有自动换向的性质，不需要换向器，因此成为自控式同步电动机1619。表2.1为永磁无刷直流电机正反转换逻辑表。图2.5定子绕组的合成磁势Fa与转子磁势Ff之间的空间相位关系表2.1 永磁无刷直流电机正反转换逻辑表状态ABCDEF逻辑量（正转）101100110010011001正转时电流流向A+B-A+C-B+C-B+A-C+
44、A-C+B-逻辑量（反转）010011001101100110反转时电流流向B-A+C-A+C-B+A-B+A-C+B-C+2.3 永磁无刷直流电机数学模型的确定本节数学模型建立是在理想情况下建立的，即磁路不饱和、气隙均匀、定子三相绕组对称、星形联接；绕组电阻、电感和互感值均为为常数；不计电枢反应；忽略齿槽效应。(1)电压平衡方程 （2.1）其中为磁极对数矩阵；、是三相定子的电压；、是三相绕组的电势；、是三相绕组的相电流；、是三相绕组的电流自感 ；、是绕相之间互感；、是绕组的相电阻。我们假定=，=，=，并由+=0可得（2.2）(2) 转矩方程（2.3）（2.4）其中，为角速度，为阻尼系数，为电
45、机的转动惯量，为负载的转矩，为等效转矩。(3) 状态方程（2.5）(4) 不带负载的运动学方程（2.6）（2.7）（2.8）（2.9）将上式经过拉式变换得电动机的电路回路的模型，即 （2.10）（2.11）（2.12）因为，所以有 （2.13）其中为反电动势的常数，为电机的输出力矩，为负载力矩，为直流电机的反电动势的常数，为力矩常数，为电动机电枢回路的电阻，转子的粘性摩擦系数，为等效转动惯量，为电枢的电感，为电枢的电流，为电枢的电流。图2.6 机电系统伺服驱动系统控制方框图(5) 带负载的运动学方程（2.14）（2.15） （2.16）（2.17）（2.18） （2.19）以上各式经过拉氏变换
46、整理得：（2.20） （2.21）（2.22）其中为电机的转动惯量，为反电动势的常数，为电机的输出力矩，为负载力矩，为摩擦力矩，为直流电机的反电动势的常数，为力矩常数，为电动机电枢回路的电阻，转子的粘性摩擦系数，为电枢的电感，为电枢的电流，为电枢的电流。2.4 永磁无刷直流电机控制方案选择与确定2.4.1 调速系统的分类(1) 开环控制系统顾名思义，开环控制就是不具有反馈信号的控制系统，驱动器接受到速度信号后，输出一定的PWM波。当速度需要发生改变时，系统只需通过改变PWM的占空比，进而改变电机电枢上电压的大小，最终实现对电机转速的控制。(2) 单闭环控制系统不难理解，单闭环控制就是控制系统中
47、只存在一个反馈闭环的控制方式。一般为速度闭环，反馈量也是电机的转速。这种控制系统一般由速度给定、速度反馈以与速度调节等几个模块构成。给定转速就是预先输入的n，结合测速传感器反馈的实际转速nf，两者进行逻辑运算后得到转速误差信号ne，转速误差信号经过速度调节器的处理就输出PWM值,然后把PWM信号经过驱动器放大后就可以驱动电机转起来，这样就实现了对电机的单闭环控制。(3) 双闭环控制系统事先将给定的速度值n与测速元器件反馈的实际转速nf做差，得到转速误差信号ne，转速误差信号经过速度调节器处理后，就可以作为电机的电流参考值（转速与电流有一定的线性关系）；同时，通过特定的电流检测电路实时检测定子绕组的电流值，两者的差值就为电流误差信号；最后根据转子位置检测电路计算的转子位置