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无刷直流电机采用电子换相代替机械换相,既具有直流电机的良好调速性能,又具有交流电动机结构简单、运行可靠、使用寿命长、维护方便等优点,在国民经济的各个领域以及日常生活中都有广泛的应用。本文以无刷直流电机作为研究对象,根据无刷直流电机的结构及运行工作原理,详细分析了无刷直流电机的运行特性和转速调节原理,建立了无刷直流电机调速系统数学模型,深入研究了电机调速系统性能。
由于对无刷直流电机调速系统的调速精度和鲁棒性要求越来越高,先进的控制算法在电机调速性能中的作用越来越重要。本文采用双闭环控制系统,外环为速度环,内环为电流环,速度环实现转速的抗干扰调节,从而使电机在稳态时无静差;电流环实现电流跟随、过流保护和抑制电压干扰。在控制策略上,针对传统PID控制对电机转速控制响应速度慢、控制精度低,以及电机调速系统负载或参数变化时很难达到预期效果等问题,提出了一种新型模糊自适应PI控制策略,既具有模糊控制的鲁棒性强、超调小、上升时间快、动态相应好的特点,又具有PID控制很好的动态跟踪品质和稳定精度的特点,以满足无刷直流电机无级调速系统的要求。
随着微处理器的出现与发展,数字控制技术可使控制电路大为简化,并能提高系统的抗干扰能力、控制灵活性以及智能化程度。本文以TI公司的电机控制专用DSP芯片TMS320F2812作为无级调速系统的主控芯片,以模糊自适应PI作为控制算法,以IR2136为驱动芯片设计开发了无刷直流电机的无级调速系统的试验平台。设计了主电路、功率驱动电路、电压电流采样电路、位置检测电路、换相逻辑控制及按键显示等硬件电路。在DSP软件开发环境CCS下,根据模糊自适应PI控制策略,采用C语言编写程序。系统软件由主程序和中断子程序组成,主程序包括系统初始化和变量初始化等,服务子程序完成CAP捕获、逻辑换相、A/D转换、PWM产生、过流过压保护、按键设定及液晶显示等。
同时,本系统运用Matlab/Simulink对电机无级调速系统进行了建模仿真。由于电机速度闭环控制是一个非线性的时变系统,应用常规控制算法无法满足控制要求,因此,速度环采用模糊自适应PI控制,电流环采用PID控制,系统分别对传统PID控制和模糊自适应PI控制算法进行了仿真研究,并对仿真结果对比分析,结果表明该系统响应速度快,无超调,抗干扰能力强,具有较高的控制品质。
最后,系统在搭建的试验平台上进行了电机无级调速系统的试验,给出了PWM及转速试验波形,实验结果表明:基于模糊自适应PI控制策略的无刷直流电机无级调速系统具有明显的优越性,响应速度快,性能可靠,具有很好的应用价值。