无刷直流电机模糊控制的研究

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无刷直流电机模糊控制的研究

摘要

无刷直流电机以其众多优点如电机结构简单且换向时没有火花和无励磁损耗，

调速性能优良，效率又很高，因此被广泛应用在家用电器、交通工具、数控加工行

业等领域。当今电力电子技术发展迅速，随着永磁材料的价格降低，无刷直流电

机的制造成本也逐渐下降。另一方面，无刷直流电机的适用范围越来越广，促使

人们对它的研究不断深入，更有利于无刷直流电机在今后应用的发展。

本文先介绍无刷直流电机的发展现状、近年来的研究动态、分析研究趋势，然

后简单介绍无刷直流电机的工作原理等。由于模糊控制的特点是可以不依赖于精

确的对象模型，只需要根据制定好的控制规则进行一定的模糊推理便可得到适当

的控制量，因此本文选取这种智能控制策略。通过在 Matlab 软件中建模，并对无

刷直流电机双闭环控制系统进行仿真设计。在该控制系统中，速度环采用模糊 PID

调节，电流环采用 PI 调节，仿真结果显示采用模糊

PID

控制的系统效果较传统

PID

控制有响应速度更快、超调量更小、跟随性能更好等优点。

硬件电路主要设计了功率电路及驱动、光电隔离电路、电流检测、电压检测、位

置信号检测、速度检测等；控制电路采用 TI 公司的高速数字信号处理器

TMS320F2812 作为主控芯片，软件开发是在 DSP 的CCS3.2 环境下，采用 C和

C++编程。实现了 AD 采样、转子位置信号的读取、PWM 波的产生、速度模糊 PID

调节及电流调节等。通过对整个控制系统进行调试和实验，结果表明了无刷直流

电机模糊控制系统设计的正确性。最后对整个系统的设计以及后续的工作进行了

总结和展望。

关键词：无刷直流电机，模糊 PID 控制，Matlab／Simulink，DSP

ABSTRACT

With the simple structure, high efficiency, speed performance, no sparks and no

change to the excitation loss, and many other advantages, the Brushless DC motor has

being widely used ,such as in household appliances, transportation, machine tools and

robotics fields, and modern industry .The rapid development of the brushless DC motor

control system requirements are also increasing. Therefore, as the price of the

permanent magnet materials and power electronic components are gradually declining,

the brushless DC motor will be used in an increasingly wide range of application,

which is more conducive to the development of brushless DC motor in the future.

In this paper, the development of brushless DC motor status, trends and research

works has been brief introduced first ，then describe the working principle of the

brushless DC motor. Since the characteristics of fuzzy control cannot rely on a precise

object model, In the control strategy, using the DSP-based intelligent control fuzzy

control, only need to develop proper control rules of the fuzzy reasoning can get the

appropriate amount of control, so this intelligent control strategy was selected.

Modeling in the Matlab software, and the closed-loop brushless DC motor control

system has been simulated. In the control system, the Fuzzy PID was adopted in the

speed loop, current loop was the PI regulator, the simulation result shows that compared

with the traditional PID control, the fuzzy PID control system has advantages such as

response faster, smaller overshoot, follow the better performance.

The power circuits and drive, optical isolation circuit, current detection, voltage

detection, location, signal detection, speed detection have been designed in the hardware

circuit. TI's digital signal processor TMS320 F2812 was adopted as the main chip in the

control circuit .The C and assembly language have been chosen for mixed programming

under the CCS3.2 DSP software development environment, the AD sample, the rotor

position signal read, fuzzy PID speed regulation and current regulation, PWM wave

generation and other functions have been realized. Through the whole co-debugging of

the hardware and software of the control system, The experimental results show that the

brushless DC motor fuzzy control system design is correct. Finally, the design and the

follow-up work are summarized.

KEY WORD ：Brushless DC Motor, Fuzzy Control ，Matlab ／

Simulink、DSP

目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论......................................................................................................................1
§1.1 课题的背景和意义............................................................................................1
§1.2 无刷直流电机的发展........................................................................................1
§1.3 无刷直流电机的研究动态................................................................................2
§1.3.1 直接转矩控制..........................................................................................2
§1.3.2 人工神经网络控制..................................................................................2
§1.3.3 遗传算法和模糊控制的结合..................................................................3
§1.3.4 模糊控制和 PID 相结合的Fuzzy-PID 控制...........................................3
§1.4 课题研究的主要内容及章节安排....................................................................4
第二章 无刷直流电机的工作原理..................................................................................5
§2.1 无刷直流电机的基本结构................................................................................5
§2.1.1 电机本体..................................................................................................5
§2.1.2 逆变电路..................................................................................................6
§2.1.3 位置检测器..............................................................................................7
§2.1.4 控制器......................................................................................................7
§2.2 无刷直流电机的工作原理................................................................................8
§2.3 无刷直流电机的数学模型..............................................................................10
§2.3.1 电压方程................................................................................................10
§2.3.2 转矩方程................................................................................................10
§2.3.3 状态方程................................................................................................11
第三章无刷直流电机模糊控制器设计及 MatLab 仿真...............................................12
§3.1 模糊控制原理..................................................................................................12
§3.1.1 模糊控制的基本原理............................................................................12
§3.1.2 模糊控制器的组成................................................................................12
§3.2 自适应模糊 PID 控制器的设计......................................................................14
§3.2.1 常规PID 控制器....................................................................................14
§3.2.2 自适应模糊 PID 控制............................................................................14
§3.2.3 输入输出变量模糊化及隶属度函数....................................................15
§3.2.4 模糊控制规则........................................................................................16
§3.2.5 模糊推理................................................................................................17

