浙江大学硕士学位论文 目次323采用BP神经网络整定参数的PID控制器2433无刷直流电机控制系统的Mat lab仿真29331 Mat lab和Simul ink的介绍29332无刷直流电机控制器Simul ink下的电路模型30333电机信号编码器的S imul ink设计j31334 BPPID模块的设计32335 Mat lab仿真的结果3334本章小结344控制系统的软件设计3541 DSP软件开发环境介绍3542控制系统主程序设计3543功能子程序设计36431无刷直流电机PWM调制方式的研究和程序设计364311无刷直流电机的电磁转矩脉动364312无刷直流电机的PWM调制方式374313换相期间PWM调制方式对转矩脉动的影响394314 PWM调制方式对非换相期间转矩的影响444315一种新型的PWMONPWM调制方式474316 PWMONPWM调制方式的编程实现48432 PID调速模块的程序设计49433脚踏板信号处理子程序51434电机的制动和停针模块子程序设计5144本章小结545平缝机控制系统的测试5551控制系统电路板实物图5552控制器调速性能的测试5653控制器制动和停针测试5754变负载时的转速稳定性测试5855电压波动时的转速稳定性测试59浙江大学硕士学位论文 目次一一_56控制器性能参数的综合测试6057本章小结616总结与展望6161工作总结6162研究展望61参考文献63作者简历681学习简历682发表文章68绪论都比较有国加速转要出口国场的规模年，我国缝制设备出口占国际贸易量的70，国际贸易额的501，真正成为世界缝制设备生产强国。对于世界上的一些不发达的国家和地区，大量的缝制设备还需要进口。我国制造的缝纫机产品在价格方面、使用性能上能够比较好地满足当地市场需求，所以出1：3到这些国家和地区的潜力很大H1。虽然我国已经成为世界缝纫机生产的主要基地，但在工业缝纫机产品的设计和质量保障上，机电一体化技术应用水平上以及新型的平缝机的研发上，与发达国家依然有着比较明显的差距。其中原因是，我国还没有掌握开发高档平缝机的核心技术，创新能力低。所以开发具有自主知识产权的高性能和多功能的工业平缝机伺服控制器成为了我国纺织行业升级和发展的方向。所以我国的缝纫机产业想要在国际缝纫机市场上提高地位，提高产品的附加值，就必须要努力完成产品的创新和技术的升级。12工业平缝机的发展状况缝纫设备种类繁多，结构大小也各不相同，从缝纫机的实际用途来看，缝纫机大体上可分为普通缝纫机和特种缝纫机两大类。普通缝纫机，一般指各种使用最普通的平缝机。特种缝纫机b1，一般指各种只能完成单一工序或只能在有限工序上使用的缝纫设备，例如：包缝机，钉扣机，锁眼机，橇边机，绣花机等。缝纫机一般由四部分组成：机头、机座、传动和附件。71。机头由刺料、钩线、拨线、送料四个机构等辅助机构组成，各机构的运动合理地配合，循环工作，】浙江大学硕士学位论文 绪论把缝料缝合起来。机座分为台板和机箱两种形式。台板式机座的台板支承着机头，在缝纫操作时当作工作台用。台板有多种式样，有一斗或多斗摺藏式、柜式、写字台式等。机箱式机座的机箱起着支承和贮藏机头的作用，使缝纫机便于携带和保管。缝纫机的传动部分由机架、手摇器或电动机等部件构成。目前国内大部分的工业缝纫机还在使用的电机是交流异步电动机，由交流异步电机构成的缝纫机驱动机构的控制主要依靠机械离合器。这种驱动器的优点是：启动转矩大、速度调节平滑、调速范围广等，其缺点是：寿命短、效率低、维护不方便以及噪音大等。而且此类平缝机自动化程度比较低，比如一旦松开离合器使平缝机停机后，电机依然会继续空转从而造成电能的浪费，随着现在人们节能意识的提高以及国家政策的导向，这类平缝机越来越难以适应市场的需求。为了提高工业平缝机的自动化程度，将变频调速技术应用于工业缝纫机中越来越受到人们的重视。目前，国际上缝纫机设备制造比较先进的国家已经普遍将数字控制的交流变频或交流伺服系统应用于工业缝纫机产品上。1986年以来，日本的工业缝纫机行业中的领导公司，比如兄弟公司、三菱公司等已经把交流伺服电动机运用到各类工业缝纫机的驱动中，实现了工业缝纫机的电子化，并以每年12的递增速度替代原有的离合器电机伸1等传动电机。从目前的发展趋势来看，以数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)为核心的控制电路将代表缝纫机控制系统的发展方向。随着芯片技术的快速发展，DSP芯片的成本在不断下降，目前TI的C2000系列芯片的价格对于控制器的成本控制来说已经不成问题眇1。而且，基于高性能DSP芯片设计和研制的平缝机电机控制系统具有良好的实时控制性能，能够实现更为复杂的控制算法n扪，使工业平缝机能够实现多种功能，胜任不同的应用场合。13工业平缝机伺服控制系统的介绍工业平缝机的伺服控制系统主要组成部分包括，数字伺服控制器、电机、传感器等，伺服系统伴随着伺服电动机的发展而发展，经历了三个主要发展阶段n31：第一个发展阶段(60年代以前)，此阶段是以步进电动机驱动为主要驱动电机的时代，伺服系统的控制方式是开环的。