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文 献 综 述 1.引言 随着科技的发展，电机作为一种机电能量转换装置，应用的范围已经越来越广泛，不仅在日常生活中有着广泛的应用，而且在航空航天、医疗器械等方面也发挥着重要的作用。当今时代我们常见的电机有同步电机、异步电机和直流电机三种类型。同步电机启动转矩大，机械特性好，但对于转速要求严格的场所，同步电机调速比较困难。而异步电机结构简单，稳定性强，但它的运行效率低。相比于前两者，直流电机有着较好的调速性能和较高的运行效率，在速度和效率要求比较高的场所有着广泛的应用。直流电机分为有刷电机和无刷电机两种类型，有刷电机采用电刷和机械式换向结构，因此在转换过程中会存在机械摩擦、噪声、火花和换向容易损坏等缺陷，这些缺陷严重影响了电机的应用范围[1]。因此，无刷直流电机成为了我们的最优选择，无刷直流电机是采用电子换相去检测转子位置的，不仅有良好的动静态性能和调速性能，而且具有体积小、转动惯量小和效率高等优点，因此无刷直流电机已经成为当今时代应用最为广泛的直流电机，在更多场合发挥着重要的作用[2]。 2.课题研究背景及意义 无刷直流电机及其控制系统最初是1978年由联邦德国MANNESMANN旗下的Indramat公司研究出来的。经过数年的发展，在1986年由H.R.Bolton给出了完整的梯形波反电动势的无刷直流电机体系说明，从而使无刷直流电机研发拥有了一套比较成熟的体系结构[3]。从这时起，世界各国开始加强了对无刷直流电机的研究和开发，我国在20世纪70年代起，少数有财力、物力的科研机构也开始了对无刷直流电机的研究，随后研究机构和企业越来越多，经过科研人员几十年的努力尝试和探索，我国终于在无刷直流电机方面取得了巨大的成就。随着无刷直流电机的设计理论、研制手段渐渐迈向成熟，其现代控制系统的发展方向也朝着数字化、总线化、智能化发展。 |
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从2007年开始，ST公司面向市场展销出其STM32系列产品，他们不再使用早期的ARM7内核，而是选用数据与指令总线分开的Cortex-M3，这种芯片另外增添丰富的外设接口，集高性能、低成本、低能耗等优点于一身，从而能够满足现代生产控制系统的要求。STM32微控制器能够为无刷直流电机的控制提供6路PWM信号输出，可以方便而精确地实现电机的驱动与控制。如果要设计一个无刷直流电机控制器来满足严苛的实控需求，则可以选用STM32作为控制器中心。在设计无刷直流电机控制器时，STM32总是能满足比较严苛的控制需求[4]。而在设计同等性能的控制器情况下，STM32相较于DSP便宜很多，而且采用DSP设计的电路一般较为复杂。同时STM32在实现智能控制算法与控制功能的软件编写上采用官方封装好的库函数进行开发，大大提高了研发效率，并能很好的实现控制系统软件的扩展和移植。 3.无刷直流电机的基本架构与工作原理 无刷直流电机舍弃了传统的机械式碳刷结构，采用新型高效且无磨损的电子换向器，正是这一改变，使无刷直流电机在结构和工作特性等方面较其它普通电机有较大的优势，而且在应用范围方面更加广泛。就其基本原理而言，它属于永磁同步电机。从无刷直流电机基本构件来讲，最为关键的是由电动机、转子位置检测机构和功率器件三大基础部件组成的换相体系[5]，而这三大部件就可以组成无刷直流电机运行基本架构，如图3.1所示。
图3.1无刷直流电机基本原理图 图3.1表示的是一个3相2极式电机，定子绕组与由功率开关器件组成的电子换向结构接连，绕组A、B、C分别接至V1、V2、V3。一旦为定子绕组通入电流，就会立刻在气隙中形成一个旋转的磁场，它和磁极磁场之间的相互吸引是电机转动起来的源动力。在电机转动起来的第一时间，位置传感器会感知转子物理位置的变化，并将其数字化，以电信息的方式作为电子换向系统正确运行的基础，进一步保证定子三相绕组的供电是按 |
