分类号密 级
U D C
学位论文
无刷直流电机调速系统滑模变结构控制研究
作者姓名：祝捷
指导教师：高宪文教授
东北大学信息科学与工程学院
申请学位级别：硕士学科类别：工学
学科专业名称：控制理论与控制工程
论文提交日期：2008年6月30日论文答辩日期：2008年7月6日学位授予日期：2008年7月答辩委员会主席：毛志忠教授
评阅人：徐林高工、陈黎明高工
东北大学
2008年6月
A Thesis in Control Theory and Control Engineering
Research on Sliding Mode Variable Structure Control of Brushless DC Motor Speed-control System
By Zhu Jie
Supervisor : Professor Gao Xian Wen
Northeastern University
June 2008
独创性声明
本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。
学位论文作者签名：
日期：
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本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。
作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：
半年 □ 一年□ 一年半□ 两年□
学位论文作者签名：导师签名：
签字日期：签字日期：
无刷直流电机调速系统滑模变结构控制研究
摘要
在调速系统中，由于电动机本身和负载的非线性等因素的影响，采用传统控制策略在实际应用时往往难以获得理想的性能指标。滑模控制具有很好的鲁棒性，为高性能调速控制系统的设计提供了新的思路。本文主要对滑模控制策略及其在调速系统中的应用进行研究。
在分析文献的基础上，总结了滑模变结构控制的发展历史和特点，详细讨论了滑模变结构控制的基本概念、基本定义和设计方法，并设计了一种改进的滑模控制策略。
分析了无刷直流电机的工作原理和特性，建立了无刷直流电机的数学模型，分别基于常规PID控制及基于改进的滑模控制设计了无刷直流电机调速控制器，进行了分析和仿真研究，结果表明该控制系统具有响应快、鲁棒性好等优点，其动、静态性能均优于常规PID控制。
设计了基于DSP的无刷直流电机调速系统硬件平台，利用DSP处理数据的高速性，提高了控制策略的实时性。初步完成了滑模控制算法在无刷直流电机调速系统中的应用，给出了实验数据和实验波形并对实验结果进行了分析。
关键词：无刷直流电动机 调速系统 滑模控制 数字信号处理器 鲁棒性 仿真
Research on Sliding Mode Variable Structure Control of Brushless
DC Motor Speed-control System
Abstract
Because of the nonlinearity of the motor and its load in speed-control system, conventional control strategy is hard to get perfect performance in practice. With the better robust performance, Sliding-Mode Control (SMC) brings new ideas for the control strategy of the speed-control system. This thesis studied the application of Sliding-Mode Control in speed-control system.
On the basis of analyzing a large amount of documents on sliding mode variable structure control, the paper summarizes the development history and characteristics of sliding mode variable structure control, and particularly discusses the elementary concepts and elementary definitions and design methods, and an improved Sliding Mode Control is designed.
Brushless DC Motor (BLDCM) is chosen as this thesis’s research object, the theory of BLDCM system has been studied, and the mathematic model of BLDCM system has been built. The conventional PID control and the improved SMC are designed on the base of the mathematics model of the BLDCM for the speed-control system. The numerical simulations prove several advantages of this system, such as sensitive response, better robust performance, and show dynamic/static performances are superior to those of conventional PID control.
Digital Signal Processor (DSP) of TMS320F2812 is chosen as target DSP, hardware design scheme of the system is presented which takes use of the high-speed processing capability of DSP so as to improve the real-time property of the control strategy. The sliding mode control algorithms are carried out and the datas and waves of the experiments are given. The paper analyzes the results of the experiments, and expects the problems and the future progress of SMC in application.
Keywords：BLDCM，Speed-Control System，Sliding-Mode Control， Digital Signal Processor，Robustness，Simulation
目录
独创性声明.................................................................................................................................I 摘要.......................................................................................................................................II ABSTRACT.............................................................................................................................III 第一章绪论. (1)
1.1 引言 (1)
1.2 无刷直流电动机调速系统概述 (1)
1.3 滑模变结构控制理论概述 (4)
1.3.1 滑模变结构控制理论的发展历史 (5)
1.3.2 滑模变结构控制理论的研究现状 (6)
1.4 本文主要工作 (8)
第二章滑模变结构控制系统分析 (9)
2.1 基本概念 (9)
2.1.1 滑动模态 (9)
2.1.2 动态品质及趋近律仿真 (12)
2.1.3 不变性和鲁棒性 (15)
2.1.4 稳定性 (16)
2.2 滑模控制的切换函数设计 (16)
2.2.1 极点配置法 (17)
2.2.2 二次型最优法 (18)
2.3 小结 (20)
第三章原理分析与建模 (21)
3.1 无刷直流电动机原理分析 (21)
3.1.1 结构和特点 (21)
3.1.2 工作原理 (22)
3.2 无刷直流电动机的数学模型 (25)
3.2.1 电动机模型的基本方程 (25)
3.2.2 电动机的工作特性 (27)
3.3 转矩脉动分析 (29)
3.3.1 谐波对转矩脉动的影响 (29)
3.3.2 电流换相对转矩脉动的影响 (29)
3.4 小结 (29)
第四章控制策略研究 (31)
4.1 无刷直流电动机调速系统 (31)
4.2 PID控制策略 (33)
4.3 改进的滑模控制策略 (35)
4.3.1 控制律设计 (36)
4.3.2 MATLAB仿真与分析 (38)
