摘 要

随着家用电器的普及，越来越多的家用电器进入到了家庭生活中，同时消费者对家电的要求也越来越高，相比起传统的家电，噪音低、更加高效节能以及智能化程度更加高的现代家电更受广大消费者的喜爱。现代家电相比起传统的家电在控制系统以及直流无刷电机技术方面更加的成熟，这也为直流无刷电动机替代单向一部电机打下了良好的基础，相比起传统家电所使用的单相异步电动机，现代家电中所使用的直流无刷电动机具有很多优点，比如其相比起传统的电机其结构更加的简单，运行过程也更加的可靠，工作效率也高，在家电领域具有十分广阔的市场前景。同时在设计中加入数字信号处理技术（DSP），可以使得家用电器设备更加可靠，功能更加强大，成本更加低廉。

本文从直流无刷电动机的基本结构以及工作机理出发，以及对数字信号处理技术（DSP）的应用，在Matlab/Simulink平台上建立基于电机数学模型和控制理论的直流无刷电机仿真模型，通过软硬件结合使得冰箱中直流无刷电机的工作更加高效，能耗进一步减少，使得这一技术更加广泛的应用于家用电器的制造与生产中。

首先，本文分析了直流无刷电机的工作原理控制系统及其构成，同时建立了相应的直流无刷电机的模型，通过对该直流无刷电机模型进行详细的分析，理解其主要的工作原理以及其在工作状态下所面临的问题和解决方案。

然后,设计人员开发出了相应的自整定模糊-pid控制器,并通过对软件和控制器硬件的模块化设计,来共同完成整个系统的仿真模型的设计和建立,在模块化的simulink软件下完成该仿真模型的设计和建立,并根据本次设计的要求完成必要的仿真,并通过本次仿真的结果来确定和分析本次的设计要求是否完全达到了上次设计预定的仿真要求。

关键词：直流无刷电机；DSP控制；家用电器；仿真；硬件；软件；simulink

Abstract

With the popularization of household appliances, more and more household appliances come into the family life. At the same time, consumers have higher and higher requirements for household appliances. Compared with traditional household appliances, modern household appliances with low noise, more efficient energy saving and higher intelligence are more popular with consumers. Compared with traditional household appliances, modern household appliances are more mature in control system and DC BLDCM technology, which also lays a good foundation for DC BLDCM to replace one-way motor. Compared with the single-phase asynchronous motor used in traditional household appliances, the DC BLDCM used in modern household appliances has many advantages, such as compared with the traditional motor The structure is more simple, the operation process is more reliable, and the work efficiency is also high. It has a very broad market prospect in the field of home appliances. At the same time, digital signal processing technology (DSP) is added to the design, which can make the household electrical equipment more reliable, more powerful and cheaper.

Starting from the basic structure and working mechanism of the DC BLDCM, and the application of digital signal processing technology (DSP), this paper establishes the simulation model of the DC BLDCM Based on the mathematical model of the motor and the control theory on the MATLAB / Simulink platform. Through the combination of software and hardware, the work of the DC BLDCM in the refrigerator is more efficient and the energy consumption is further reduced, which makes this Technology is more widely used in the manufacturing and production of household appliances.

First of all, this paper analyzes the working principle control system and its composition of the DC BLDCM, and establishes the corresponding model of the DC BLDCM. Through the detailed analysis of the DC BLDCM model, we can understand its main working principle and the problems and solutions it faces in the working state.

Then, the designer developed the corresponding self-tuning fuzzy PID controller, and completed the design and establishment of the simulation model of the whole system through the modular design of software and controller hardware, completed the design and establishment of the simulation model under the modular Simulink software, and completed the necessary simulation according to the requirements of this design, And through the results of this simulation to determine and analyze whether the design requirements of this time fully meet the simulation requirements of the last design.

Key words: DC brushless motor; DSP control; home appliances; simulation; hardware; software; Simulink

