文献综述

一、课题的理论意义和应用价值

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。早在十九纪诞生电机的时候，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。上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。 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体 ，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是:接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动;接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩;接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速;提供保护和显示等等。直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90#176;，这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多，提升驱动电机的性能。微处理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直角坐标系统中，适当控制交流电机在两轴电流分量，达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。随着计算机技术和现代控制理论的发展,由数字控制装置组成的随动系统应运而生。与传统的模拟系统相比,数字随动系统具有设计简单,体积小,修改方便,精度高,可靠性高等优点。作为典型的数字随动控制系统的执行器,无刷直流电机既具备交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列特点,又具有直流电机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点,故在许多高科技领域得到了非常广泛的应用,如机器人、数控机床、雷达、潜艇和各种军用武器随动系统。本文以无刷直流电机控制系统在武器随动系统中的应用为背景,设计基于DSP的无刷直流电机控制系统,并进行仿真研究。首先,本文深入研究了永磁无刷直流电机的基本结构、工作原理、数学模型和控制性能,比较分析可编程逻辑控制器、专用芯片和单片机控制等不同的控制方案对无刷直流电机的控制性能,确立了一套以DSP(TMS320LF2407A)为核心的无刷直流伺服电机的控制系统方案。本控制系统的主要优势在于利用数字信号处理器DSP的高速数字运算功能,实现各种高效的控制算法,达到无刷直流电机的高精确控制的目的。在接下来的部分,本文详细论述了无刷直流电机控制系统设计和模糊PID控制器设计。

二．国内外研究现状、发展动态

无刷直流电机的应用十分广泛，如汽车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等等。总的来说，无刷直流电机可以分为以下三种主要用途:持续负载应用:主要是需要一定转速但是对转速精度要求不高的领域，比如风扇、抽水机、吹风机等一类的应用，这类应用成本较低且多为开环控制。可变负载应用:主要是转速需要在某个范围内变化的应用，对电机转速特性和动态响应时间特性有更高的需求。如家用器具中的、甩干机和压缩机就是很好的例子，汽车工业领域中的油泵控制、电控制器、发动机控制等，这类应用的系统成本相对更高些。定位应用:大多数工业控制和自动控制方面的应用属于这个类别，这类应用中往往会完成能量的输送，所以对转速的动态响应和转矩有特别的要求，对控制器的要求也较高。测速时可能会用上光电和一些同步设备。过程控制、机械控制和运输控制等很多都属于这类应用。实用性新型无刷电机是与电子技术、微电子技术、数字技术、自控技术以及材料科学等发展紧密联系的。它不仅限于交直流领域，还涉及电动、发电的能量转换和信号传感等领域。在电机领域中新型无刷电机的品种是较多的，但性能优良的无刷电机因受到价格的限制，其应用还不十分广泛。下面分别就主要的新型无刷电机进行探索与研究。

三．基本知识和基本原理

无刷直流电机是一种集电机和电子一体化的高新技术产品,它不仅具有体积小、重量轻、效率高、惯量小和控制精度高等优点,同时还保留了普通直流电动机优良的机械特性。因此,研究具有响应速度快、调节能力强、控制精度高的无刷直流电动机控制系统具有十分重要的意义。论文研究了基于DSP的有位置传感器无刷直流电机(BLDCM)控制系统的设计和实现,侧重于DSP技术在BLDCM控制系统中的具体应用。分析了无刷直流电机的换相过程,并确定了系统的控制结构、控制芯片、控制技术及控制策略；为了提高系统的调速性能,控制结构采用了转速、电流双闭环结构。然后,本文对系统硬件进行了设计,包括控制电路、功率驱动电路、采样检测电路的设计；采用TI公司的TMS320F2812DSP,芯片作为控制核心,利用DSP高速数字运算功能和丰富的外设,整套系统的硬件电路得到了简化。软件方面简单介绍了TI公司DSP的软件开发平台CCS,并对系统的换相策略、数字PI调节器、PWM调制方式等部分软件的设计做了重点阐述。无刷直流电机控制系统是一种新型的调速系统,具有良好的运行、控制及经济性能,有着巨大的发展潜力。其中无刷直流电机是利用电子换相替代机械换相和电刷,既具有直流电动机良好的调速性能,又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点,在众多领域中得到了广泛的应用。本文从无刷直流电机的结构出发,详细论述其工作原理,利用电机的相变量建立方便、简单的数学模型,并在此基础上分析无刷直流电机的诸多特点。然后分析研究无位置传感器无刷直流电机控制系统的几项关键技术:转子位置检测、启动和PWM控制技术等。最后根据控制系统的要求设计出硬件平台,包括转子位置检测电路、逆变器控制电路、相电流,相电压检测电路、故障逻辑保护电路等。控制系统采用TI公司的7MS320F2812DSP芯片作为系统控制器和模糊PID作为控制算法。对控制系统进行软件系统架构的设计和硬件平台的搭建,借助DSP强大的数据处理能力和丰富的功能模块,省去以往较复杂的硬件电路。

参考文献

[1] Jawad Faiz a, M.B.B. Sharifian. Comparison of different switching patterns in direct torque control technique of induction motors[J]. Electric Power Systems Research. 2001,(60): 63#8211;75