4.4 小结 (40)
第五章滑模控制实验 (41)
5.1 系统硬件设计 (41)
5.1.1 DSP芯片 (41)
5.1.2 PWM波形的产生 (42)
5.1.3 转子位置检测 (44)
5.2 系统软件设计 (44)
5.2.1 主程序 (44)
5.2.2 捕获中断 (45)
5.2.3 ADC中断 (45)
5.3 主要设备 (46)
5.4 实验结果 (47)
5.4.1 常规PID控制策略 (47)
5.4.2 改进的滑模控制策略 (49)
5.5 实验结果分析 (52)
5.6 小结 (53)
第六章总结 (55)
参考文献 (57)
致谢 (61)
第一章绪论
1.1引言
电力推进技术已成为21世纪船舶动力发展的主要方向[1-3]，它具有良好的操作性、机动性和安全性。调速系统是电力推进系统中的一个重要组成部分，是决定船舶推进系统性能的关键，调速系统的控制策略对提高整个推进系统的性能尤为重要。
基于数学模型的传统控制理论已经比较成熟地应用到了调速系统中，但是它本身的依据只适用于线性系统，而实际的控制系统并不像所建立的数学模型那样一成不变，比如电动机和负载非线性因素的影响、系统参数的不确定性变化等，均会导致了传统的控制策略在实际应用中难以保持设计时的性能，其局限性日益突出。以常用的PID
调节器[4,5]为例，其调节范围较窄，无法适应系统参数的变化，也满足不了宽调速的要求，系统鲁棒性较差。
滑模变结构控制方法对系统参数时变、非线性特性以及外界干扰等不确定因素具有良好的鲁棒性，设计时不需要知道被控对象的精确数学模型，只需要知道粗略模型及各种不确定因素的变化范围就能设计出性能优良、鲁棒性强的控制器。所以，滑模变结构控制方法适合于伺服系统的控制[6]，具有很好的动态特性。
1.2无刷直流电动机调速系统概述
电机是以磁场为媒介进行机械能和电能的相互转换的电磁装置[7]。为了在电机内建立进行机电能量转换所需的气隙磁场，可以有两种方法:一种是在电机绕组内通以电流来产生磁场，例如普通的直流电机和励磁同步电机。这种电励磁的电机既需要有专门的绕组和相应的装置，又需要不断供给能量以维持电流;另一种是由永磁体来产生磁场。由于永磁材料的固有特性，它经过预先磁化 (充磁)以后，不再需要外加能量就能在其周围建立磁场。这既可以简化电机结构，又可节约能量。永磁同步电动机的转子采用永久磁体励磁，目前多采用稀土永磁材料做磁钢，如杉钻合金 (SmCO).钦铁硼 (NdFeB)等，它们均具有很高的剩余磁通密度 (0.9T)和很大的矫顽力;另外，它们的磁
导率与空气磁导率相仿，对于径向结构的电动机交轴和直轴磁路磁阻均较大，可以大大减小电枢反应。通常在额定负载以内，气隙磁场与电枢电流无关，使转矩-电流呈线性关系。由于转子的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种，因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种:一种为正弦波形;另一种为梯形波。这样就造成两种同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机调速系统，简称为永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor，简写为PMSM)调速系统;而由梯形波 (或方波)永磁同步电动机组成的调速系统，在原理和控制方式上基本与直流电动机系统类似，故称这种系统为无刷直流电动机 (BLDCM) 调速系统，在本论文的研究设计中永磁同步电动机采用的是方波永磁同步电动机调速系统。
随着电力电子技术的迅猛发展和器件价格的不断降低，人们越来越多地用变频电源和交流电动机组成交流调速系统来替代直流电动机调速系统。在交流电动机中，永磁同步电动机的转速在稳定运行时与电源频率保持恒定的关系，这一固有特性使得它直接用于开环的变频调速系统，尤其适用于由同一变频电源供电的多台电机要求准确同步的传动系统中，这可以简化控制系统，还可以实现无刷运行，而且较高的效率和功率因数可以减小价格昂贵的配套变频电源的容量，因而在各种调速系统中的应用越来越广泛。这类电机通常由变频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不设置起动绕组。变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置闭环控制系统构成自同步永磁电动机，既具有电励磁直流电动机的优异调速性能，又实现了无刷化，这在要求高控制精度和高可靠性的场合，如航空、航天、数控机床、加工中心、机器人、电动汽车、计算机外围设备和家用电器等方面获得广泛应用。
永磁电动机能较大幅度提高推进电动机功率密度，为此各国均投入很大的力量进行了开发研究。目前，超过兆瓦级的永磁推进电动机已经装备到实船中使用，并有长期考核试运行成功的报道，更大容量的永磁推进电机也正在研制和使用中。采用永磁无刷直流电动机作为电力推进系统的推进电动机，与其他交流驱动装置相比较，具有最高的功率密度，适合船舶推进的功率范围，受到了各国的重视。目前，除德国、法国、俄罗斯外,美国Newport News造船厂已在研制采用永磁技术的18.6MW船用无刷直
流推进电动机。无刷直流电机以电子换向器代替机械电刷和换向器实现直流电机的换相，它既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直
流电动机的运行效率高、调速性能好等诸多特点，同时克服了有刷直流电机由于机械
电刷和换向器的存在所带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等弊病。无刷直流
电机还具备诸多独特优点，如重量轻、体积小、动态性能好、输出力矩大、设计简便
等特点，所以BLDCM在电机调速应用领域中取得了迅速地推广[8]。
BLDCM采用基于位置信号的电子换向器替代直流电动机的机械换向器，实现直流到交流的逆变。由于基于位置传感器的控制系统存在稳定性的问题，近年来，很多文献开始研究无位置传感器的控制方法，其中常用的一种方法是利用电动机定子绕组的反电动势信号作为转子磁钢的位置信号，经过数字电路和软件处理，得到电子开关电路的换向信号，以进行电动机绕组电流的切换控制。
由于BLDCM本身的动力学特性问题较为复杂，其动态特性模型要用高阶非线性多变量状态空间方程来描述。同时，无刷直流电动机控制和反馈信号的处理要比直流电机复杂的多，如果要满足高性能的指标要求，这种复杂性就更高了。国内外已有大量文献对BLDCM调速系统进行了深入的研究，提出了很多有效的控制策略，主要分为如下几类： （1）自适应控制
自适应控制能在系统运行过程中不断提取有关模型的信息，使模型逐渐完善，所以是克服参数变化影响的有力手段。应用于电机控制的自适应方法有模型参考自适应、参数辨识自校正控制以及新发展的各种非线性自适应控制。但所有辨识和校正都需要一个过程，所以对一些参数变化较快的系统，有时候会因来不及校正而难以产生很好的效果。
（2）智能控制
智能控制理论是自动控制学科发展里程中的一个崭新阶段，与传统的经典控制方法相比，具有一系列独到之处。首先，它突破了传统控制理论中必须基于数学模型的框架，不依赖或不完全依赖控制对象的数学模型，只按实际效果进行控制。其次，继承了人脑的非线性，智能控制也具有非线性特征。在复杂系统中，智能控制还具有分层信息处理和决策的功能。
利用智能控制的非线性、变结构、自寻优等各种功能来克服伺服系统变参数与非线性等不利因素，可以提高系统的鲁棒性。目前智能控制在应用中较为成熟的有模糊控制
和神经网络控制，而且大多是在模型控制基础上增加了一定的智能控制手段，以消除参数变化和扰动的影响。
（3）滑模变结构控制
滑模变结构控制是一类特殊的非线性控制，在控制过程中系统的“结构”可根据系统当时的偏差及导数值，以跃变的方式做有目的的改变。滑模变结构控制是利用高速的开关反馈控制，驱使系统的状态轨迹趋于一个特定的由设计者选定的曲面(称为开关面，在二维空间中称为开关线)，并在其后的时间内使系统的状态轨迹维持在该曲面上。
纯粹基于电机数学模型的控制策略存在一个很大的弱点，即不可避免地要受到电机参数变化的影响，而且对电机数学模型的认识还需进一步提高。针对以上问题，本文将改进的滑模变结构控制策略应用到无刷直流电动机的调速系统中，取得了一定的效果。同时，随着计算机技术的飞速发展，尤其是具有高运算速度、强大控制功能的DSP控制器的出现，使得现代控制技术可以方便地应用到无刷直流电动机的调速系统中，得到响应速度更快、实时性更强的数字式控制。
1.3滑模变结构控制理论概述
变结构系统的起源继电系统在工业己有多年的历史，它是一种比较简单的变结构系统，正是由于对继电系统的研究，才引发了变结构控制的概念和方法。继电系统是指控制系统中执行器的特性具有继电特性。继电系统的特性是系统有一个或一个以上的继电元件(或开关元件)，在理论上，对低阶特别是二阶继电系统的研究已相当完善，这种最简单的变结构系统的研究，为变结构控制理论作为一门新的学科分支，起了奠基性的作用，变结构系统的很多概念及方法均源于继电系统，如切换面、切换函数、滑动模态等等。对继电系统的研究，以及相平面分区线性化方法和滑动模态的研究，引发了变结构控制的要领和方法。
自从前苏联学者欧曼尔扬诺夫((S.VEmelgannov)、尤特金(VI.Utkin) [9,10]以及依特克斯(O.Itids)等人于60年代初开始全面研究变结构控制系统以来，变结构控制理论经历了40余年的发展，至今已形成了控制理论的一个分支。1980年以后，由于两个重大发展使得变结构控制在理论上和应用上的研究都大大前进了一步。这两个重大发展一是变结构控制作为控制系统的一种具有普遍性的综合方法被提了出来，另外一个是变结构控制
