无刷直流电机伺服系统设计
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摘要
传统的伺服控制系统大都采用了直流伺服电机,但是直流伺服电机的机械换向器和电刷给对整个系统造成了许多不稳定的因素。永磁无刷直流电机作为一种新型电机克服了直流伺服电机机械式换向器和电刷带来的系列限制,且结构简单、发热轻,电磁干扰小;因此在伺服控制领域正不断取代直流伺服的市场份额。
本论文从无刷直流电机的结构出发研究了无刷直流电机的数学模型、控制方法和规律,利用电机的相变量建立相应的数学模型,对包括电机的换相方式、PWM调制方式和位置检测方式等关键性问题进行了研究。
从工程应用的角度出发,研究了高性能无刷直流伺服系统的体系结构,软硬件设计原理等。然后根据分析的结果和实际系统的功能要求对伺服系统进行了结构设计,控制系统采用了基于Cortex-M3的LM3S8962作为控制芯片,用C语言编写相应的控制算法,程序简洁明了,结构性强,便于程序的调试和扩展。设计过程中对系统中电磁兼容性、热控性进行了分析,设计了相应的保护电路和隔离电路,同时为系统的通信和扩展预留了相应的接口,使系统实现可靠性好,性能高的特点。
通过对无刷直流电机的实际驱动实验,证明该系统性能稳定可靠,实时性好,接近直流伺服系统的伺服性能指标。可以在实际应用中逐渐替代直流伺服系统的应用。
Traditional servo control system usually use the DC motor as servo motor, but the mechanical commutation and wire brush bring many uncertain factors to the whole system. As a new type motor, permanent brushless DC motor conquer the limitation of DC motor which bring by the mechanical brush and commutators, besides it has a simpler structure, low power dissipation and EMI. So in the nowadays, the AC servo system is replacing the market quotient of DC servo system.
This paper analyses the mathematical model and control method of BLDC, establishes the mathematical model with the motor phase variable, and researches some key problem like the motor’s control method, included the process of commute, modulation of PWM and the detection of position , and so on..
From the view-point of engineering applications, it studies the system structure of high performance BLDC servo system, the design theory of software and hardware, and so on. Then according to the result of analyses and the request of practically, it designs the structure of servo system. The system use the LM3S8962 which base on the Cortex-M3 as the controller, and use the C language for the control algorithm, the program is structural, succinct and clear. In the process of designing, the EMC and thermal control of system is analyzed, and then designs the circuit for protection and isolation, also obligate the interface of communications and extension for the system. So that ,the system can be realizable and high performance.
By the experiment of BLDC motor, it proved that this system is approaching the servo performance of DC motor, can be the replacement of DC servo system in the future days.
本论文从无刷直流电机的结构出发研究了无刷直流电机的数学模型、控制方法和规律,利用电机的相变量建立相应的数学模型,对包括电机的换相方式、PWM调制方式和位置检测方式等关键性问题进行了研究。
从工程应用的角度出发,研究了高性能无刷直流伺服系统的体系结构,软硬件设计原理等。然后根据分析的结果和实际系统的功能要求对伺服系统进行了结构设计,控制系统采用了基于Cortex-M3的LM3S8962作为控制芯片,用C语言编写相应的控制算法,程序简洁明了,结构性强,便于程序的调试和扩展。设计过程中对系统中电磁兼容性、热控性进行了分析,设计了相应的保护电路和隔离电路,同时为系统的通信和扩展预留了相应的接口,使系统实现可靠性好,性能高的特点。
通过对无刷直流电机的实际驱动实验,证明该系统性能稳定可靠,实时性好,接近直流伺服系统的伺服性能指标。可以在实际应用中逐渐替代直流伺服系统的应用。
Traditional servo control system usually use the DC motor as servo motor, but the mechanical commutation and wire brush bring many uncertain factors to the whole system. As a new type motor, permanent brushless DC motor conquer the limitation of DC motor which bring by the mechanical brush and commutators, besides it has a simpler structure, low power dissipation and EMI. So in the nowadays, the AC servo system is replacing the market quotient of DC servo system.
This paper analyses the mathematical model and control method of BLDC, establishes the mathematical model with the motor phase variable, and researches some key problem like the motor’s control method, included the process of commute, modulation of PWM and the detection of position , and so on..
From the view-point of engineering applications, it studies the system structure of high performance BLDC servo system, the design theory of software and hardware, and so on. Then according to the result of analyses and the request of practically, it designs the structure of servo system. The system use the LM3S8962 which base on the Cortex-M3 as the controller, and use the C language for the control algorithm, the program is structural, succinct and clear. In the process of designing, the EMC and thermal control of system is analyzed, and then designs the circuit for protection and isolation, also obligate the interface of communications and extension for the system. So that ,the system can be realizable and high performance.
By the experiment of BLDC motor, it proved that this system is approaching the servo performance of DC motor, can be the replacement of DC servo system in the future days.
引文
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[10]李乐,李波.带霍尔式位置传感器BLDCM控制器设计[J].自动化技术与应用,2009,第28卷第9期,29-32
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