无刷直流电机调速系统设计designofbrushlessdcmotorspeedcontrollersystem(附件
摘 要摘 要无刷直流电机是基于有刷直流电机发展起来的。虽然目前直流电机和交流电机仍受普遍受关注，但无刷直流电机正在趋于主流。作为一种新型的调速系统，无刷直流电机调速系统具有较好的运行、控制及经济性能。无刷直流电机的原理是用电子换向替换了传统的机械换向和电刷。在这种原理的应用下，无刷直流电机不仅拥有直流电机较好的调速性能，同时拥有交流电机的运行可靠、维护方便、结构简单等优点。本设计从三种大方案着手，分析无刷直流电机的调速控制方法。在电机及驱动器等硬件部分的基础上，建立数学模型以及控制电路图。在控制电路图设计完成之后，将硬件资源根据电路图连接起来。硬件资源连接完成后就开始进行三种大方案的研究。方案A的设计是基于ST8N60P40V4E无刷直流电机供应商提供的配置软件CME2，按步骤安装好配置软件后，根据已有参数设置电机基本配置。最终在控制界面直接输入理想转速就能够实现电机调速。方案B的设计是通过AMESim仿真模拟软件实现。在设计出直流电机参数辨识仿真图后对PID算法的参数进行获取，然后在电机系统控制图中对PID算法参数进行设置，最终通过改变输入的阶跃信号幅值就能实现电机调速。方案C的设计由两部分组成，一部分是模拟量控制电机转速，一部分是可编程控制转速，两种模式都是在C++Builder软件上实现。在设计出合理控制界面后，对界面按钮进行编程调试，最终在输入的电压信号的控制下实现电机转速控制。最后通过反复试验的试验结果表明三种调速方案的设计是科学合理的，都能够达到预期的设计效果。关键词无刷直流电机调速、PID算法、AMEsim建模仿真、C++Builder软件编程
目 录
第一章 绪论 1
1.1 设计研究背景 1
1.2 课题研究的目的及意义 1
1.3 国内发展形势及存在问题 2
1.4 本设计主要研究内容 3
第二章 无刷直流电机的基本结构和工作原理 4
2.1无刷直流电机的基本结构 4
2.1.1电机本体 4
2.1.2 位置检测器 6
2.2 无刷直流电机的工作原理 6
2.3 无刷直流电机的数学模型 7
2.3.1 定子电压方程 7
2.3.2 反电动势方程 8
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
/> 2.3.3 电磁转矩方程 9
2.3.4 运动方程 9
2.4 无刷电机的调速方法 9
2.4.1 恒功率调速 10
2.4.2 恒转矩调速 10
2.5 仿真原理 11
2.5.1 AMESim软件介绍 11
2.5.2 PID控制系统及其控制方法 12
第三章 无刷直流电机的硬件设计 14
3.1 液压伺服驱动器的选型 14
3.2 速度控制电路设计 14
3.2.1 控制电路图 14
3.2.2 接地注意事项 16
3.3 PCI介绍 17
3.3.1 PCI概述 17
3.3.2 PCI的特性 18
3.3.3 串口调试 20
第四章 无刷直流电机的软件设计 21
4.1 配置软件的参数设置及调试 21
4.1.1 串口设置 21
4.1.2 基本配置 22
4.1.3 电机和反馈参数配置 24
4.1.4 电流环自动调节 26
4.1.5 控制面板 27
4.2 控制软件仿真 27
4.2.1 AMEsim软件仿真图设计 28
4.2.3 调整参数控制速度 29
4.3 编程设计 31
4.3.1 三种速度控制模式及指令 31
4.3.2 设计所用控件的功能 32
4.3.3 程序设计及调试 33
4.3.4 部分控制程序详解 35
结论 37
致谢 38
参考文献 39
第一章 绪论
1.1 设计研究背景
随着世界经济全球化的快速发展，能源消耗越来越多，然而煤、石油和天然气等矿物能源开采已经十分有限，节约能源已经成为了各国的重要理念。节能自然也成了电动机行业的一个理念，电动机行业的产量大、市场广、种类较多，所以应用范围也很广。据统计资料显示，美国百分之五十以上的电力消耗在电动机的运行上，我国的电力消耗在电动机上的甚至达到了百分之六十到七十。目前 比较普遍的电动机种类是交流同步电动机、交流异步电动机、有刷直流电机以及无刷直流电机，但是在功率等其他条件相同的条件下，无刷直流电机的运行效率是最高的，所以这就奠定了本次课题对无刷直流电机其速度控制系统研究的必要性。