系统对参数摄动和外部干扰具有极好的鲁棒性的特点得到了充分的认识，才开始进行离散系统的变结构控制研究。其基本思想是利用高速开关控制器将系统状态的运动轨迹驱动到一个由设计者预先确定的滑模面上，系统状态在这个滑模面上滑行至系统平衡点。这种控制理论为不确定性对象提供了一种强有力的确定性控制系统的设计方法和结构十分简单的控制器，且保证控制系统具有很强的鲁棒性和适应性。“变结构”意味着控制系统的结构将会发生某种变化。从广义上看，变结构控制系统主要有两大类：一类是具有滑动模态的变结构控制系统；另一类是不具有滑动模态的变结构控制系统。目前所说的变结构控制系统主要指前者，又称滑模控制（Sliding Mode Control，简称SMC），这是因为变结构控制正是由于滑动模态的存在才使系统对外界干扰及系统参数摄动具有鲁棒性，而且可以通过对滑动模态的设计来获得满意的动态响应品质，且控制系统结构简单易于实现[11]。
1.3.1 滑模变结构控制理论的发展历史
以滑模为基础的变结构控制理论经历了三个发展阶段，早期的工作主要是由前苏联学者完成。在第一阶段，以误差及其导数为状态变量，研究单输入单输出线性对象的变结构控制，开关面限制在规范空间[12]。相应的方程具有如下形式：
u x a x a x x x
+??==2211221,&& （1.1） 式中，1x —误差，1a ，2a —常数。控制u 取如下形式：
1x u ψ?= （1.2）
系数ψ在坐标轴和直线021=+=x Cx s (C 是常数)上切换，
???=βαψ 001
1<>s x s x （1.3） 常系数α和β给出了两种线性结构，结构在控制过程中发生变化，就将其称之为变结构系统。可以限定βα?=，而将上面的控制表为如下形式：
s x u sgn 1α?= （1.4） 这就提出了变结构系统的概念的初级阶段。
第二阶段，1962-1970年，开始研究任意阶线性(定常或时变)系统，该系统的控制和被调量是标量，研究方法和以前一样，采用误差及其导数的坐标空间(为了和现代文献
采用的术语一致，称之为规范空间)，控制由相坐标的作用和构成，每个相坐标有自己的跳变系数。倘若对象受到外部扰动的作用，在辅助装置中有输出量及其导数的局部反馈，这些反馈也有分块定常的作用系数。通常，在规范空间中选某些平面作为主反馈和局部反馈的切换面，或者在接上近似实现误差导数的滤波器的输出坐标的扩展空间中选切换面。因此，这一时期研究的是规范空间中具有标量控制和被调量的分块线性系统。
第三阶段，1970年以后，研究的问题发生了质的扩充。由规范空间转变到更一般的状态空间，设计的系统带有向量控制，而且研究对象是状态空间中带有非线性切换面的本质非线性系统。特别是进入了八十年代后期，随着计算机技术的高速发展以及高速切换电路的产生，使得滑模控制系统的实现变得容易起来。
1.3.2滑模变结构控制理论的研究现状
近十年来，变结构系统理论的研究工作十分活跃，我国专家学者多有建树。高为炳教授首次提出趋近律的概念，不仅控制滑模运动段还控制正常运动段的运动品质；另外高为炳还首次提出自由递阶的概念[11]。文献[13]对离散变结构控制系统进行了深入研究，主要探讨了灰色估计和变结构控制的联合使用问题。
变结构系统研究的另外一个动向，就是把变结构控制与其它控制结合起来。文献[14]将模型算法控制与变结构控制结合，提出一种预测变结构控制策略；文献[15]将变结构控制和PID控制相结合，克服了变结构控制器在滑模线原点附近的高频振动，提高了精度；文献[16]提出了基于模糊自学习的滑模控制；文献[17]将滑模控制与模型参考自适应相结合，简化了系统设计；文献[18]将滑模控制与模糊控制相结合应用于PMSM伺服系统的速度控制；文献[19]提出一种将变结构控制和径向基函数神经网络(RBFNN)相结合的鲁棒跟踪控制策略。
另外，变结构控制理论的发展主要集中在确定性的连续控制系统方面，离散变结构控制系统目前正在引起学者的注意。离散时间系统变结构控制从出现至今，已出现了一些较好的控制方法，例如基于趋近律的离散变结构控制[20]、自适应离散变结构控制[21]、基于智能控制的离散变结构控制[22,23]等，它们都得到了很好的发展及应用。
到目前为止，虽然对滑模控制系统的研究在理论上和应用中都有了很大的发展，但还有许多未解决的理论和实际问题。进入九十年代，滑模控制理论在一般线性系统的研
究基础上，正在向其它控制系统渗透。主要表现在：
（1） 非线性系统的滑模控制。对非线性系统的滑模控制研究在八十年代初期就开始了。但由于受线性系统滑模控制的影响，一般都是将非线性系统通过一定的变换，使其转换为某种规范型，然后再沿用线性系统的设计方法进行控制系统设计。近年来一些西方学者对一般非线性系统，用微分几何理论给出了滑动模态的存在条件和到达条件以及等价控制的描述，特别是将线性切换超平面改成非线性的开关流形，给出了选择非线性流形，从而获得理想滑动模态的新途径。这样一来，不仅在概念上易于理解，而且解决了对非线性系统和非线性系统流形的描述问题，进而可以进行深入的探讨。这种方法的研究前景是十分广阔的，如文献[24]的研究。
（2）具有概率分布参数系统的滑模控制。目前对分布参数的研究才刚开始。对于这类系统，集中参数系统中所采用的理论已不适用，此时的等效控制、滑动模态的存在和到达条件均已改变，需要重新建立。现在，在这方面已取得了一些初步的研究结果。另外，对带有概率分布参数系统的滑模控制，其研究也才刚刚起步，目前还没有得出比较系统的结果。
（3） 时间延迟系统的滑模控制。对于滑模控制的时间延迟系统，必须解决两个问题，第一是找出一个合适的方法来描述滑模运动；第二是如何设计切换矩阵S以产生稳定的滑动模态，虽已有这方面的工作，但目前，这两个问题都还没有得到十分圆满的解决。
但是，与其它控制规律一样，滑模控制所具有的强鲁棒性不是无条件的，而同样是有条件的，即只有当它满足一定的不变性匹配条件时，在滑动模态运动状态下变结构控制才会对参数摄动和外界扰动具有不变性，其闭环系统在滑动模态的动态特性才能不受这些不确定性因素的影响，而仅与受控对象的标称模型及滑动模态的设计有关。因此，在人们对控制效果提出越来越高要求的今天，滑模控制理论的应用研究就成为十分紧迫的问题。
总之，伺服系统滑模变结构控制研究在国内外引起了极大的关注，有了很快的发展，取得了一定的研究成果。但是仍然有许多理论问题尚待解决，特别是变结构控制与智能控制方法如模糊控制、神经网络等先进控制技术的综合应用尚处于研究的初始阶段，绝大多数研究仅局限于仿真阶段，在理论研究转化为实践研究和实用化方面尚有欠缺。
1.4本文主要工作
控制的目的是要使所设计的控制规律满足生产实际的需要，充分发挥控制在生产中的作用，表现为努力改善系统输出响应的动态品质和提高系统控制品质的鲁棒性。本文在对大量文献的分析研究基础之上，对滑模变结构控制理论进行系统的研究，分析和设计了无刷直流电机调速系统的滑模变结构控制策略，构建了硬件试验平台，对控制策略进行了实验和分析，从理论和实验两个方面进行了深入的研究。本文主要工作如下： （1）详细地分析了滑模变结构控制理论的主要内容及其设计方法，简要讨论了离散滑模控制的主要特点，为滑模控制策略设计奠定了理论基础。
（2）在分析无刷直流电动机工作原理的基础上，建立了无刷直流电机的数学模型，并简要分析了转矩脉动情况，为调速系统的设计和实验分析奠定了基础。
（3）分析了无刷直流电机的模型，分别设计了基于常规PID控制、基于改进的滑模控制等策略的调速控制器，对其进行了分析和仿真研究，为实际实验提供了算法。
（4）设计了基于DSP的无刷直流电机滑模调速控制系统硬件平台，在DSP软件开发环境CCS中，用C语言设计编写了本系统的控制软件并进行了调试，完成了基于滑模控制策略的调速系统实验。
第二章 滑模变结构控制系统分析
对于工程应用领域而言，滑模变结构控制理论是一种易于实现的控制系统综合性方法。与其它方法相比较，该方法适用的系统和控制任务的范围非常广，可以应用于线性与非线性系统、连续与离散系统、确定性与不确定性系统、集中参数与分布参数系统、同步与时滞系统等多种控制系统。可以用于控制对象的镇定、运动跟踪等工程应用。为了更好的了解运用滑模变结构控制，研究分析了该控制理论的基本概念以及相关切换函数的设计等内容。
2.1 基本概念
2.1.1 滑动模态
所谓滑动模态，是指一种运动，也叫滑动运动[13]。
设有一被控对象是线性定常的控制系统。方程描述如下：
???+??==u x a x a x
x x 1122221&& （2.1） 式中，1x , 2x 为系统状态变量, 1a , 2a 为固定参数, u 为控制函数。
用1x 构造一个控制作用
1x u ψ?= （2.2）
当αψ=时（其中α为常数）
： ??????==111222
21x x a x a x x x α&& （2.3） 当αψ?=时：
???+??==111222
21x x a x a x x x α&& （2.4） 故系统有两个线性结构。
设2a 为负，使得αψ=时，特征方程有正实部复根，其相平面图如图2.1(a)所示；而αψ?=时，特征方程有一正一负实根，其相平面图如图2.1（b ）所示。
(a) (b)
图2.1 二阶不稳定系统的相轨迹
Fig.2.1 The Phase Locus of The Two Instability 显然，每一种结构都不稳定。αψ=时，为不稳定焦点的情况，可称不稳定焦点结构；αψ?=时，为鞍点的情况，可称鞍点结构。图2.1(b)中0=s ，即021=+x Cx （0>C ，且为常数）这条直线，C 的选定，使它位于1x 轴和αψ?=时双曲线轨迹的渐近线之间。
在01=x 和0=s 这两条直线上改变系统结构时，可以使系统稳定。若结构改变的规律具有如下形式：
??
