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一种无位置传感器无刷直流电机闭环控制系统设计

郑直  
【摘要】:多旋翼无人机操控方便,具备良好的机动性,近年来发展迅速。多旋翼无人机的驱动器是机体完成航行任务的保障,其动态性能和稳态精度决定了无人机的运动性能,随着多旋翼无人机应用场景的越来越广阔,对机上电机驱动器提出了更高的性能要求。针对现有无人机上方波驱动方案鲜有闭环调速功能的问题,本文设计了一种双闭环调速系统,并对控制算法、抗风扰性能进行了研究。本文主要内容如下:(1)分析了无位置传感器无刷直流电机的运行原理,比较了正弦波驱动和方波驱动方式的不同。本系统采用的是方波驱动方式,故对此驱动方式下的无刷直流电机建立数学模型,为后续的工作打下良好的理论基础。(2)采用Matlab软件对系统进行仿真分析,评估设计方案的可行性。根据建立的数学模型设计了双闭环控制系统,并设计了两种转速环控制器:模糊PID控制器和自适应积分滑模控制器。系统电流环均为PID控制器。为模拟环境中风场对控制系统的干扰,对常见的风场建立了模型,并在仿真模型中加入了模拟风扰的转矩干扰。随后搭建了基于上述控制器的Simulink模块进行仿真实验,并通过PID参数调整、利用趋近律和替换切换函数的方式削弱滑模控制中的抖振现象,改善系统的动态性能和稳态精度。仿真结果表明:自适应积分滑模控制具有更好的抗扰动性能。(3)根据控制系统设计需求,完成了电机控制系统的软硬件设计。硬件设计包括主控芯片、电源模块、隔离模块、逆变模块和采样模块。在器件选型时选择性能良好、体积小的器件,详细介绍了相应外围电路的设计。软件设计包括启动程序、反电动势检测换相程序、闭环调速程序、采样程序,其中闭环调速程序包含了模糊PID控制器和自适应积分滑模控制器两种模块,设计的子程序思路及程序流程图均做了详细的说明。(4)在软硬件设计基础上搭建实验平台。首先分析了测试过程中电路中出现的各种现象,并针对性地给出了改进方案,进一步完善系统设计。然后进行了在不同控制器控制下、装载不同桨叶和处于不同风速的风场下的控制系统实验,实验结果表明电机控制系统在4级风的环境下抗风扰性能良好,验证了本系统的可行性。


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