无刷直流电机数字控制系统的研究与设计

王帅

摘 要：在工业的发展道路上不同时期有着不同的发展，电动机的发展带动了我国许多工业的发展，我们从传统的直流电机慢慢的发展到了无刷直流电机。无刷直流电机指的是无机械电刷和换向器的直流电机，是随着电力电子技术，电机的控制技术，和高性能永磁材料的发展而出现的一种新型的电动机。无刷直流电机的研究主要包括电动机自身设计的研究和控制系统的研究，而现在主要应用的是无刷直流电机的数字控制系统，无刷直流电机的控制系统是采用无位置传感器用软件获得转子位置信号的反电势法和相关的预定位开环换相启动法。无刷直流电机数字控制系统运行效率高，性能好，具有一定的实际意义和广阔的应用。本文我们主要论述一下无刷直流电机数字控制系统的研究与设计，对数字控制软件系统进行简单的介绍。

【关键词】无刷直流 数字控制 电机

1 无刷直流电动机的发展

直流电动机的传动系统操作简单，调速性能也比较好。但是传统的直流电动机采用电刷和换向器利用机械的方法进行换向，因而由于机械运动发生摩擦，从而带来了噪音、火花和一系列的安全隐患。随着科技的发展，现代直流传统系统的直流电动机发展方向是电动机永磁化和换向的无刷化，无刷电动机就在这样的趋势下发展成为了机电一体化电动机系统。无刷直流电动机控制系统具有很好的调速性能，目前，无刷电动机正朝着数字化的控制系统发展。数字化控制系统是采用一种最新型的高速微处理器和专用的数字信号处理器来作为控制单元，简化了硬件电路，更好的解决了模拟控制元部件的老化，从而操作起来更方便、更精准、更迅速，使无刷直流电机得到更好的发展和利用。

2 数字控制系统

随着我国科技的发展与创新，微型处理器和数字信号处理器的应用越来越广泛，从而衍生出了数字控制系统。早期的数字控制是由硬件电路构成的，数字系统是由信息数字作为载体，辅以一定的数控装置、伺服系统和受控设备所组成。数字控制系统的运行，是由控制工具对相应的工件进行准确无差别的进行处理，不需要人手动去操作设备进行加工处理某些产品，完全由设定好的程序前来完成，且可以高效的完成产品的加工。数字控制系统是一种具有实用价值和发展前途的一种操作系统，它可以省去过多的时间，省去不必要的材料浪费，还能降低危险事件的发生。数字控制系统的发展与研究在对日后的工业上具有很大的价值，这一点在无刷直流电机的发展上也做到了更好的体现。

3 无刷直流电动机的构成

无刷直流电动机的构成主要有三个部分，这三个部分分别是电子换向线路、电动机和位置传感器，实际上就是用电子换向的方式代替了机械的换向，同时它还具有直流电机的调速性能。无刷直流电机在铁心中安装了对称多相绕组，而绕组分为角型结构和星型结构。无刷直流电动机转子的材料通常是永磁材料，因为永磁体的形状不同，磁路的结构也不同，同时气隙磁场波形也是不同的。

4 无刷直流电动机的工作原理

无刷直流电动机工作时，上电之后在电流和磁场的作用下，转子开始旋转。然后通过传感器把旋转的动能变成电信号，从而达到用电控制线路的效果，让每一个线路都能按照一定顺序进行转动，由于转子位置的不断变化从而按照一定顺序发生换相。

5 无刷直流电动机全数字控制系统概述

无刷直流电动机的数字控制系统，主要是利用数字信号处理作为控制核心，该技术可以顺利让无刷直流电动机与控制系统顺利搭建。在这个技术之中，通常会有两环的设置，外环一般为速度环，让旋转速度可以有一个固定值，从而产生稳定的速度，实现一种稳态无差异，同时也能够对一些负面的现象起到抵抗的作用，让整个系统起到一种较高的精准度，让电动机能够获得最大电流。另外一种内环属于电流环，其作用是让电流在一定的数值上进行变化，在保证这电动机获得最大电流的同时，提高了系统的整体性能。在全数字控制系统中，速度和电流调节器功能都是由数字信号处理作为核心的，利用这个系统，既能够省去模拟组件的时间，也能够提高主电路的稳定性，其中主电路中，三相交流电是最为主要的电路，是由二极管组成的模块，变成直流电压，其作用是减少直流脉动，在进行电路输出的时候进行保护。

无刷直流电机的调速系统要求非常高，在数字控制系统下才能很好的完成这一要求。而我们采用普通的PID控制技术是很难得到这样令人满意的结果的，数字控制系统是一种可以利用其非线性和变动结构产生一定的参数从而提高整个无刷电机调速系统。神经网络控制是一种比较先进的研究控制系统，神经网络与我们传统的PID相结合就形成了一种智能的PID控制系统，为了实现无刷直流电机智能控制，系统的软件要实现的功能包括位置检测，换相逻辑的控制和速度闭环调节模块，我们把它分为主程序和中断程序，主程序的工作就是主要控制系统的初始化和各终端程序的响应。我们系统在启动后首先初始化，同时对各种中断更能的选择去设置。完成后，系统调用启动程序，从而使系统进入正常的工作状态，我们系统的运行状态可以由键盘来进行对其控制和调节，我们用数码管加以显示，以便实时显示系统运行状态。我们通过上述对无刷直流电机的调速系统以及神经网络系统的实验，从而来对无刷直流电机数字控制系统进行硬件的设计。

6 总结

我们通过对神经元PID控制的无刷直流电机的调速系统对无刷直流电机的数字控制系统进行研究与设计，通过对神经元自适应PID控制器在无刷直流电机控制系统中的应用进行了分析与研究，我们设计了相应的数字控制系统，从而得到结论无刷直流电机数字控制系统具有很好的灵活性与精准性，有助于更好的操作与应用，在应用中具有很好的实用价值，方便了工人们的操作，提高了工作的效率，在日后更好的发展中将会作为一种重要的系统来应用于无刷直流电动机的控制，数字控制系统的发展与实用在日后将具有重大的价值。

参考文献

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作者单位

沈阳飞机工业（集团）有限公司 工艺研究所 辽宁省沈阳市 110850