??=ααψ 0011<>s x s x 当当 （2.5）
图2.2 二阶滑模VSS 的相轨迹
Fig.2.2 The Phase Locus of The Two Sliding Mode VSS
如图2.2所示，当01>x ，0>s （Ⅰ区）和01 稳定焦点的轨迹；当01 点的轨迹。 由图2.2可见，系统状态的代表点由任何初始位置出发，总会碰到直线0=s ，在这条直线的邻域，两结构的轨迹指向相对，故往后系统的运动将是沿着0=s 这条直线 的滑动模态，如图2.2中0=s 上的锯齿线所示。直线0=s 是控制产生切换的边界线，由于控制切换，直线0=s 常被称为切换线；在01=x 上，虽然ψ发生切换，但控制不切换（因为s x u sgn 1α?=） ，01=x 一般不叫切换线。若系统的运动一旦进入滑动模态，则21x Cx +应当等于0，因为21x Cx s +=。又因状态方程中21x x =&，故有 011=+Cx x & （2.6） 此关系式为一阶微分方程，它被用来作为描述滑动运动的方程，叫滑动模态方程或滑动方程。显然，此方程的解为 Ct e x t x ?=)0()(11 （2.7） 式中，)0(1x 为)(1t x 的初始状态，011)()0(==t t x x 。当0>C 时变结构系统（2.1），（2.2），（2.5）是稳定的。 可见，两种结构都不稳定的变结构系统，若正确选择切换线，引入滑动模态后，可以是稳定的。这就是一个简单的滑动模态变结构控制系统。 由此，就可以得出一个比较直观的滑模变结构控制系统的定义，如下所述： 设有非线性控制系统 ),,(t u x f x =& （2.8） R t R u R x m n ∈∈∈,, 切换函数向量为 m R s x s ∈),( （2.9） 其具有的维数一般等于控制的维数，并且寻求变结构控制 ???=?+) ()()(x u x u x u i i i 0)(0)(<>x s x s i i 当当 （2.10） 其中)()(x u x u i i ? +≠，使得： (1) 切换面0)(=x s i 以外的相轨迹于有限时间内进入切换面； (2) 切换面是滑动模态区； (3) 滑动运动渐近稳定，动态品质良好。 具备上述条件的控制系统，就称之为滑动模态变结构控制系统。 2.1.2 动态品质及趋近律仿真 模变结构控制系统的运动由两部分组成：第一部分是系统在连续控制)0(),(>+ i i s x u 或者)0(),( 过渡过程的品质，决定于这两段运动的品质[11]。按照滑模变结构原理，正常运动段 必须满足滑动模态的可达性条件。最常用的方法是广义滑模条件0 具体轨迹未作任何规定。在远离切换面时，如果s &过小，会使系统动态响应过慢，而在接近切换面时，如果s &过大，往往会引起较强烈的抖振。 为了使系统在正常运动段有较好的运动品质且在有限的时间内到达切换面，可以使用规定“趋近律”来保证正常运动的品质。 考虑简单的二阶系统BU AX X +=&，其中?? ????=???????=1000,20010B A 。 对如下几种常见的趋近律进行仿真，给出了系统开始进入滑模面的切换函数曲线，通过对比分析，对趋近律进行研究。其中，切换函数只取系统在滑模面上[-0.2,0.2]范围内的变化曲线。 （1） 等速趋近律 0,sgn >?=εεs s & （2.11） 趋近速度为ε。如果ε甚小，则趋近速度很慢，即正常运动是慢速的，调节过程太慢；反之如果ε较大，则到达切换面时，系统具有较大速度，这样将引起较大的抖动。故这种最简单的趋近规律，虽然能够较容易地求得控制)(x u ±，且)(x u ±本身也比较简单，但运动的品质有时不够好。 图2.3为10=ε的切换函数曲线，图2.4为30=ε的切换函数曲线。由仿真结果可以看出，当ε较小时，趋近速度较慢，调节过程较慢；当ε较大时，趋近速度较快，调节过程也较快，但系统的抖动较大，运动品质不够好，不利于系统的实际运行。 图2.3 S 函数曲线 图2.4 S 函数曲线 Fig.2.3 Curve of S-Function Fig.2.4 Curve of S-Function （2）指数趋近律 0,0,sgn >>??=k ks s s εε& （2.12） 从0,>??=s ks s 当ε&可解出 kt e k s k t s ?++?=)()(0ε ε （2.13） 可以看出k 充分大时的趋近比按等速规律要快。 图2.5 S 函数曲线 Fig.2.5 Curve of S-Function 为了减小抖动，可以减小到达0)(=x s 时的速度ε?=s &；即增大k ，减小ε可以加速趋近过程，减小抖振。 此趋近律比(1)显然要复杂些，这在求控制时就会显示出来，但却能大大改善趋近0)(=x s 的正常运动：趋近过程变快，引起的抖动却可以大大削弱。 第八章直流调速系统 8.1 概述 调速方法通常有机械的、电气的、液压的、气动的几种，仅就机械与电气调速方法而言，也可采用电气与机械配合的方法点，如可简化机械变速机构，提高传动效率，操作简单，易于获得无极调速，便于实现远距离控制和自动控制，因此，在生产机由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长位。当然，近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统发展很快，在许多场合正逐渐取代直流调速仍然是自动调速系统的主要形式。在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需泛采用直流调速系统。而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础 8.1.1直流电机的调速方法 根据第三章直流电机的基本原理，由感应电势、电磁转矩以及机械特性方程式可知，直流电动机的调速方法有三种： （1）调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速的系统来说，这种方法最好。变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。 （2）改变电动机主磁通。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。 （3）改变电枢回路电阻。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。 改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动和调压调速配合使用，在额定转速以上作小围的升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速直流电动机电枢绕组中的电流与定子主磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，电枢因而转动。直流电动机电磁转矩中的常方便地分别调节，这种机理使直流电动机具有良好的转矩控制特性，从而有优良的转速调节性能。调节主磁通一般还是通过调节速，还是调磁调速，都需要可调的直流电源。 8.1.3 调速系统性能指标 任何一台需要转速控制的设备，其生产工艺对控制性能都有一定的要求。例如，精密机床要求加工精度达到几十微米至几的围调速，最高和最低相差近300倍；容量几千kW的初轧机轧辊电动机在不到1秒的时间就得完成从正转到反转的过程；高速造速误差小于0.01%。所有这些要求，都可以转化成运动控制系统的稳态和动态指标，作为设计系统时的依据。 转速控制要求 各种生产机械对调速系统提出了不同的转速控制要求，归纳起来有以下三个方面： （1）调速。在一定的最高转速和最低转速围，分档（有级）地或者平滑（无级）地调节转速。 （2）稳速。以一定的精度在所需转速上稳定地运行，不因各种可能的外来干扰（如负载变化、电网电压波动等）而产生（3）加、减速控制。对频繁起、制动的设备要求尽快地加、减速，缩短起、制动时间，以提高生产率；对不宜经受剧烈速量平稳。 以上三个方面有时都须具备，有时只要求其中一项或两项，其中有些方面之间可能还是相互矛盾的。为了定量地分析问题个调速系统的性能。 稳态指标 运动控制系统稳定运行时的性能指标称为稳态指标，又称静态指标。例如，调速系统稳态运行时调速围和静差率，位置随控制系统的稳态力误差等等。下面我们具体分析调速系统的稳态指标。 （1）调速围D 生产机械要求电动机能达到的最高转速nmax和最低转速nmin之比称为调速围，用字母D表示，即 无刷直流电机(BLDC)双闭环调速系统 在无刷直流电机双闭环调速系统中，双闭环分别是指速度闭环和电流闭环。对于PWM 的无刷直流电机控制来说，无论是转速的变化还是由于负载的弯化引起的电枢电流的变化，可控量输出最终只有一个，那就是都必须通过改变PWM的占空比才能实现，因此其速度环和电流环必然为一个串级的系统，其中将速度环做为外环，电流环做为内环。调节过程如下所述：由给定速度减去反馈速度得到一个转速误差，此转速误差经过PID调节器，输出一个值给电流环做给定电流，再由给定电流减去反馈电流得到一个电流误差，此电流误差经过PID 调节器，输出一个值就是占空比。 在速度环和电流环的调节过程中，PID的输出是可以作为任意量纲(即无量纲，用标幺值来表示；标幺值：英文为per unit，简写为pu，是各物理量及参数的相对单位值,是不带量纲的数值)来输入给下一环节或者执行器的，因此无需去管PID输出的量纲，只要是这个输出值反映了给定值和反馈值的差值变化，能够使这个差值无限趋近于零即可，相当于将输出值模糊化，不用去搞的太清楚，如果你要是一直在这里纠结输出值具体是个什么东西时，那么你就会瞎在这里出不来了。假如你要控制一个参数，并且这个参数的大小和你给定量和反馈量有着直接的关系(线性关系或者一阶导数关系或者惯性关系等)，那么就可以不做量纲变换。