無刷直流電機數字控制系統的研究與設計

王帥

摘 要：在工業的發展道路上不同時期有著不同的發展，電動機的發展帶動了我國許多工業的發展，我們從傳統的直流電機慢慢的發展到了無刷直流電機。無刷直流電機指的是無機械電刷和換向器的直流電機，是隨著電力電子技術，電機的控制技術，和高性能永磁材料的發展而出現的一種新型的電動機。無刷直流電機的研究主要包括電動機自身設計的研究和控制系統的研究，而現在主要應用的是無刷直流電機的數字控制系統，無刷直流電機的控制系統是采用無位置傳感器用軟件獲得轉子位置信號的反電勢法和相關的預定位開環換相啟動法。無刷直流電機數字控制系統運行效率高，性能好，具有一定的實際意義和廣闊的應用。本文我們主要論述一下無刷直流電機數字控制系統的研究與設計，對數字控制軟件系統進行簡單的介紹。

【關鍵詞】無刷直流 數字控制 電機

1 無刷直流電動機的發展

直流電動機的傳動系統操作簡單，調速性能也比較好。但是傳統的直流電動機采用電刷和換向器利用機械的方法進行換向，因而由于機械運動發生摩擦，從而帶來了噪音、火花和一系列的安全隱患。隨著科技的發展，現代直流傳統系統的直流電動機發展方向是電動機永磁化和換向的無刷化，無刷電動機就在這樣的趨勢下發展成為了機電一體化電動機系統。無刷直流電動機控制系統具有很好的調速性能，目前，無刷電動機正朝著數字化的控制系統發展。數字化控制系統是采用一種最新型的高速微處理器和專用的數字信號處理器來作為控制單元，簡化了硬件電路，更好的解決了模擬控制元部件的老化，從而操作起來更方便、更精準、更迅速，使無刷直流電機得到更好的發展和利用。

2 數字控制系統

隨著我國科技的發展與創新，微型處理器和數字信號處理器的應用越來越廣泛，從而衍生出了數字控制系統。早期的數字控制是由硬件電路構成的，數字系統是由信息數字作為載體，輔以一定的數控裝置、伺服系統和受控設備所組成。數字控制系統的運行，是由控制工具對相應的工件進行準確無差別的進行處理，不需要人手動去操作設備進行加工處理某些產品，完全由設定好的程序前來完成，且可以高效的完成產品的加工。數字控制系統是一種具有實用價值和發展前途的一種操作系統，它可以省去過多的時間，省去不必要的材料浪費，還能降低危險事件的發生。數字控制系統的發展與研究在對日后的工業上具有很大的價值，這一點在無刷直流電機的發展上也做到了更好的體現。

3 無刷直流電動機的構成

無刷直流電動機的構成主要有三個部分，這三個部分分別是電子換向線路、電動機和位置傳感器，實際上就是用電子換向的方式代替了機械的換向，同時它還具有直流電機的調速性能。無刷直流電機在鐵心中安裝了對稱多相繞組，而繞組分為角型結構和星型結構。無刷直流電動機轉子的材料通常是永磁材料，因為永磁體的形狀不同，磁路的結構也不同，同時氣隙磁場波形也是不同的。

4 無刷直流電動機的工作原理

無刷直流電動機工作時，上電之后在電流和磁場的作用下，轉子開始旋轉。然后通過傳感器把旋轉的動能變成電信號，從而達到用電控制線路的效果，讓每一個線路都能按照一定順序進行轉動，由于轉子位置的不斷變化從而按照一定順序發生換相。

5 無刷直流電動機全數字控制系統概述

無刷直流電動機的數字控制系統，主要是利用數字信號處理作為控制核心，該技術可以順利讓無刷直流電動機與控制系統順利搭建。在這個技術之中，通常會有兩環的設置，外環一般為速度環，讓旋轉速度可以有一個固定值，從而產生穩定的速度，實現一種穩態無差異，同時也能夠對一些負面的現象起到抵抗的作用，讓整個系統起到一種較高的精準度，讓電動機能夠獲得最大電流。另外一種內環屬于電流環，其作用是讓電流在一定的數值上進行變化，在保證這電動機獲得最大電流的同時，提高了系統的整體性能。在全數字控制系統中，速度和電流調節器功能都是由數字信號處理作為核心的，利用這個系統，既能夠省去模擬組件的時間，也能夠提高主電路的穩定性，其中主電路中，三相交流電是最為主要的電路，是由二極管組成的模塊，變成直流電壓，其作用是減少直流脈動，在進行電路輸出的時候進行保護。

無刷直流電機的調速系統要求非常高，在數字控制系統下才能很好的完成這一要求。而我們采用普通的PID控制技術是很難得到這樣令人滿意的結果的，數字控制系統是一種可以利用其非線性和變動結構產生一定的參數從而提高整個無刷電機調速系統。神經網絡控制是一種比較先進的研究控制系統，神經網絡與我們傳統的PID相結合就形成了一種智能的PID控制系統，為了實現無刷直流電機智能控制，系統的軟件要實現的功能包括位置檢測，換相邏輯的控制和速度閉環調節模塊，我們把它分為主程序和中斷程序，主程序的工作就是主要控制系統的初始化和各終端程序的響應。我們系統在啟動后首先初始化，同時對各種中斷更能的選擇去設置。完成后，系統調用啟動程序，從而使系統進入正常的工作狀態，我們系統的運行狀態可以由鍵盤來進行對其控制和調節，我們用數碼管加以顯示，以便實時顯示系統運行狀態。我們通過上述對無刷直流電機的調速系統以及神經網絡系統的實驗，從而來對無刷直流電機數字控制系統進行硬件的設計。

6 總結

我們通過對神經元PID控制的無刷直流電機的調速系統對無刷直流電機的數字控制系統進行研究與設計，通過對神經元自適應PID控制器在無刷直流電機控制系統中的應用進行了分析與研究，我們設計了相應的數字控制系統，從而得到結論無刷直流電機數字控制系統具有很好的靈活性與精準性，有助于更好的操作與應用，在應用中具有很好的實用價值，方便了工人們的操作，提高了工作的效率，在日后更好的發展中將會作為一種重要的系統來應用于無刷直流電動機的控制，數字控制系統的發展與實用在日后將具有重大的價值。

參考文獻

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作者單位

沈陽飛機工業（集團）有限公司 工藝研究所 遼寧省沈陽市 110850