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照某种次序的，与此同时，绕组电流也按照同样的次序依次变化。因为电子换向系统的导通顺序和转子位置的变化严格同步，能够确保电机按照指定方向旋转，所以电子换向系统很好的代替了机械式电刷换向器而起到同等作用[6]。 一个无刷直流电机能够运行起来，针对其发挥关键作用的成分而言，并从它的本质来看，可视无刷直流电机为永磁同步电机；而从整体来讲，又可将其视为一种全新的“机电动力系统”，该系统的基本原理图如图3.2所示[7]。
图3.2无刷直流电机运行原理图 4.基于STM32无刷直流电机控制器硬件设计 4.1主控芯片STM32介绍 STM32芯片是由ST公司推出第一个基于ARM Cortex-M3内核微处理器，Cortex-M3内核具有低功耗、高性能处理速度快等优点。STM32不仅具有突破性的M3内核，很多出众的外设处理单元，而且其内部是由32位CPU、嵌套中断向量控制单元、大量的编码接口电路和定时器等丰富的电机控制接口所集成，是一款具有高性价比，高性能、低功耗、低成本的32位RISC处理器，因此非常适用于作为无刷直流电机控制系统的主控芯片[8]。STM32系列微处理器有很多种系列，目前比较常用的有STM32F101基本型系列、STM32F103增强型系列、以及STM32F105和STM32F107互联性系列[9]。 4.2无刷控制系统硬件设计 直流无刷电机控制器系统主要由制控器、脉宽调制（PWM）信号驱动电路、逆变电路、通信接口电路和电源电路构成。控制器系统构成如图4.1所示 |
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图4.1系统构成图 选用Cortex-M3为内核的STM32微控制器作为控制核心，主要完成电机转速计算、控制算法执行、PWM控制信号产生、与上位机进行通讯等功能。微控制器产生的PWM信号不能直接驱动MOSFET构成的逆变电路，而需要对驱动电路进行放大，由MOSFET驱动电路完成。测速电路是由增量式旋转编码器构成。 以STM32为核心设计的控制器具有电路结构简单、成本低等优点，配有RS232和CAN两种通信接口，方便与计算机、PLC等上位机构成智能控制系统，可以满足很多领域控制系统的要求，具有良好的应用前景，控制器可以设有按键，用以调整电机转速和转向，是控制器可以独立使用，扩展了功能。 5. 基于STM32无刷直流电机控制器软件设计 在一个控制系统中，硬件电路是执行结构，而操纵硬件的则是软件程序。它是整个无刷直流电机控制器的心脏，控制器的工作模式，模糊PID算法和其他调节功能都需要通过合理的结构化软件程序来实现，因此，针对不同的微处理器或控制芯片的不同控制系统，选择合适的开发环境和开发模式会对软件程序的开发效率与程序优化产生重大意义。STM32微处理器的软件开发有两种模式：寄存器模式和库函数模式。寄存器开发模式编写的程序可读性和重用性非常差。库函数开发模式则不同于寄存器开发模式，库函数向下封装了对寄存器的直接操作，向上提供给用户友好的开发函数，用户只需要知道库函数的意义以及调用格式与方法即可。这样使程序开发更加高效，而且此法开发的代码容易阅读理解，可移植性强[10]。 在能够支持STM32芯片软件开发程序开发的工具中，目前主要使用的集成开发环境 |
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为KEIL MDK。KEIL MDK集成开发环境融合了行业最前沿的mu;Vision和ARM编译器，能够支持ARM7以上级别的ARM系列内核处理器，芯片的启动代码无需手动编写，它融合了FLASH烧写模块，其模拟、性能分析等功能都非常优秀。 程序功能模块化是软件开发的基本思想，即一个软件系统可以分解为多个组成部分，而这些拆分出来的子模块能够通过顺序、循环、选择、中断等组织形式关联起来。本次无刷直流电机控制系统源程序重点包括两大部分：一是主程序，它是整个调节程序的脉络，为全局设计与开发工作提供指导；二是中断服务程序，它是调节程序的灵魂，无刷直流电机控制系统的主要功能基本都在这实现。其中，主程序的主要功能是实现系统初始化、开中断以及各个功能子程序的启动等。整个无刷直流电机调速控制系统软件程序主流程如图5.1所示[11]。