比如速度环的PID之后的输出就可以直接定义为转矩，因为速度过慢就要提高转矩，速度过快就要减小转矩，PID输出量的意义是调整了这个输出量，就可以直接改变你要最终控制的参数，并且这个输出量你是可以直接来控制的，这种情况下PID输出的含义是你可以自己定的，比如直流电机，速度环输出你可以直接定义为转矩，也可以定义为电流，然后适当的调节PID的各个参数，最终可以落到一个你能直接控制的量上，在这里最终的控制量就是占空比的值，当占空比从0%—100%时对应要写入到寄存器里面的值为0—3750时，那么0—3750就是最终的控制量的范围。 在调速控制中，既要满足正常负载时的速度调节，还要满足过负载时进行电流调节。如果单独采用一个调节器时，其调节器的动态参数无法保证两种调节过程同时具有良好的动态品质，因此采用两个调节器，分别调节主要被调量转速和辅助被调量电流，以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，电流环是通过电流反馈控制使电机电枢电流线性受控，可达到电机输出力矩的线性控制，并使其动态范围响应快，最后再输出去控制占空比，从而改变MOSFET的导通时间，二者之间实行串级连接，它是直流电力传动最有效的控制方案。 在双闭环调速系统中，输入参数有三个，分别为给定速度和反馈速度以及反馈电流，其中给定速度由用户指定，一般指定为旋转速度(RPM 转/分钟)或直线速度(m/s 米/秒)。而反馈速度和反馈电流则需要由传感器来获取，下面来讲一下在无刷直流电机控制系统中，反馈速度和反馈电流的获取。 反馈速度：简单点的就由电机内用来检测转子位置的三个霍尔元件来得到，高端点的就加光电编码器，分别称为霍尔元件测速和编码脉冲测速。 霍尔元件测速：在电机磁极对数为1的情况下，转子旋转一周的时间内，霍尔传感器输出3路各180度信号，其中每两个传感器之间有60度的交叠信号，只要检测其中一路霍尔传感器的信号宽度就能计算出电机的速度。用输入捕捉(CAP)端口在上升沿捕捉一个时间标签，再在下降沿捕捉一个时间标签，根据两个时间标签的差值得出周期，由于霍尔传感器是在电机内固定不变的，因此每次在霍尔传感器的信号宽度下旋转的角度是一定的(即走过的距离是固定的)，最后用此固定的距离除以周期即可得到速度，即T法测速，测量两个信号 附录 1. C语言源程序： #include"stdio.h" #include"myapp.h" #include"ICETEK-VC5502-EDU.h" #include"scancode.h" #include"lcd.h" #define CTRSTATUS (*(unsigned int * )0x608000) //port8000 #define CTRLED (*(unsigned int * )0x608004) //port8004 #define MCTRKEY (*(unsigned int * )0x608005) //port8005 #define CTRCLKEY (*(unsigned int * )0x608006) //port8006 #define CTRMOTORBSPEED (*(unsigned int * )0x608003) void InitMcBSP(); void INTR_init( void ); void InitForMotorB( void ); void showparameters(); void LCDPutString(unsigned int * pData,int x,int y,unsigned int nCharNumber,unsigned color); void PIDControl(int rk,int yk); void PrintParameters(); //定时器分频参数 #define T100 99 // 100个时钟周期中断一次 #define T2Hz 20000 // 20000个时钟周期读取速度一次 //工作变量 usigned int uWork,uN,nCount,nCount1,nCount2,nCount3,nCount4; int nSSS,nJSSpeed,pwm1; int md,wc; unsigned int nScreenBuffer[30*128]; float a=0.6f,b=0.2f,c=0.1f,duk; int ek,ek1,ek2,tz; 直流电机控制系统 摘要：本文利用MCS-51系列单片机产生PWM信号，采用了自己设计的电机驱动电路，实现对直流电机的转速和控制方向的控制，并着重对电机驱动电路的设计进行叙述。主要模块包括单片机控制模块、电机驱动模块、电机接口模块、电源模块、键盘控制模块。 关键词：PWM信号，直流电机，电机驱动，单片机 引言 随着科学技术的迅猛发展,电气设备发展日新月异.尤其以计算机,信息技术为代表的高新技术的发展,使制造技术的内涵和外延发生了革命性的变化,传统的电气设备设计,制造技术不断吸收信息控制,材料,能量及管理等领域的现代成果,综合应用于产品设计,制造,检测,生产管理和售后服务.在生产技术和生产模式等方面,许多新的思想和概念不断涌现,而且,不同科学之间相互渗透,交叉融合,迅速改变着传统电气设备制造业的面貌,从而使得产品频繁的更新换代,这就使得电机成为社会生产和生活中必不可少的工具.随着科学技术的不断发展,人类社会的不断进步,人们对生活产品的需求要不断趋向多样化,这就要求生产设备必须具有良好的动态性能,在不同的时候进行不同的操作,完成不同的任务.为了使系统具有良好的动态性能必须对系统进行设计.特别是大型的钢铁行业和材料生产行业,为达到很高的控制精度,速度的稳定性,调速范围等国产直流电机简介为了满足各行业按不同运行条件对电动机提出的要求,将直流电机制造成不同型号的系列.所谓系列就是指结构形状基本相似,而容量按一定比例递增的一系列电机.它们的电压,转速,机座型号和铁心长度都是一定的等级.现将我国目前生产的几个主要系列直流电机简要的介绍如下。Z2系列为普通用途的中,小型电机.它的容量从400W到200KW,电动机的额定电压有200V和110V两种,额定转速有3000,1500,1000,750及600r/min五个等级.Z2系列普通用 目录 1绪论 (1) 1.1 直流无刷电动机发展状况 (1) 1.2直流无刷电机控制技术的发展 (1) 2 直流无刷电动机的工作原理 (2) 2.1 直流无刷电动机的结构与原理 (2) 2.2三相绕组直流无刷电动机控制主回路的基本类型 (4) 2.3直流无刷电动机控制系统中的PWM控制器 (5) 3 直流无刷电动机控制系统的数学模型 (6) 3. 1直流无刷电动机的基本方程 (7) 3. 2直流无刷电动机控制系统的动态数学模型 (10) 4 硬件电路 (12) 4.1 主电路 (12) 4.2换相电路 (14) 5 软件部分设计 (17) 5. 1软件总体构成 (17) 5. 2主程序的设计 (17) 5. 3中断子程序的设计 (19) 结论 (21) 参考文献 (22) 致谢 .............................................................. 错误!未定义书签。 1绪论 1.1 直流无刷电动机发展状况 电动机作为机电能量转换装置，其应用围已经遍及国民经济的各个领域，电动机主要类型有同步电动机、异步电动机与直流电动机三种。直流电动机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，因此被广泛应用于各种调速系统中。但传统的直流电动机均采用机械电刷的方式进行换向，存在相对的机械摩擦，和由此带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点。因此，早在1917年，Bulgier就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机(BLDCM: Brushless Direct Current Motor)的基本思想。 1955年，美国D·Harrison等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利，标志着无刷直流电机的诞生。1978年，原联邦德国MANNESMANN公司的Indramat分部在汉诺威贸易展览会上正式推出其MAC永磁无刷直流电机及其驱动系统，标志着永磁无刷直流电机真正进入了实用阶段。二十世纪80年代国际上对无刷电机开展了深入的研究，先后研制成方波和正弦波无刷直流电机，在10多年的时间里，无刷直流电机在国际上己得到较为充分的发展。现代电力电子器件工艺日臻成熟，出现了功率晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、功率场效应晶体管(MOSFET)，特别是绝缘栅双极晶体管(IGBT ), MOS可控晶闸管(IGCT)的开发成功，使无刷直流电机功率驱动电路的可靠性和稳定性得到保障。直流无刷电动机的发展也使得传统的电机学科同当代许多新技术的发展密切相关。随着大功率半导体器件、电力电子技术、微电子技术、数字信号处理技术、现代控制理论的发展以及高性能永磁材料的不断出现，如今的无刷直流电机系统己经成为集特种电动机、功率驱动器、检测元件、控制软件与硬件于一体的典型的机电一体化产品，体现了当今工程科学领域的许多最新成果。 1.2直流无刷电机控制技术的发展 常规控制器(PID控制)尽管控制精度较高，但它需要建立描述动态系统的精确的数学模型，对于未知动态变化的系统要建立精确的数学模型是比较困难的。比如干扰、参数漂移和噪声等不可能在很高的精度下进行模型化。 毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目：直流电动机无级调速 1．设计（论文）的主要任务及目标 (1) 本次的设计任务就是直流电动机无级调速的设计，使其能更好的为我们的生产和生活服务。 (2) 本次的设计目的就是要求设计要使得电动机转速可以由零平滑调至额定转速，能实现高速起动，具有较高的调速精度。 2．设计（论文）的基本要求和内容 (1) 直流电动机的基本知识 (2) 直流电动机的运行原理 (3) 主电路以及控制电路的设计 3．主要参考文献 [1] 张家生.