基于九点控制器的无刷直流电机控制器的设计_李晓佳.docx

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1、 密级 公开 学校代码 10497 举 位 论 文 题 目基于九点控制器的无刷直流电机控制器的设计 姓名 孙晓明 职称 副教授 学位 学士 指导教师 单位名称 自动化学院 邮编 430070 姓名 柳曦 职称 高 级 工 程 师 学位 学士 副指导教师 单位名称 湖北拓博热力科技责任有限公司 邮编 430223 申请学位级别 全日制硕士专业学位 学科专业名称 控制工程 论文提交日期 2011年 4月 论文答辩日期 2010年 5月 学位授予单位 武汉理工大学 学位授予日 M 6R 答辩委员会主席 全书海 评阅人 娄平 英文 题 目 . Design of Brushless DC Motor

2、Controller Based on Nine-point Controller 研究生姓名 李晓佳 柳犧 2011年 5月 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对木研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 円期 ： 年 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印

3、件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的论文在解密后应遵守此规定） 研 究 生 签 名 导 师 签 名 : 闩期 : / / H/j z 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 无刷直流电机是伴随电力电子技术和新型永磁材料出现迅速发展起来的一 种新型电机，由于其具有结构简单、可靠性高、调速性能好，已经广泛应用于 各个领域。采用常规控制方式有运算复杂，调试繁琐，鲁棒性不强等不足。九 点控制算法兼有逻辑控制和非线性控制相结合的优点，设计简单、稳定性好、 抗干扰能力较强。本文以展开以 FPGA为控制核心，采用 DSP Builder混

4、合建模 设计方式，设计基于九点控制器算法的无刷直流电机控制系统。 本文在参考无刷直流电机发展历史及其工作原理的基础上，分析研究了各 相电压、电磁转矩、运动方程等建立无刷直流电机的数学模型，建立控制系统 的整体框架。 对九点控制器算法原理进行研究分析，并与 PID控制方式比较，研究采用 九点控制器算法的系统的动态和静态性能，为后文的控制器设计提供理论基础。 系统总体设计上，进行了以高性能 FPGA为控制核心的硬件平台设计，研究 设计了无刷直流电机的驱动电路、位置传感器电路、电流检测电路、转速检测 电路、PWM发生及死区保护保护电路、光电耦合电路等组成部分。 在控制器设计过程中，采用了 Simul

5、ink/DSPBuilder混合建模的设计方法， 用MATLAB/Simulink标准库搭建无刷直流电机本体模型，用 DSP Builder完成 基于FPGA的控制功能模块的设计。在使用 DSP Builder设计复杂算法的基础上， 完成FPGA控制芯片的数据采集和控制模块整合工作，实现了无刷直流电机的速 度控制与电流控制的单芯片集成。 在 MATLAB/Simulink中进行系统建模仿真实验，并与 PID控制仿真波形结 果进行动态和静态性能比较分析。仿真结果表明：采用九点控制策略控制无刷 直流电机有良好的动态和静态性能。 关键词：九点控制器，无刷直流电机， MTALAB/Simunlink,

6、 DSP Builder， FPGA 武汉理 :丨 :大学硕士学位论文 Abstract Brushless DC moter is a new motor accompanied by the rapid development of the power electronics and pememant magnetic materials technology. Because of its simple structure, high reliability, good speed-moduling performance ?it has been widely used in many

7、 fields.Conventional control methods have shortages as design complexity, complex debugging , robustness. The nine-point controlling algorithm combines the advanteages of easy design, good stability, anti-interference ability between logic control and non-linear control method.In this paper,I use DS

8、P Builder hydrid modeling design method with the FPGA as controlling core,to desgin a brashless DC motor control system based on the nine-point controlling algorithm. In the paper, according to the development and work theory of brushless DC motor ,many methematical models of brushless DC motor such

9、 as multy-phase voltage equation, electromagnetic torque equation, motion equation had been disgussed and researched to establish the framework of th entire system. Comparing with the PID controniing theory, the dynamic and static performence have been researched and analysised ,based on the nine-po

10、int controlling theroy,to support farther controlling system disgussion. In the system designing 5the design of the hardware platform with the core of high- performence FPGA have been made, which includes the current detection circuit, speed detection circuit, PWM and the dead-zone protection circui

11、t, photoelectric coupling circuit. With the designing of controller ?the hybrid modeling desigin method using the Simulink/DSP Builder has been used to build brushless DC motor model with MATLAB/Simulink standard library ?build the controlling module with DSP Builder library.Afler the complex algori

12、thm design with DSP Builder, the data acquisition and controlling module intergration on FPGA controlling chip. The system modeling and simulation experiment finished in the MAlLAB/ Simulink.Comparing with the PID contril method ?the simulation waves show the nine-point controlling method performs a