在如今的生产和应用中，无刷直流电机的调速控制系统通常都是采用的是PID算法控制系统。该方法控制调速的特点是结构简单易操作、算法简洁易懂、应用范围广泛。但是PID算法针对的是数学模型简单并且非常精确的控制对象，然而实际操作过程中，无刷直流电机的运行是存在非线性变化以及参数的变化的。另外，调速控制系统中重要的一步就是对PID参数的调整设定。相比传统的PID算法对部分参数的设定并不是很稳定，并且对周围环境的适应性也比较差，所以为了改变这一格局，智能控制在科学界快速得到发展，因此就引来了经典控制理论与现代控制理论革命发展的新时代。智能控制解决的主要就是传统控制当中无法解决的一些问题。模糊控制作为现代智能空中的最重要的一部分，应用范围主要是在那些被控对象的数学模型和参数不确定的情况。因此，我们采用模糊控制来进行对无刷直流电机的调速控制。这种控制方式能够实现对无刷直流电机在运行过程中经常变化的参数问题的解决，这种方法验证后既高效又方便。
1.2 课题研究的目的及意义
该设计以研究无刷直流电机的调速控制系统为研究目标，其目的和意义如下：
(1) 提高系统的可靠性：无刷直流电机最重要的优点就在于电机的结构简单、运行过程可靠性高、系统可维护性强。
(2) 降低控制系统的硬件成本：通过对调速系统的设计替代高成本的硬件结构，从而降低硬件成本，提高产品性价比。
(3) 可实现复杂控制算法，提高智能化水平：控制系统具有控制能力强、控制速度快的特点，并且控制算法可通过软件进行修改，增加了系统的灵活性。
1.3 国内发展形势及存在问题
有刷直流电机作为最早的一种电动机，随着电电机的迅速发展，已经普遍应用到农业生产、机械加工等各个科技领域。正因为有刷直流电机拥有较优良的调速特性，使得其在调速领域占有一席宝贵之地。然而它也存在一定的局限性，因为有刷电机采用是比较传统的机械换向装置来进行调速，这一点限制了其应用及发展的范围。原因是直流电机中的换向器和机械电刷存在非正常的接触，造成了可靠性差、有噪声、有火花、结构复杂这一连串的弊端，从而影响了直流电机的运行稳定性和调速性能。
然而，随着科学技术的飞速发展，半导体技术得到了迅速的发展，同时开关型晶体管的研究成果也飞速地发展起来，给改进无刷电机的现有技术带来技术参考。这种发展使得电动机融合了电子技术、计算机技术以及高质量材料技术，是电动机得到了综合全面的发展。“无刷直流电机”已经不仅仅是指最早的具有电子换向器的直流电机，现在已经包含了所有具有传统直流电机外部特性的电子换向电机。现在的最新的电机调速系统是由无刷直流电机的电机本体、检测单元、变速机构、硬件部分以及控制软件部分集为一体，这种控制系统功能强大、操作方便。
无刷直流电机在运用中展现了它非常多的优秀的调速性能，这是其他几代电动机都无法实现的，比如说：运行平稳、运行效率高、调速范围广、低速运行时性能好（即启动电流较小，但启动转矩相对很大）、调速过程方便（可以实现无极调速）、噪声较低、应用范围从农业生产到军用生产非常广泛等优点。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 设计研究背景 1
1.2 课题研究的目的及意义 1
1.3 国内发展形势及存在问题 2
1.4 本设计主要研究内容 3
第二章 无刷直流电机的基本结构和工作原理 4
2.1无刷直流电机的基本结构 4
2.1.1电机本体 4
2.1.2 位置检测器 6
2.2 无刷直流电机的工作原理 6
2.3 无刷直流电机的数学模型 7
2.3.1 定子电压方程 7
2.3.2 反电动势方程 8
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
/> 2.3.3 电磁转矩方程 9
2.3.4 运动方程 9
2.4 无刷电机的调速方法 9
2.4.1 恒功率调速 10
2.4.2 恒转矩调速 10
2.5 仿真原理 11
2.5.1 AMESim软件介绍 11
2.5.2 PID控制系统及其控制方法 12
第三章 无刷直流电机的硬件设计 14
3.1 液压伺服驱动器的选型 14
3.2 速度控制电路设计 14
3.2.1 控制电路图 14
3.2.2 接地注意事项 16
3.3 PCI介绍 17
3.3.1 PCI概述 17
3.3.2 PCI的特性 18
3.3.3 串口调试 20
第四章 无刷直流电机的软件设计 21
4.1 配置软件的参数设置及调试 21