电机原理与拖动基础.北京邮电学院出版社，2006年 [2] 唐介.电机与拖动. 北京:高等教育出版社,2003年 [3] 陈世元.电机学.中国电力出版社，2004年 [4] 徐邦荃.直流调速系统与交流调速系统.华中科技大学出版社,2008年 [5] 赵影.电机与电力拖动. 北京:国防工业出版社,2006年 4．进度安排 设计（论文）各阶段名称起止日期 1 论文初稿2012年12月27日 2 第一次修改2012年12月30日 3 第二次修改2013年01月08日 4 第三次修改2013年02月17日 5 论文终稿2013年03月16日 I 直流电动机无极调速 摘要 本设计主要是运用调速系统对直流电动机进行调速，使其实现无级的效果。此调速系统由主电路和控制电路两部分组成：主电路是采用晶闸管可控整流装置进行调速;控制电路是采用双闭环速度电流调节方法进行反馈。系统采用调压调速的调速方法可以获得与电动机固有机械特性相互平行的人为机械特性，调速方向是基速以下，只要输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无级调速。双闭环速度电流调节这种方法虽然初次头次成本相对而言较高，但它保证了系统的性能，保证了对生产工艺要求的满足，它既兼顾了启动时的电流的动态过程，又保证稳态后速度的稳定性，在起动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈。达到稳态后，只要转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用很好地满足了生产需要。 关键词：无级调速；双闭环；晶闸管 II 1引言无刷直流电机最本质的特征是没有机械换向器和电刷所构成的机械接触式换向机构。现在，无刷直流电机定义有俩种：一种是方波/梯形波直流电机才可以被称为无刷直流电机，而正弦波直流电机则被认为是永磁同步电机。另一种是方波/梯形波直流电机和正弦波直流电机都是无刷直流电机。国际电器制造业协会在1987年将无刷直流电机定义为“一种转子为永磁体，带转子位置信号，通过电子换相控制的自同步旋转电机”，其换相电路可以是独立的或集成于电机本体上的。本次设计采用第一种定义，把具有方波/梯形波无刷直流电机称为无刷直流电机。从20世纪90年代开始，由于人们生活水平的不断提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都向着高效率化、小型化及高智能化发展，电机作为设备的重要组成部分，必须具有精度高、速度快、效率高等优点，因此无刷直流电机的应用也发展迅速[1]。 1.1 无刷直流电机的发展概况 无刷直流电动机是由有刷直流电动机的基础上发展过来的。 19世纪40年代，第一台直流电动机研制成功，经过70多年不断的发展，直流电机进入成熟阶段，并且运用广泛。 1955年，美国的D.Harrison申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，形成了现代无刷直流电动机的雏形。 在20世纪60年代初，霍尔元件等位置传感器和电子换向线路的发现，标志着真正的无刷直流电机的出现。 20世纪70年代初，德国人Blaschke提出矢量控制理论，无刷直流电机的性能控制水平得到进一步的提高，极大地推动了电机在高性能领域的应用。 1987年，在北京举办的德国金属加工设备展览会上，西门子和博世两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了我国有关学者的注意，自此我国开始了研制和开发电机控制系统和驱动的热潮。目前，我国无刷直流电机的系列产品越来越多，形成了生产规模。 无刷直流电动机的发展主要取决于电子电力技术的发展，无刷直流电机发展的初期，由于大功率开关器件的发展处于初级阶段，性能差，价格贵，而且受永磁材料和驱动控制技术的约束，这让无刷直流电动机问世以后的很长一段时间内，都停 基于PWM控制的直流电机自动调速系统设计 1 绪论 1.1 课题的研究背景和意义 直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高的效率，优异的动态特性;尽管近年来不断受到其他电动机(如交流变频电机、步进电机等)的挑战，但到目前为止，它仍然是大多数调速控制电动机的优先选择。 近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大变化。随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制 (PulseWidthModulation，简称PWM)控制方式已成为绝对主流。这种控制方式很容易在单片机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。 五十多年来，直流电气传动经历了重大的变革。首先，实现了整流器件的 更新换代，从50年代的使用己久的直流发电机一电动机组(简称G-M系统)及水银整流装置，到60年代的晶闸管电动机调速系统(简称V-M系统)，使得变流技术产生了根本的变革。再到脉宽调制 (PulsewidthModulation)变换器的产生，不仅在经济性和可靠性上有所提高，而且在技术性能上也显示了很大的优越性，使电气传动完成了一次大的飞跃。另外，集成运算放大器和众多的电子模块的出现，不断促进了控制系统结构的变化。随着计算机技术和通信技术的发展，数字信号处理器单片机应用于控制系统，控制电路己实现高集成化，小型化，高可靠性及低成本。以上技术的应用，使系统的性能指标大幅度提高，应用范围不断扩大。由于系统的调速精度高，调速范围广，所以，在对调速性能要求较高的场合，一般都采用直流电气传动。技术迅速发展，走向成熟化、完善化、系统化、标准化，在可逆、宽调速、高精度的电气传动领域中一直居于垄断地位[1]。 目前，国内各大专院校、科研单位和厂家也都在开发直流数字调速装置。姚勇涛等人提出直流电动机及系统的参数辨识的方法。该方法依据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法，即可获得系统或环节的内部参数，所获的参数具 一、 直流无刷电机转速控制 1. 模拟PID 控制 1.1 模拟PID 控制原理 在模拟控制系统中，最常用的控制器就是模拟PID 控制器。以下图所示直流电机 控制系统为例，说明PID 控制器控制电机转速的原理。图中)(0t n 为转速设定值，)(t n 为转速反馈值，)()()(0t n t n t e -=为偏差信号，偏差信号通过PID 控制器后产生控制作用作用于直流电机从而控制电机转速到设定值。 常见的模拟PID 控制系统如下图所示。PID 控制器由比例、积分、微分的线性组合构成。控制规律如下： ]) ()(1)([)(0?++=t d i p dt t de T d e T t e K t u ττ * 其中： p K ——控制器的比例系数 i T ——控制器的积分系数 d T ——控制器的微分系数 1) 比例部分 比例部分的数学表达式：)(t e K p 。 比例部分的作用是对偏差信号做出快速反应，一旦控制器检测到偏差，比例部分就 能迅速产生控制作用，且偏差越大，控制作用越强。但仅存在比例控制的系统存在稳态偏差。比例系数越大，响应越快，过渡越快，稳态偏差也越小，但系统也越不稳定，因此比例系数必须选择恰当。 2) 积分部分 积分部分的数学表达式： ?t i p d e T K 0 )(ττ。 从积分部分表达式可以看出，只要系统输出与设定值存在偏差，积分作用就会不断增加，知道偏差为零，因此积分部分可以消除稳态偏差。但积分作用会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。积分常数越小，积分作用越强，过渡过程容易产生震荡，但回复时间减小；积分常数越大，积分作用越弱，过渡过程不产生震荡，但回复时间增长。因此应根据具体情况选取积分常数。 3) 微分部分 微分部分的数学表达式： dt t de T K d p ) (。 微分作用能阻值偏差的变化。它根据偏差的变化趋势进行控制。偏差变化越快，微分作用越强，能在偏差变化之前就行控制。微分作用的引入有助于减小超调量，克服振荡；但微分作用对噪声很敏感，导致系统的错误响应，使系统不稳定。 为实现PID 控制器的软件实现，将式*进行适当离散化，即离散PID 。 2. 数字PID 控制 2.1 位置式PID 算法 离散化处理的方法是，以T 为采样周期，对模拟信号进行采样，以k 为采样序列号，进行以下近似： T e e dt t de e T d e kT t k k k j j t 1 )()(-=-≈≈≈∑?ττ 将上式带入式*，得到如下式所示的位置式离散PID 控制规律。 ][1 T e e T e T T e K u k k d k j j i k p k -=-++ =∑ ** 由于位置式PID 要对t 时刻之前的所有输出进行记录，工作量大，对计算机硬件要求高。增量式PID 可避免这些。 2.2 增量式PID 算法 由式**得到 ][2 11 11T e e T e T T e K u k k d k j j i k p k ---=---++ =∑ 将式**与上式相减，得到增量式PID 控制规律如下 211)21()1(---++-++ =-=?k d p k d p k d i p k k k e T T K e T T K e T T T T K u u u *** 一旦得出控制作用的增量，就可递推得出当前控制作用的输出。 2.3 控制器参数整定 1) 离线整定法 步骤 1：将控制器从“自动”模式切换至“手动”模式（此时控制器输出完全由人工控制），人为以阶跃方式增大或减少控制器输出，并记录控制器相关的输入输出动态响应数据。 步骤 2：由阶跃响应数据估计特性参数 K , T ,τ。 