§3.3 无刷直流电机模糊控制系统的仿真..............................................................19
§3.3.1 无刷直流电机仿真模型........................................................................19
§3.3.2 仿真结果及结果分析............................................................................21
第四章 无刷直流电机控制系统硬件电路设计............................................................25
§4.1 控制系统总体结构..........................................................................................25
§4.2 主控芯片 TMS320F2812 介绍........................................................................26
§4.2.1 TMS320F2812 的特点及相关资源模块...............................................26
§4.2.2 DSP 的最小系统....................................................................................29
§4.3 驱动单元设计..................................................................................................31
§4.3.1 功率电路及驱动....................................................................................31
§4.3.2 光电隔离电路........................................................................................34
§4.3.3 电流检测、电压检测............................................................................34
§4.3.4 位置信号检测、速度检测....................................................................35
第五章 无刷直流电机控制系统的软件设计................................................................37
§5.1 CCS 集成开发环境总体结构..........................................................................37
§5.2 系统软件总体结构..........................................................................................38
§5.2.1 主程序设计............................................................................................39
§5.2.2 中断服务程序........................................................................................41
§5.2.3 中断服务程序子模块说明....................................................................41
第六章 实验结果分析与总结........................................................................................47
§6.1 实验结果与分析..............................................................................................47
§6.2 总结与展望......................................................................................................49
参考文献.........................................................................................................................50