4.1.1 串口设置 21
4.1.2 基本配置 22
4.1.3 电机和反馈参数配置 24
4.1.4 电流环自动调节 26
4.1.5 控制面板 27
4.2 控制软件仿真 27
4.2.1 AMEsim软件仿真图设计 28
4.2.3 调整参数控制速度 29
4.3 编程设计 31
4.3.1 三种速度控制模式及指令 31
4.3.2 设计所用控件的功能 32
4.3.3 程序设计及调试 33
4.3.4 部分控制程序详解 35
结论 37
致谢 38
参考文献 39
第一章 绪论
1.1 设计研究背景
随着世界经济全球化的快速发展，能源消耗越来越多，然而煤、石油和天然气等矿物能源开采已经十分有限，节约能源已经成为了各国的重要理念。节能自然也成了电动机行业的一个理念，电动机行业的产量大、市场广、种类较多，所以应用范围也很广。据统计资料显示，美国百分之五十以上的电力消耗在电动机的运行上，我国的电力消耗在电动机上的甚至达到了百分之六十到七十。目前 比较普遍的电动机种类是交流同步电动机、交流异步电动机、有刷直流电机以及无刷直流电机，但是在功率等其他条件相同的条件下，无刷直流电机的运行效率是最高的，所以这就奠定了本次课题对无刷直流电机其速度控制系统研究的必要性。
在如今的生产和应用中，无刷直流电机的调速控制系统通常都是采用的是PID算法控制系统。该方法控制调速的特点是结构简单易操作、算法简洁易懂、应用范围广泛。但是PID算法针对的是数学模型简单并且非常精确的控制对象，然而实际操作过程中，无刷直流电机的运行是存在非线性变化以及参数的变化的。另外，调速控制系统中重要的一步就是对PID参数的调整设定。相比传统的PID算法对部分参数的设定并不是很稳定，并且对周围环境的适应性也比较差，所以为了改变这一格局，智能控制在科学界快速得到发展，因此就引来了经典控制理论与现代控制理论革命发展的新时代。智能控制解决的主要就是传统控制当中无法解决的一些问题。模糊控制作为现代智能空中的最重要的一部分，应用范围主要是在那些被控对象的数学模型和参数不确定的情况。因此，我们采用模糊控制来进行对无刷直流电机的调速控制。这种控制方式能够实现对无刷直流电机在运行过程中经常变化的参数问题的解决，这种方法验证后既高效又方便。
1.2 课题研究的目的及意义
该设计以研究无刷直流电机的调速控制系统为研究目标，其目的和意义如下：
(1) 提高系统的可靠性：无刷直流电机最重要的优点就在于电机的结构简单、运行过程可靠性高、系统可维护性强。
(2) 降低控制系统的硬件成本：通过对调速系统的设计替代高成本的硬件结构，从而降低硬件成本，提高产品性价比。
(3) 可实现复杂控制算法，提高智能化水平：控制系统具有控制能力强、控制速度快的特点，并且控制算法可通过软件进行修改，增加了系统的灵活性。
1.3 国内发展形势及存在问题
有刷直流电机作为最早的一种电动机，随着电电机的迅速发展，已经普遍应用到农业生产、机械加工等各个科技领域。正因为有刷直流电机拥有较优良的调速特性，使得其在调速领域占有一席宝贵之地。然而它也存在一定的局限性，因为有刷电机采用是比较传统的机械换向装置来进行调速，这一点限制了其应用及发展的范围。原因是直流电机中的换向器和机械电刷存在非正常的接触，造成了可靠性差、有噪声、有火花、结构复杂这一连串的弊端，从而影响了直流电机的运行稳定性和调速性能。
然而，随着科学技术的飞速发展，半导体技术得到了迅速的发展，同时开关型晶体管的研究成果也飞速地发展起来，给改进无刷电机的现有技术带来技术参考。这种发展使得电动机融合了电子技术、计算机技术以及高质量材料技术，是电动机得到了综合全面的发展。“无刷直流电机”已经不仅仅是指最早的具有电子换向器的直流电机，现在已经包含了所有具有传统直流电机外部特性的电子换向电机。现在的最新的电机调速系统是由无刷直流电机的电机本体、检测单元、变速机构、硬件部分以及控制软件部分集为一体，这种控制系统功能强大、操作方便。
无刷直流电机在运用中展现了它非常多的优秀的调速性能，这是其他几代电动机都无法实现的，比如说：运行平稳、运行效率高、调速范围广、低速运行时性能好（即启动电流较小，但启动转矩相对很大）、调速过程方便（可以实现无极调速）、噪声较低、应用范围从农业生产到军用生产非常广泛等优点。
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