毕业设计论文 题目永磁无刷直流电机调速系统设计 （院）系电气与信息工程系 专业电气工程及其自动化班级 0001 学号 0001120121 学生姓名万志雄 导师姓名谢卫才 完成日期 2004-6-15 湖南工程学院 毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目：无刷永磁直流电机调速系统 姓名万志雄系别电气与信息工程系专业电气工程及其自动化班级0001 学号 指导老师谢卫才教研室主任 一、基本任务及要求： 阐述无刷直流电机的发展过程，基本原理和结构。从无刷永磁直流电动机的基本原理和调速原理出发，设计出一个无刷永磁直流电机和系统。 二、进度安排及完成时间： 2月16日明确设计任务书和具体安排 2月20日下午设计任务书抽查 2月16日-3月6日查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告 3月6日抽查文献综述、开题报告撰写情况 3月7日-3月21日毕业实习、撰写实习报告 3月22日-5月29日毕业设计 4月底毕业设计中期检查 5月30日-6月15日撰写毕业设计说明书（论文） 6月16日毕业设计说明书抽查（论文） 6月16日-6月20日修改、装订毕业设计说明书、指导教师评阅 6月18日-6月26日毕业设计答辩（公开答辩、分组答辩） 前言 永磁无刷直流电动机由于没有换向火花，没有无线电干扰，既具有交流电动机的结构简单，运行可靠，维护方便等一系列优点，又具有直流电动机的运行效率高，无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点，因此被广泛用于国民经济的各个领域，并且日益普及。所以,对于永磁无刷直流电动机的研究将是具有非常重要的意义.本文针对永磁无刷直流电动机所具有的各种优点 本课题对永磁无刷直流电动机的研究基于以下几个方面:无刷直流电机本体的研究, 气隙磁场和电磁转矩的研究, 电磁转矩的研究, 电气损耗的研究, 系统仿真的研究, 换向逻辑的问题的研究, 位置传感器的设计的研究. 但是，由于许多原因，无刷永磁直流电机还存在缺陷，并没有完全适应国民经济的发展，且电机的需求量在随着国民经济的迅猛增长而不断增大。由此可以看出，研究新型无刷直流电机是当务之急。 本课题主要从无刷永磁直流电动机的基本原理出发，阐述无刷永磁直流电动机的基本结构、控制和具体的应用,并且设计一台无刷永磁直流电动机。 本课题主要解决以下几个方面的问题:永磁无刷直流电动机的结构原理,电磁设计和具体应用. PID闭环速度调节器采用比例积分微分控制 闭环速度调节器采用比例积分微分控制（简称PID控制），其输出是输入的比例、积分和微分的函数。PID调节器控制结构简单，参数容易整定，不必求出被控对象的数学模型，因此PID 调节器得到了广泛的应用。 PID调节器虽然易于使用，但在设计、调试无刷直流电机控制器的过程中应注意：PID调节器易受干扰、采样精度的影响，且受数字量上下限的影响易产生上下限积分饱和而失去调节作用。所以，在不影响控制精度的前提下对PID控制算法加以改进，关系到整个无刷直流电机控制器设计的成败。 2速度设定值和电机转速的获取 为在单片机中实现PID调节，需要得到电机速度设定值（通过A／D变换器）和电机的实际转速，这需要通过精心的设计才能完成。 无刷直流电机的实际转速可通过测量转子位置传感器（通常是霍尔传感器）信号得到，在电机转动过程中，通过霍尔传感器可以得到如图2所示的周期信号。 由图2可知，电机每转一圈，每一相霍尔传感器产生2个周期的方波，且其周期与电机转速成反比，因此可以利用霍尔传感器信号得到电机的实际转速。为尽可能缩短一次速度采样的时间，可测得任意一相霍尔传感器的一个正脉冲的宽度，则电机的实际转速为：但由于利用霍尔传感器信号测速，所以测量电机转速时的采样周期是变化的，低速时采样周期要长些，这影响了PID 调节器的输出，导致电机低速时的动态特性变差。解决的办法是将三相霍尔传感器信号相“与”，产生3倍于一相霍尔传感器信号频率的倍频信号，这样可缩短一次速度采样的时间，但得增加额外的硬件开销。直接利用霍尔传感器信号测速虽然方便易行，但这种测速方法对霍尔传感器在电机定子圆周上的定位有较严格的要求，当霍尔传感器在电机定子圆周上定位有误差时，相邻2个正脉冲的宽度不一致，会导致较大的测速误差，影响PID调节器的调节性能。若对测速精度要求较高时，可采用增量式光电码盘，但同样会增加了电路的复杂性和硬件的开销。 电机速度设定值可以通过一定范围内的电压来表示。系统中采用了串行A／D（如ADS7818）来实现速度设定值的采样。但在电机调速的过程中，电机控制器的功率输出部分会对A／D模拟输入电压产生干扰，进行抗干扰处理。 3非线性变速积分的PID算法 （1）PID算法的数字实现 离散形式的PID表达式为： 其中：KP，KI，KD分别为调节器的比例、积分和微分系数；E（k），E（k－1）分别为第k 次和k－1次时的期望偏差值；P（k）为第k次时调节器的输出。 比例环节的作用是对信号的偏差瞬间做出反应，KP越大，控制作用越强，但过大的KP会导致系统振荡，破坏系统的稳定性。积分环节的作用虽然可以消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量，甚至使系统出现等幅振荡，减小KI可以降低系统的超调量，但会减慢系统的响应过程。微分环节的作用是阻止偏差的变化，有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，但其对干扰敏感，不利于系统的鲁棒性。 （2）经典PID算法的积分饱和现象 当电机转速的设定值突然改变，或电机的转速发生突变时，会引起偏差的阶跃，使｜E（k）｜增大，PID的输出P（k）将急剧增加或减小，以至于超过控制量的上下限Pmax，此时的实际控制量只能限制在Pmax，电机的转速M（k）虽然不断上升，但由于控制量受到限制，其增长的速度减慢，偏差E（k）将比正常情况下持续更长的时间保持在较大的偏差值，从而使得PID 算式中的积分项不断地得到累积。当电机转速超过设定值后，开始出现负的偏差，但由于积分项已有相当大的累积值，还要经过相当一段时间后控制量才能脱离饱和区，这就是正向积分饱和，反向积分饱和与此类似。解决的办法：一是缩短PID的采样周期（这一点单片机往往达不到）， PID算法在无刷直流电机调速电路中的应用 摘 要：在分析了无刷直流电机闭环速度控制方案的基础上,针对PID算法在无刷直流电机应用中出现的种种问题,给出了相应的解决方法,提出了非线性变速 积分PID算法,成功地解决了在低采样周期时PID算法的积分饱和问题。 直流电机具有良好的调速性能,如无级调速、调速范围宽、低速性能好、高起动转矩、高效率等。无刷直流电机由于采用电子换向,PWM调速,在进一步提高直流电机性能的同时又克服了直流电机机械换向带来的一系列问题,从而大大延长了电机的使用寿命,近年来已广泛应用于家电、汽车、数控机床、机器人等领域。 1、无刷直流电机的速度控制方案 对无刷直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差 率（额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多;当要求的静差率相同时, 闭环调速系统的调速范围可以大大提高。无刷直流电机的速度控制方案如图1所示。 无刷直流电机控制器可采用电机控制专用DSP（如TI公司的TMS320C24X 系列、AD公司的ADMCxx系列），也可采用单片机＋无刷直流电机控制专用集成电路的方案。前者集成度高，电路设计简单，运算速度快，可实现复杂的速度控制算法，但由于DSP的价格高而不适合于小功率低成本的无刷直流电机控制器。后者虽然运算速度低，但只要采用适当的速度控制算法，依然可以达到较高的控制精度，适合于小功率低成本的无刷直流电机控制器。 摩托罗拉公司的第二代无刷直流电机控制专用集成电路MC33035，集成了转子位置传感器译码器电路、脉宽调制电路（PWM）、功率输出驱动电路、限流电路，可以实现无刷直流电机速度开环系统的全部控制功能。系统中采用了一片MC33035、一片低成本的单片机AT89C2051、串行输入A／D、串行输出D／A 以及由MOSFET型场效应管组成的功率驱动电路，无刷电机控制逻辑和保护由MC33035完成，单片机用来完成转速设定值的获取、转速反馈的实时采样以及速度控制算法的实现。 1.改变电枢回路电阻调速 当负载一定时，随着串入的外接电阻R的增大，电枢回路总电阻增大，电动机转速就降低。 2.改变电枢电压调速 连续改变电枢供电电压，可以使直流电动机在很宽的范围内实现无级调速。 3.采用晶闸管变流器供电的调速方法 变电枢电压调速是直流电机调速系统中应用最广的一种调速方法。 4.采用大功率半导体器件的直流电动机脉宽调速方法 我比较喜欢这种调速方法。 5.改变励磁电流调速 当电枢电压恒定时，改变电动机的励磁电流也能实现调速。 电动机的转速与磁通Ф（也就是励磁电流）成反比，即当磁通减小时，转速升高；反之，则降低。由于电动机的转矩是磁通和电枢电流的乘积，电枢电流不变时，随着磁通的减小，其转速升高，转矩也会相应地减小。典型恒功率调速。 2. 从调整的部位来讲有： 1.调整电枢电流。 2.调整励磁电流。 从调整电流的方式来讲有： 1.电阻调速。 2.斩波调速。 常用的有：磁场消弱，磁极减对，电枢串联电阻降压。 直流电动机分为有换向器和无换向器两大类。直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行、设备制造方便、价格低廉；但缺点是效率低、机械特性软，不能得到较宽和平滑的调速性能。该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场合。30年代末期，发电机-电动机系统的出现才使调速性能优异的直流电动机得到广泛应用。这种控制方法可获得较宽的调速范围、较小的转速变化率和平滑的调速性能。但此方法的主要缺点是系统重量大、占地多、效率低及维修困难。近年来，随着电力电子技术的迅速发展，由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能也远远地超过了发电机-电动机调速系统。