第一章绪论

§1.1 课题的背景和意义

电机是以磁场为媒介，将电能和机械能进行相互转换的装置。在国民经济的

各个领域以及人们的日常生活中均已广泛应用。直流电动机的调速范围宽，启动

转矩大，机械特性好，控制电路简单等诸多优点，被广泛应用在对启动和调速

要求较高的拖动系统，如电力牵引、轧钢机、起重设备等。然而传统的直流电机

采用机械电刷和换向器，以机械方式换相，这种方法不仅存在机械摩擦，而且

还有噪音、火花、电磁干扰以及使用时间短等一系列问题。此外，制造成本高、维

修不方便等缺点限制了它的应用场合。针对以上问题，产生了采用电子换相的无

刷直流电机(BLDCM)来取代有刷直流电动机这种电刷——换相器结构的机械接

触装置。

随着电力电子开关器件和永磁材料的快速发展，对无刷直流电机的研究和

应用进入新的时期。在交通、航空、家电、办公自动化等行业得到了较好的发展。

无刷直流电机在电动汽车驱动、陀螺仪和机械臂控制、空调和冰箱的压缩机、

CD、DVD 机、复印机等都得到广泛的应用。特别在当今主题为节能减排的时代，

无刷直流电机的高效率尤其显示出它的应用价值。

DSP 具有强大的数据运算和处理能力，因此采用 DSP 芯片为主核，通过软

件编程可以控制电机，这比较方便实现 BLDCM 控制系统。智能控制是近年来新

发展的一门交叉学科，综合了控制论、运筹学、信息论、人工智能等多门学科。主

要用来解决传统控制方法很难处理的系统控制问题,特别是对 BLDCM 这类时变

系统更有效。其中的模糊控制是智能控制的一个重要分支，该控制是在模糊变量

模糊集合以及模糊逻辑推理的基础上实现的一种计算机控制。结合DSP 的高速

处理能力可以实现模糊控制算法。所以，基于DSP 的无刷直流电机模糊控制调

速系统的研究具有现实意义和应用价值[1]。

§1.2 无刷直流电机的发展

1955 年，美国的Harrison 和Rye 用晶体管换相代替机械电刷换向装置专利

的成功申请，标志着无刷直流电机的诞生。1962 年，借助霍尔元件电子换相实

现的无刷直流电机，开创了无刷直流电机产品化的新时代。20 世纪 70 年代，出

现了磁敏二极管，它的灵敏度比霍尔元件高千倍，其后利用磁敏二极管实现换

相的无刷直流电机也试制成功。随着电力电子的快速发展，GTR、MOSFET、

IGBT 等多种新型高性能半导体功率器件相继出现，同时如电磁谐振式、高频耦

合式、磁电耦合式和光电式位置传感器等各种新型位置检测器的发明和应用，极

大的促进了无刷直流电机的发展。1978 年，在德国汉诺威贸易展览会上，原联

邦德国的MANNESMANN 公司推出了其 MAC 永磁无刷直流电机及其驱动，标

志着永磁无刷直流电机进入了真正的实用阶段。

我国对无刷直流电机的研究起步较晚，但近年来在无刷直流电机的设计及

控制方面进行了很多的研究，国内已成立一些生产永磁无刷直流电机系列产品

的公司，并形成一定的生产规模。2008 年由中国电器工业协会提出，全国微电

机标准化技术委员归口制定了永磁无刷电动机系统通用技术条件的标准。这表明

无刷直流电机模糊控制的研究

我国在这方面的技术达到一定的程度[2~3]。

§1.3 无刷直流电机的研究动态

由于无刷直流电机的性能优良、成本低廉以及控制方法简便等多种优点，引

起人们越来越多的关注。目前，国内外的许多专家、学者对无刷直流电机及其控

制的研究主要集中在电机本体、控制器硬件和采用先进的控制策略如直接转矩控

制、人工神经网络控制、遗传算法、模糊控制 PID 控制等。不同的控制算法将得到

不一样的控制效果。

§1.3.1 直接转矩控制

直接转矩控制(DTC)是近年来国内外学者都在研究的一个热点。这种控制方

法具有减小转矩脉动，加快转矩响应、结构简单及参数鲁棒性好等优点。相对传

统的无刷直流电动机的控制系统而言，在简单的控制结构中，直接转矩控制具

有良好的动态特性。

由于直接转矩控制利用空间矢量的分析方法，采用定子磁场定向，可以在

定子坐标系下直接计算电动机的磁链和转矩。它通过检测定子的电压、电流，并

将在定子磁链观测器中所观测到的值和给定值比较，差值经过滞环控制后输出

相对应的控制信号，然后根据当前的磁链状态确定电压矢量，从而实现对转矩

进行的直接控制。对于如电力机车驱动等大功率、低开关频率的应用则采用六边

形磁链轨迹的方案。而对中小功率的电机，一般是采用圆形磁链轨迹的方案；但

是，由于定子磁链的计算和定子电阻有一定的关系，所以受定子参数的影响较

大。对无刷直流电机而言，定子磁链主要来自转子永磁体的磁链耦合，所以在空

载和轻载的状况下可忽略定子参数的影响，重载时可采用定子电阻补偿法来减

小定子参数的影响[4]。

§1.3.2 人工神经网络控制

人工神经网络采用某种网络拓扑结构构成的活性网络，以一种简单计算-处

理单元(神经元)为节点，使得神经网络具有非线性映射的能力，可以用来描述

几乎任意的线性和非线性模型。此外，它还具有学习能力、计算能力、记忆能力

以及各种智能处理能力，能在一定的程度和层次上模仿人脑神经系统的信息处

理、存储和检索的功能。将神经网络应用在无刷直流电机控制的非线性系统中，

通过离线学习，适应系统的动态特性，协调各个参数之间的相互影响，充分逼

近该系统的非线性关系。而且人工神经网络采用信息的分布式并行处理，可进行

快速大量的计算。在无刷直流电机的控制系统中，逆变器功率器件的导通顺序和

时间由电机转子位置直接决定，通过对 RBF 神经网络进行离线训练和在线训练，

即可实现电机定子电压、电流和功率器件导通状态的非线性映射，从而直接控制

绕组电流[5]。

§1.3.3 遗传算法和模糊控制的结合

遗传算法自 90 年代后受到了国内外的重视，进入兴盛的发展时期，成为研

究的热点之一。遗传算法是一种模仿生物进化规律的最优化方法，具有不依赖梯

度信息、算法简单、能得到全局最优解、可并行处理等优点。模糊控制具有一些局

限性，主要是由于模糊控制器要的设计参数较多，如不仅需要输入输出的比例

因子以及输入输出变量的模糊子集的隶属度函数，还需要模糊控制规则及其规

则可信度、加上模糊控制器自身的非线性等因素，导致至今只能依靠模糊控制器

设计者的经验和工程中的反复调试，仍未有通用可靠的模糊控制器设计和调整

方法。随着发展，近年来出现了利用遗传算法来优化模糊控制进行设计参数的研

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无刷直流电机模糊控制的研究摘要无刷直流电机以其众多优点如电机结构简单且换向时没有火花和无励磁损耗，调速性能优良，效率又很高，因此被广泛应用在家用电器、交通工具、数控加工行业等领域。当今电力电子技术发展迅速，随着永磁材料的价格降低，无刷直流电机的制造成本也逐渐下降。另一方面，无刷直流电机的适用范围越来越广，促使人们对它的研究不断深入，更有利于无刷直流电机在今后应用的发展。本文先介绍无刷直流电机的发展现状、近年来的研究动态、分析研究趋势，然后简单介绍无刷直流电机的工作原理等。由于模糊控制的特点是可以不依赖于精确的对象模型，只需要根据制定好的控制规则进行一定的模糊推理便可得到适当的控制量，因此本文选...

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