基于DSP无刷直流电机控制系统的设计与仿真论文.doc
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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
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