特别是大规模集成电路技术以及计算 摘要 运动控制系统中应用最广泛的是自动调速系统，在工程实践中，有许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的稳态、动态性能。晶闸管直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机-发电机、测速反馈系统组成。晶闸管调速系统以其良好的调速性能而广泛应用于生产生活中。闭环控制对电动机的稳定性有很好的保障。对于晶闸管直流电动机系统的研究要从两个方面进行，一是在带电动机负载时整流电路的工作情况；二是由整流电路供电时电动机的工作情况。本文介绍了晶闸管直流电机调速系统，运用M a t l a b 进行了仿真，并对晶闸管直流调速系统参数和环节特性进行了分析和测定。 关键词：晶闸管，整流，直流调速，M a t l a b，闭环控制 目录 第一章概述 (3) 第二章调速控制系统的性能指标 (4) 2.1 直流电动机工作原理 (4) 2.2 电动机调速指标 (4) 2.3 直流电动机的调速 (5) 2.4直流电机的机械特性 (6) 第三章单闭环直流电动机系统 (7) 3.1 三相桥式全控整流电路 (7) 3.1.1带电阻负载时的工作情况 (7) 3.1.2 三相桥式全控整流电路计算公式 (9) 3.2 单闭环直流调速 (9) 第四章电路设计和仿真 (10) 4.1 电路原理 (10) 4.2 参数设定及Matlab的仿真 (11) 4.2.1 系统仿真图 (11) 4.2.2 系统的建模和参数的设定 (11) 4.3 仿真结果 (13) 第五章总结 (15) 参考文献 (16) 第一章概述 电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据工艺要求调节其转速。比如：在加工毛坯工件时，为了防止工件表面对生产刀具的磨损，因此加工时要求电机低速运行；而在对工件进行精加工时，为了缩短加工时间，提高产品的成本效益，因此加工时要求电机高速运行。所以，我们就将调节电动机转速，以适应生产要求的过程就称之为调速；而用于完成这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统。 目前调速系统分为交流和直流调速系统，由于直流调速系统的调速范围广，静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能。因此在相当长的时期内，高性能的调速系统几乎都采用了直流调速系统。但近年来，随着电子工业与技术的发展，高性的交流调速系统的应用范围逐渐扩大并大有取代直流调速系统发展趋势。 单闭环直流电机调速系统在现代日常生活中的应用越来越广泛，其良好的调速性能、低廉的价格越来越被大众接受。 单闭环直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机-发电机、闭环控制系统组成。我们可以通过调整晶闸管的控制角来调节转速，非常方便，高效。本文并运用M a t l a b对设计电路进行了仿真。 直流电机无级调速电路https://www.doczj.com/doc/ce13262624.html,/content/12/0330/23/7988683_199474671.shtml 成品直流电机无级调速电路板很贵，我在维修一台包装机时得到一块直流电机调速板，经测绘并制作成功，现奉献给大家。 这块电路板电路简单，成本不高，制作容易，电路作简单分析：220V交流电经变压器T降压，P2整流，V5稳压得到9V直流电压，为四运放集成芯片LM324提供工作电源。P1整流输出是提供直流电机励磁电源。P4整流由可控硅控制得到0－200V的直流，接电机电枢，实现电机无级调速。R1，C2是阻容元件，保护V1可控硅。R3是串在电枢电路中作电流取样，当电机过载时，R3上电压增大，经D1整流，C3稳压，W1调节后进入LM324的12脚，与13脚比较从14脚输出到1脚，触发V7可控硅，D4 LED红色发光管亮，6脚电压拉高使V1可控硅不能触发，保护电机。电机过载电流大小由W1调节。市电过零检测，移相控制是由R5、R6降压，P3整流，经4N35隔离得到一个脉动直流进入14脚，从8脚到5脚输出是脉冲波，调节W2电位器即调节6脚的电压大小，可以改变脉冲的宽度，脉冲的中心与交流电过零时刻重合，使得双向可控硅很好地过零导通，D4是过载指示，D3是工作指示，W2是电机速度无级调节电位器。电路制作好后只要元件合格，不用调整就可使用。我从100W－1000W电机都试过，运行可靠，调节方便，性能优良。 12V直流电机高转矩电子调速器 直流电机在一些应用中需要随时具有高转矩输出能力，无论它是处于低速还是高速运转。例如钻孔、打磨、掘进等应用条件下，电机必需具备高低压运转的最大力矩输出。显然，常用的线性降压调速无法达到这一要求，因为电机空载与加载状态其转速并不与工作电压成正比，若空载即需低速运转则加载后往往无法工作。 这里介绍一种专为大范围转矩变化的直流电机调速而设计的电路，它根据电机的工作电流变化来判断其加载状态，并由此对电机转速作出自动调整。以12V小型直流电机为例，电路图如下： 单片机应用课程设计任务书 2013－2014学年第一学期第16周－16周 题目直流电机控制系统 容及要求 结合微机原理、单片机技术知识，查阅有关资料，设计一个能够控制直流电机定时正反转的自动控制系统，通过仿真实现。要求电机采用PWM无级调速，定时时间通过拨码开关设置，转速通过电位器设置，采用发光二极管显示电机旋转状态。 进度安排 1、查找资料，提出总体方案1天 2、分析、设计、调试、实现3天 3、检查、整理、写设计报告、小结1天 学生姓名： 指导时间：指导地点：任务下达任务完成 考核方式 1.评阅√ 2.答辩√ 3.实际操作√ 4.其它□ 指导教师系（部）主任 摘要 本文是对直流电机PWM调速器设计的研究主要实现对电机的控制。本课程设计主要是实现PWM调速器的加速、减速、停止等操作。并实现电路的仿真。为实现系统的微机控制在设计中采用了AT89C51单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分配以各种显示、驱动模块实现对电动机转速参数的显示和测量，利用ADC0809进行模数转换，由命令输入模块及H型驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入单片机在程序控制下，利用H型驱动电路完成电机正反转控制.在设计中采用PWM调速方式通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压，就是通过调节电位器的位置，进而实现对电动机的调速。然后通过拨码开关设置定时正反转的时间。设计的整个控制系统在硬件结构上采用了大量的集成电路模块大大简化了硬件电路提高了系统的稳定性和可靠性使整个系统的性能得到提高。 关键词：AT89C51单片机L298直流电机ADC0809 [Abstract] Motor plays an important role in all walks of life,and the motor speed motor is o ne of the important performance,thus measuring the rotational speed of the motor and the motor speed,to make it meet the needs of people.With the development of science and technology,PWM control of motor speed in a way to become.This desi gn is a single chip AT89S52and L298control of DC motor PWM speed control syste m,using AT89S52chip for low cost DC motor control system design,using PWM control mode,by changing the PWM duty ratio so as to change the motor armature voltage,and then the motor speed control.Design of th e whole control system,the hardware structure using a large number of integrated ci rcuit module,greatly simplifying the hardware circuit,improves the stability and relia bility of the system,so that the performance of the whole system is improved.Realiza tion of the motor is transferred,reverse,acceleration,deceleration control [Key Words]AT89S52、DC motor、PWM Speed Autormatic、L298、ADC0809直流电机的调速方法
无刷直流电机(BLDC)双闭环调速解析
无刷直流电机调速--C语言源程序
直流电机控制系统
无刷直流电动机调速系统设计说明
直流电动机无级调速毕业设计
无刷直流电机控制系统的设计
基于PWM控制的直流电机自动调速系统设计_毕业设计
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PID算法在无刷直流电机调速电路中的应用
直流电机调速方法
基于Matlab的单闭环直流电机调速系统的设计
直流电机无级调速电路(完整篇)
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