无刷无感直流电机控制算法研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

一、 前言

无刷直流电机具有功率密度高、控制方便、结构紧凑、运行可靠等显著优点，在电动车辆、伺服系统、机器人及家用电器等领域得到了非常广泛的应用，但由于位置传感器带来的多余费用及无法在苛刻条件下使用等问题，人们不得不开始通过研究无位置传感器的控制方式来解决它。无传感器控制的关键技术之一是利用电机运行过程中的电磁信号来准确推算出转子位置，完成电流换向，最终实现位置传感器的功能。在电机运行速度很慢或者静止的情况下，我们很难通过微弱的电磁信号来获取准确的位置信号，因此电机能否顺利启动也是一个非常关键的步骤。在过去的三十几年里，各种各样构思巧妙的无传感器控制方案被相继提出，调速范围也不断得到扩展。特别是近年来，随着数字信号处理技术的飞速发展，大量高速度高精度的数字信号处理器（DSP）、微处理器相继问世，在精度和实时性保证下，无传感器控制方案也向更加智能更加复杂的方向发展。结合了模糊控制PID、智能控制等先进控制方式的算法，大大提高了电机控制系统的可行性。

二、 研究现状

目前，国内无刷直流电机的控制技术已经比较成熟，我国已经制定了无刷直流电机通用规范: GJB1863。外国的某些技术和中国的一些技术大体差不多，其中美国和日本的技术相对比较先进。当新型功率半导体器件： MOSFET、GTR、IGBT等的出现，以及钕铁硼、钐鈷等高性能的永磁材料的出现，全都为直流电机的应用奠定了坚实的基础。近些年来，计算机和控制技术的快速发展，单片机、FPGA、DSP、CPLD等控制器被应用到直流电机控制系统中，一些先进控制技术也同时被应用到了无刷直流电机控制系统中，这些技术发展都为直流电机的发展奠定了坚实的基础。

经过最近几十年的发展，我国对无刷电机的控制已经有了非常大的提高，但是与国外的技术相比还是相差很远，仍然需要继续努力。所以对无刷直流电机控制系统的研究学习仍是国内的重要研究内容^[1]。

三、 原理及实现

（1）无刷无感直流电动机基本工作原理

无位置传感器无刷直流电动机的工作原理是：首先，通过转子的位置信号，判断当前转子的位置；然后，再根据转子的位置来改变驱动逆变电路中功率开关器件的开断，使电枢绕组按一定顺序馈电，使其在气隙中产生步进式旋转磁场，拖动永磁转子旋转；最后，随着转子的转动，转子的位置信号将根据一定规律变化，同时改变电枢绕组的通电状态，实现无刷直流电动机的转动^[2]。

（2）控制结构示意图

无人四旋翼飞机由四个独立电机驱动螺旋桨组成，我们通过调节四个电机的转速来改变飞机的飞行姿态，从而控制飞机的飞行。

图一 控制结构示意图

（3）反电动势检测

无刷无感直流电机可以通过第三相的感生电动势来测量转子的位置，又因为换相只与转子的位置有关，所以只要知道第三相感生电动势就能换相。在电机的任意两相通电时，第三相上的线圈会切割磁感线而产生感生电动势，我们可以定义在转子逆时针旋转时，切割N极磁力线而产生正向感生电动势，切割S极磁力线而产生负向感生电动势，所以第三相上会产生一个正向、一个负向感生电动势，经过一段时间会变成相反方向的感生电动势，因此它的电压会有一个从正到负（从负到正）的变化，中间会有一个过零点的时候，即转子转了30度角，我们只要再等转子转过30度就可以换相。

（4）PWM调速原理及方法

用一个一定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内接通和断开的时间来实现不同的占空比，从而改变一个周期内的平均电压，改变电机的转速。方法主要有三种：