图5.1控制系统主程序流程 图5.2中断服务程序流程 系统上电后第一个任务就是初始化系统，而后转入待机状态，当侦测并接收到电机的启动信号时，电机开始旋转，系统立即开启PWM定时器，随后初始化并开启模糊PID |
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调节,同时启动电流、转速、位置检测，通过电流、转速、位置的综合计算决定是否调节；一旦接收到电机制动信号，系统立即关闭PWM输出，进行停机操作。 主程序的目的是实现系统初始化与各子程序连接，而真正的电机控制是通过中断服务程序来实现的，它是整个控制系统的精髓，也是软件开发中最难的部分。具体中断流程见图5.2。而中断服务子程序的内容需要结合具体情况具体分析[12]。 6. 基于STM32无刷直流电机控制器控制算法设计 近几十年以来，无刷直流电机调控技术与手段得到了快速发展，当前在无刷直流电机调控器中普遍推广的智能算法主要有模糊智能控制和PID调控策略。在这里将对模糊PID控制进行具体介绍。 PID调节就是对偏差信息采取比例、积分、微分的调控，常规PID调节器的传递函数为。在这里归纳出PID调节的三条基本规律，用于进行PID参数调节[13]： （1）如果响应偏差量变化范围宽，应加大比例参数，提升响应速度；与此同时，系统响应初期的偏差量变化速度加快，可适当减小微分参数，避免出现微分过饱和现象；为避免积分饱和而产生大超调量，常用方法是去掉积分部分； （2）如果偏差量变化为中等水平，若想尽量减小超调量，可适当减小比例参数，加上积分部分并取恰当值，为满足响应速度，可取适中的微分参数； （3）如果响应偏差量变化范围窄，该情况下最为重要的是系统稳态性能，比例参数和积分参数至为关键。与此同时，为避免在预期值附近振荡，微分参数起到决定作用。如果偏差变化缓慢，微分效应比较小，应该适当增大微分参数；偏差变化较快时，应合理增大积分参数。 模糊控制是以计算机或微处理器为控制中心，辅以检测、执行等模块构成的数字一体化系统。它无需被控对象的精确模型，而只要用户将运行实际经验和相关知识用模糊语言表达出来即可。因而模糊控制可以很好的应用于具有不确定性、非线性、时变性等特征的对象。模糊控制器由四大部分组成：输入模糊化、知识库、模糊推理机、反模糊化，模糊控制的体系结构如图6.1所示[14] |
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图6.1模糊控制器原理图 为了使得无刷直流电机调控器既能通过PID完成偏差调节，又能很好的适应其时变性与非线性特点，这里将模糊控制算法同传统PID调节结合起来，设计出了无刷直流电机模糊PID速度调节系统，其原理结构如图6.2所示[15]
图6.2模糊 PID速度调节器原理结构 图6.2中可以看出，通过转速环将实际转速反馈至输入端，经过与给定参考转速的比较形成转速偏差e，将其微分得到转速偏差变化率ec。然后经过模糊控制算法的模糊化、规则推理、反模糊化得到PID的3个参数的变化值，将所得结果直接送入PID调节器，由PID调节器输出参考电流幅值，为电流控制器的比较控制提供参考依据。 传统 PID控制系统在被控对象发生变化时，定好的参数不能随之调整，因此控制效果在此种情况下不是很好，同时由于参数整定要求被控对象的数学模型要很精确，但在实际中很难做到这一点；而相对于传统的PID控制系统，模糊PID在超调量、响应速度等方面均表现出其很大的优越性。 |
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