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由于无刷直流电机固有的优点,如功率密度大、运行效率高、调速性能好等,所以应用范围越来越广。PID控制本质是一种线性控制,需要控制系统的精确数学模型,而无刷直流电机是一个多变量、强耦合、非线性、时变的复杂系统,当系统负载或参数发生变化时,PID控制将难以满足高性能调速系统的设计要求。
本文重点围绕无刷直流电机调速系统的设计进行研究。从无刷直流电机工作及控制原理出发,在Matlab/Simulink环境下,建立了基于PID控制的无刷直流电机调速仿真系统。该系统速度控制器采用PI控制,电流控制器采用滞环控制;为了保证仿真快速性和有效性,梯形波反电动势的求取应用“分段线性法”,并应用Simulink中的S函数实现了电压逆变器的功能。仿真结果表明,PID控制方式下的调速系统性能不够理想,超调量大,有振荡;当外部参数发生变化时,系统抗干扰性较差。基于模糊控制的特点及原理,本文分类介绍了简单模糊控制器,模糊-PI复合控制器,模糊PID控制器,自适应、自组织、自学习模糊控制器,以及集成、智能模糊控制器等各种模糊控制技术用于无刷直流电机速度控制的方法、效果及研究应用状况;进而设计了一个新型的模糊-PI复合速度控制器,对原系统进行了改进。通过Matlab中的模糊逻辑工具箱进行模糊控制器的编辑,利用S函数对模糊控制器参数(量化因子、比例因子)进行优化。仿真结果表明,调速系统具有良好的动、静态性能,验证了新型速度控制器的有效性,当外部条件发生变化时,通过实时调节滞环环宽和模糊控制器参数,可获得更优的结果。研究表明,将模糊控制方法应用于调速系统中,无刷直流电机的整体性能得到了显著改善,是高性能无刷直流电机调速系统开发的一个重要方向。
此外,本文基于TMS320LF2407A DSP芯片初步建立了相应的实验系统,以验证理论分析及仿真结果。为了简化设计,同时也为了提高驱动电路的可靠性,在结构上采用了美国国际整流公司生产的IR2130芯片作为MOSFET的栅极驱动和保护电路。通过对转子位置检测和速度调节、相电流的检测和电流调节、PWM控制、启动操作等四部分内容的介绍,提出了有位置传感器的无刷直流电机DSP软件设计思路。DSP技术不仅可以使系统获得高精度、高可靠性、还可以简化系统结构,增加系统功能,具有控制灵活,智能水平高,参数易改等特点。