①　定宽调频法：接通时间不变，断开时间改变。

②　调宽调频法：接通时间改变，断开时间不变。

③　调宽定频法：接通时间改变，断开时间改变。

此次设计中我使用第三种方法，因为其他两种改变了控制脉冲的频率，当它改变到与系统脉冲的频率接近时，会引起震荡。

（5）PID调节器的原理

PID控制器（比例-积分-微分控制器）由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。通过Kp，Ki和Kd三个参数的设定完成控制规律的设计。PID控制器的输入一般是一个参考值与系统输出的差值即控制偏差，然后把这个差别用于新的控制量，其中，Kp为比例控制增益、Ki为积分控制增益，Kd为微分控制增益，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。比如对角速度做I（积分）预算实际得到的就是角度，如果四轴有一个倾斜角度，那么四轴就会自己进行调整，直到四轴的倾角为零，它所产生的抵抗力是与角度成正比的，但是，如果只有I的作用，会使四轴迅速产生振荡，因此，必须将P和I结合起来一起使用，这时候基本上就会得到四轴的效果。如下图为PID控制系统示意图。

图二PID控制系统示意图

四、工具和开发平台简介

TMS320F2812芯片

TMS320F2812是典型的集成DSP电机控制器，已广泛运用于永磁同步电动机、三相交流感应电机、无刷直流电动机等全数矢量控制的系统中，都可获得较为理想的控制效果。TMS320F2812芯片特别适合于电机控制，主要得力于其功能强大的事件管理器，事件管理器具有分为十等优先级的四十个中断，其中的非法地址访问中断(IllegalAddress)能够在程序跑飞的情况下复位芯片；PWM封锁中断(PDPINT)能够在电机控制异常的情况下封锁PWM输出，保证了系统故障性处理的实时性。事件管理器还提供了三个功能强大的l6位定时器GPTIMERx(x=l，2，3)，三者可以互相独立，也可级联使用，可以多种方式产生l2路PWM信号。

软件环境

在本次毕设中我使用的是CCS5.3软件进行编程。

参考文献：

[1] 李强.无位置传感器无刷直流电动机运行理论和控制系统研究[D].南京:东京大学,2005:25-29.

[2] 刘长征，叶瑰昀，陈德运等.无传感器无刷直流电机变频调速系统设计与实现[J].电机与控制学报，2008，12(6)：729－734.

[3] 张琛.直流无刷电动机原理及应用[M].北京:北机械工业出版社,2004.

[4] 任忠，王志强.基于DSP控制的无刷直流电机调速系统的设计[J].电力电子，2008.

[5] 冯涛，孙幸成.基于DSP的无刷直流电机控制系统的设计[J].2009.

[6] 李韧.基于DSP无位置传感器无刷直流电机控制系统的研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2007：31－32.

[7] 单海燕.四旋翼无人直升机飞行控制技术研究[J].南京：南京航空航天大学,2008：13.

[8] TMS320F28x_Event_Manager_(EV)_Reference_Guide_(Rev._A).

[9] 刘攀,杨晓红，毛翔.无位置传感器无刷直流电机控制系统关键问题研究[J].伺服控制，2013，（4）.

[10] 徐锐.无位置传感器无刷直流电机控制系统的设计[J].煤矿机械，2011，32（10).

[11] 刘春侠，宋万广.无位置传感器无刷直流电动机控制方法及其DSP实现[J].控制与应用技术，2009,36（7）.

[12] 李自成，程善美.无刷直流电机无位置传感器控制调速系统的设计与实现[J].电机与控制应用，2010，37（8）.

[13] 厉虹，陈昊.基于TMS320F2812DSP的无刷直流电机调速系统设计[J].机床与液压，2009，37（8）.

[14] 曾光华，陈卫兵等.基于STM32的无位置传感器无刷直流电机控制系统[J].湖南工业大学学报，2012，26（1）.

[15] 方静，李传宝.基于DSP的无位置传感器无刷直流电机控制系统设计[J].工业仪表与自动化装置，2009，4.

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一、拟研究或解决的问题

在这次大题目设计无人四旋翼飞机中我负责的是无刷无感直流电机控制算法研究这一部分，主要是在无人四旋翼飞机正常旋转进入控制阶段时，按照指令通过改变四个机翼的转速来实现不同的飞行姿态。通过近期的资料搜集和查阅相关文献后，我知道了此次研究具体的内容有：

（1）通过过零点检测来实现换相。