基于DSP的无刷直流电机调速系统优化研究

作     者：付廷礼 

作者单位：青岛理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：田艳兵

授予年度：2022年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：无刷直流电机(BLDCM) PID算法 模糊PID算法 MATLAB DSP 变论域 

摘      要：无刷直流电机(Brushless DC motor,BLDCM)和普通直流电机相比,最大的特点是采用了电子电路换相取代了电刷换相,克服了传统直流电机噪声大、易磨损等缺点,同时保留了传统直流电机的起动转矩大、调速性能好、易于控制等优点。因此在仪器仪表、新能源汽车、智能家居、重工业等领域广泛应用。无刷直流电机控制系统相较于普通的直流电机控制系统是一个非线性强和耦合性高的控制系统。普通的PID Proportion Integratio,)n(Differentiation PID控制算法无法保证无刷直流电机控制系统具有良好的动态和静态性能,而模糊控制算法(Fuzzy Control Algorithm)具有可以结合专家经验和工程实际且不依赖系统模型的优点。针对两种算法的优缺点,本文设计了改进的Fuzzy-PID控制算法用于无刷直流电机的控制,并分别在MATLAB仿真软件和硬件实验平台上,对设计的控制系统进行仿真和实验,通过对仿真和实验数据结果的分析,验证了所设计的控制系统的调节时间短、超调量较小、动静态性能好。本文的主要工作可归纳如下:1.分析了无刷直流电机控制系统基本原理并建立了无刷直流电机的数学模型。首先对于BLDCM控制系统组成模块进行了简要分析;然后对于BLDCM的工作原理进行了详细的剖析;最后对于BLDCM进行了数学建模,包括电压方程、转矩方程、运动方程等,并简述了BLDCM的调速原理,为后续BLDCM控制系统的各个模块设计提供了理论基础。2.分析了各种算法的优缺点,设计了改进的Fuzzy-PID控制算法,并在MATLAB仿真软件中搭建了电机仿真平台。首先分析并选择了BLDCM控制系统的控制结构;然后分别对比了PID算法和Fuzzy控制算法的优缺点。通过充分结合两种算法的优点,设计了论域可变换的Fuzzy-PID控制算法用于BLDCM控制系统的控制。最后在MATLAB/SIMULINK仿真软件中搭建了控制系统的仿真模型,并运行。运行结果验证了改进的控制算法具有良好的动静态特性。3.完成了无刷直流电机的硬件电路搭建和软件编写。在硬件电路方面:首先对无刷直流电机主控芯片数字信号处理器(Digital Signal Processing,DSP)选型并设计了TMS320F28335最小控制系统的各个电路,包括电源模块、JTAG模块、时钟电路模块、复位电路模块等;然后设计了BLDCM控制系统外围电路,包括ADC采样模块、位置信号捕获模块、驱动电路模块、逆变器电路模块等。在软件编程方面:采用模块化设计思路分别设计了主程序模块、电机启动模块、中断模块包括捕获中断模块、ADC采样中断和电机转速控制器中断模块等。4.完成了无刷直流电机控制系统实验论证,并得出结论。在建立的BLDCM实验平台中进行了试验,并通过RIGOL示波器采样了实验平台的各个数据,包括电机的转速信号、位置信号、电流信号和电压信号等。经过对采样的实验数据进行分析,验证了论文中设计的控制算法和BLDCM控制系统具有良好的控制性能,验证了该设计的控制系统的优越性。