第二个发展阶段(60一70年代)，这一阶段电机伺服系统里广泛采用的是直流电动机，这是因为直流电动机具有优良的调2浙江大学硕士学位论文 绪论速性能，伺服系统的控制也由开环控制发展成为闭环控制。第三个发展阶段(80年代以来)，这一阶段中，由于电动机结构的创新，永磁材料和控制技术的突破性进展，出现了无刷直流电动机(方波驱动)，永磁同步电动机(正弦波驱动)等新型电动机，与其相适应的伺服控制系统和驱动装置也经历了模拟式、数模混合式和全数字化式三种方式。相比于其他类型的电机，无刷直流电机主要有这些特点n钔：与感应电动机相比，无刷直流电机功率密度和效率更高，控制性能也更好；与永磁同步电机相比，无刷直流电机的优点同样比较明显，无刷直流电机是采用方波形电流供电，可以提供更高的转矩体积比，还有设计产生方波电压和电流的变频器要比产生正弦波电压和电流的变频器简单，控制算法也简单，元器件也更少；而与有刷直流电机相比，因为有电刷直流电机的最大缺点是换向要靠实际的物理电刷，而无刷直流电机，采用电力电子器件代替机械换相，就可以解决这个问题。因为无刷直流电机的优异性能，与其相关的控制技术研究是当今电机伺服控制领域的热门课题。因为在无刷直流电机运行过程中，需要实时监测转子的位置信号，然后根据转子信号来进行正确的换向，转子的空间位置信号一般可由位置传感器来获得，但是安装转子位置传感器会增加无刷直流电机的体积和成本，而且在有些特殊的应用场合下电机根本无法安装位置传感器。因此，国内外的研究人员对于无刷直流电机的无位置传感器技术进行了积极的研究，现在比较成熟的方法有反电动势法、电感法、磁链法等n卯而在控制算法方面，因为考虑到无刷直流电机是一个多变量、非线性、强耦合的对象，因此利用模糊控制、神经网络控制、自适应控制等智能控制来进行无刷直流电机的控制是一种有效的手段n61，随着数字控制芯片的计算能力不断增强和存储能力的扩大也为这些相对复杂的智能控制算法的实现提供了有利的条件。14无刷直流电机的结构无刷直流电动机主要有三部分组成-电动机本体、位置传感器和电子开关换相电路17e电动机本体主要包括定子和转子两部分，定子绕组一般为多相(三相、四相、五相不等)，转子采用永磁材料，在结构上和永磁同步电动机相似。无刷直流电动机除了由定、转子组成电动机本体外，还需要由位置传感器，逻辑开关3浙江大学硕士学位论文 绪论电路和功率驱动电路共同构成电流换向装置。无刷直流电动机在转动运行过程中，为了产生最大转矩，定子绕组所产生的磁场和转子永磁体产生的磁场，在空间中应该尽量保持在90。左右的角度。图11Yo一个三相两极的无刷直流电动机的原理图，三相定子绕组分别与逻辑开关电路中相应的功率开关器件相连。电动机本体电子开关线路 ：-l-_-：图11无刷直流电机结构图逻辑开关线路是用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间，主要由位置传感器信号电路和功率逻辑开关元件两个部分组成。功率逻辑开关单元是控制电路系统的核心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑分配关系分配给无刷直流电动机定子上的各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。15无刷直流电机的数学模型一般情况下，无刷直流电机的转子材料为永磁磁钢，经过与定子磁场的电枢反应之后，其气隙磁通分布为方波形状，反电势波形为梯形波，定子相电流波形为方波。每相绕组中，在半个电角度周期内，方波电流的持续时间为1200电角度，梯形波反电动势的平顶部分也为120。电角度，两者应严格同步。由于实际上无刷直流电机的结构以及磁场并不能做到这么理想的状态，为了分析其数学模型，本文首先作出如下假定n盯：(1)三相绕组，定子电流、转子磁场分布皆对称；4浙江大学硕士学位论文(2)忽略齿槽、换相过程等对于电枢电流和磁场分布的影响；(3)电枢绕组在定子内表面均匀连续分布，气隙磁场为方波；(4)磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗。三相绕组的电压平衡方程可表示为n钔：r虬时 量茎+p主兰绪论荨耋+圣 11)式(卜1)中：vo，vo为三相定子端绕组；io，毛，之为定子相绕组相电流；eo，吃，巳为定子相绕组反电动势，厶，厶，丘分别为三相绕组的自感，Lob为A相和B相间的互感，其他亦然，且有k=k，k=k，k=厶，P为微分算子。根据前面的设定，定子三相对称，定子三相绕组的自感以及三相绕组问的互感为常数，两者都与转子当前的空间位置无关，因此可得：Ro=R=足镏厶=厶=t=L厶=k=k=乞=厶。=厶=M于是电压方程可以表示为：阱定子三相绕组为Y连接，可得：啪耋+p妻没有中线，则有：乞+乇+之=0薹差+圣 15)(1-6)兰夕罢睦+圣 c 17，6M鼬厶厶O吃ORO0。L、，、，、，234一一一l11，L，L，LMMOO尺O足OR0O。LOMO一；M厶5一三OO+乞珞乞1JOO尺ORO浙江大学硕士学位论文 绪论无刷直流电机的电磁转矩方程为： z=芈m8，其中，Q为转子的机械角速度。运动方程为：a_衍n=乙一互一艘 (19)式(卜9)中：乏为电磁转矩，瓦为负载转矩，B为阻尼系数，为转子的转动惯量。1