目录

摘要 4

Abstract 5

第一章 绪论 9

1.1课题背景 9

1.2直流无刷电机的发展及现状 9

1.3 DSP技术的发展及其现状 10

1.4 课题研究的主要内容 10

第二章 电机的结构原理以及数学模型 12

2.1 直流无刷电机的基本结构 12

2.2 直流无刷电机的工作原理 13

2.3电机的数学模型 14

2.3.1 电压方程 14

2.3.2转矩方程 16

2.3.3 运动方程 16

2.4 本章小结 17

第三章 电机的控制策略 18

3.1 基本原理 18

3.2 自整定模糊-PID控制器 19

3.3 自整定模糊-PID控制器的设计 20

3.4本章小结 22

第四章 电机的控制方法研究 23

4.1 转子位置检测 23

4.2 直流无刷电机的起动方法 23

4.2.1 起动方法 23

4.2.3 起动过程 24

4.3 换相转矩脉动的分析 24

4.3.1 主要组成 24

4.3.2 产生机理 25

4.3.3 消除 25

4.4 小结 25

第五章 系统的硬件设计 26

5.1 DSP的结构和特点 26

5.2 DSP控制系统的设计 27

5.2 检测电路的设计 28

5.2.1 速度检测电路 28

5.2.2 电流检测电路 28

5.2.3 转子位置检测 29

5.4 系统的保护 29

5.5 本章小结 29

第六章 软件设计 30

6.1 主程序结构 30

6.2 电动机起动子程序 30

6.3 换相子程序 31

6.4 ADC中断子程序 31

6.5 电流环调节子程序 33

6.6 本章小结 33

第七章 仿真模型研究 34

7.1 模型的建立 34

7.1.1 本体模块 34

7.1.2 转速调节器 35

7.1.3 电磁转矩模块 35

7.1.4 电流调节器 36

7.1.5 速度和位置模块 36

7.2 仿真结果 36

小结 37

参考文献 39

第一章 绪论

1.1课题背景

由于温室效应所带来的环境问题越来越严重，而产生温室效应的主要原因的二氧化碳的排放，国际上为了使人类居住的环境更加美好，在家电行业上，对家用电器实施了较为严格的节能措施。例如美国早在2001年就制定了相应的节能法规，对电冰箱等的要求其耗电量要降至原来的70%；日本也许早些年制定了相关的法规，要求将电冰箱等机器加入到原先的强制性能耗标准，并制定了极其严格的标准，政府也希望通过这一标准的制定来降低能耗；由于我国的国情以及人口的原因，导致我国是家用电器生产和使用的最频繁的国家，因此我国政府也很关注对家用电器的节能问题，我国最早于2005年颁布并实施了冰箱能效标识制度，后期随着社会的发展，又增加了洗衣机等家用电器。随着不断地发展，已经又超过100个国家制定了类似的能效标识制度，同时国际上也在通过制定通用的标识制度来减少能源的消耗。由于现代技术的不断发展，利用电力电子技术以及更加先进的技术来使家用电器的效率更加高，性能更加完美，同时更加智能化是各国都在研究的内容。

1.2直流无刷电机的发展及现状

由于传统的电机以及不能满足现代的工业运用以及工业生产中，因此人们也一直致力于改进传统的电机，最早可追溯到上世纪30年代，当时就已经有人在致力于这方面的研究，主要是通过电力电子技术将传统电机上的机械换相改变成电子换相；而人类历史上的第一部直流无刷电机是由美国的D.Harrison于上世纪60年代研制出来的，该电动机最大的改变就是将有刷直流电机的机械电刷用带有晶体管的换相线路进行代替。随着时代发展，半导体技术逐渐成熟，现代的直流无刷将电机，变速机构，检测元件，控制硬件和软件融为一体，具有很高的智能水平，相比起传统电机有了很大的进步。

我国的直流无刷电机的发展相比其他发达国家，发展起步时间较晚，我国对于直流无刷电机研究时间起步于上世纪70年代，并且研究单位的分布也不是很广，主要是一些高等院校以及科研院所，但是受制于我国零件加工水平的低下，因此发展一直很缓慢，这也导致目前我国仍与其他技术强国有很大的差距，但是我国的直流无刷电机在民用产品以及军用产品上很广泛的应用。

1.3 DSP技术的发展及其现状

S2811作为全球第一个商用DSP芯片，于上世纪七十年代由美国AMINTEL公司发行，紧接着与其竞争的INTEL公司发布了2920芯片，相比起S2811，该芯片采用了可变频控制器件。同时上世纪八十年代，随着日本新型产业的发展，该国的AMINNEC公司发布了UPD7720芯片，相比于上面两个芯片，该芯片又将单周期乘法器加入到芯片设计中，这一技术也成为了后续芯片研发所必须的设计。同时现在国外一些电子公司已经推出了一种专门用于工业电机变频调速的商用变频数字信号采集和处理控制芯片,在家用冰箱,空调等家用电器及其他工业电机变频调速控制中,由于DSP控制结构紧凑,使用便捷,可靠性高,功能强和制造成本低等的优势被国内的人们所广泛采用。