13、 better dynamic and static performence. Keywords: nine-point controller, BLDCM, MATLAB/Simulink, DSP Builder, FPGA 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第 1章绪论 . 1 1.1引言 . 1 1.2无刷直流电机的发展与国内外研究状 况 . 1 1.2.1无刷直流电机的发展 . 1 1.2.2国内外无刷直流电机控制技术的现状及分析 . 4 1.3本课题研究任务 . 7 1.4本章小结 . 8 第 2章无刷直流电机的工作模式选择及模型建立 . 9 2.1无刷直流电机的结构概述 . 9 2

14、.1.1无刷直流电机的转子与定子 . 10 2.1.2转子位置传感器 . 10 2.1.3功率驱动电路及工作模式的选择 . 12 2.2无刷直流电机的数学模型分析 . 16 2.2.1定子各相绕组电压方程 . 16 2.2.2电磁转矩方程 . 20 2.2.3运动方程 . 21 2.3无刷直流电机控制系统结构设计 . 21 2.4本章小结 . 22 第 3章无刷直流电机控制算法的研究 . 23 3.1无刷直流电机控制算法的选型 . 23 3.1.1 PID控制算法 . 23 3丄 2九点控制算法 . 24 3.2九点控制器的仿真分析 . 28 3.3本章小结 . 30 第 4章无刷直流电机控制

15、系统硬件平台设计 . 31 4.1基于 FPGA的设计幵发流程 . 31 4.2无刷直流电机系统硬件平台设计 . 33 4.2.1逆变桥驱动电路设计 . 33 4.2.2AD转换电路设计 . 34 4.2.3电流检测电路设计 . 35 III _ 武汉理工大学硕士学位论文 _ 4.2.4转速检测电路设计 . 36 4.2.5 PWM波产生器及换相逻辑设计 . 37 4.2.6死区保护电路设计 . 40 4.2.7霍尔位置传感器电路设计 . 41 4.2.8光电隔离电路设计 . 41 4.3本章小结 . 42 第 5章基于 DSP Builder控制器建模与仿真 . 43 5.1 MATLAB/

16、Simulink 与 DSPBuilder 设计方法 . 43 5.2无刷直流电机控制系统的控制器设计与模型建立 . 46 5.2.1无刷直流电机本体模型搭建 . 47 5.2.2基于 DSP Builder的电流环控制模块设计 . 48 5.2.3基于 DSP Builder转速环控制模块设计 . 49 5.3无刷直流电机控制系统仿真结果分析 . 50 5.3.1系统仿真参数设置以及仿真结果 . 50 5.3.2仿真结果对比分析 . 53 5.3.3 HDL转化流程 . 54 5.4本章小结 . 54 第 6章全文总结与展望 . 55 6.1本文工作总结 . 55 6.2研究与展望 . 55

17、 参考文献 . 57 . 60 武汉理工大学硕士学位论文 第 1 章绪 论 1.1引言 在现代社会中，电机作为机电能量转换装置，过一个多世纪的发展，已经 普遍应用于国民生产和円常生活的各个领域和环节。例如军事航天方面的弹道 导航，雷达天线，卫星轨道调整；工业生产中加工各种尺寸各种外形的机械零 件，数控机床，工业机器人等；在中小型电子产品中计算机外围设备和办公设 备中的各种磁盘驱动器，扫描仪，复印机，传真机等等。随着现在化进程的加 快，建立在计算机控制技术之上的电气领域，已经了发生巨大变化。 在电机控制方面，最初的模拟控制方法能满足简单控制应用，仅仅能完成 对电机的启动、制动、正反转和顺序控制等

18、操作。另一种复杂控制是针对电机 的转速、转角、电压。电流。功率等物理量进行精确的控制，这是工业生产和 曰常生活的必然需要。相应更加先进的 新型电机和更加智能的控制理论应运而 生。众多型号的点集中，无刷直流电机具有结构简单、矫顽力高和工作效率高 等特点，在国防、航空航天、机器人、工业过程控制、精密机床、汽车电子、 日常家用电器和办公自动化等领域得到了良好的应用。 1.2无刷直流电机的发展与国内外研究状况 1.2.1无刷直流电机的发展 无论是工农业生产，交通运输，航空航天，国防，医疗卫生，商务办公设 备，还是在 H常生活中的家用电器和个人消费电子产品（计筇机，电冰箱，空 调等）都要用到各式各样的电

19、机。从小到毫瓦的计算机光驱电机，大到百万千 瓦的厂矿使用的电机。虽然交流电机驱动简单可靠、易保护，但工作效率低， 电耗大。若为可调速运行，就可节电 30%左右。直流电机具有优良的机械性能 和调速性能，但是直流电机若采用电刷换向使得其结构复杂，又由于电刷工作 存在机械摩擦，而产生、电火花、噪声、无线电干扰以及机械磨损导致的使用 寿命短的致命弱点，从而大大限制了它的使用范围。 武汉理工大学硕士学位论文 无刷直流电机 （ BLDCM， Brushless DC Motor)的出现，带动了电机调速应 用的革新。它是在有刷直流电机的基础上发展来的，通过改进，用电子换向装 置代替了原始的电刷换向装置。转子

20、上采用永磁体励磁，所以没有励磁损耗； 发热的电枢绕组通常安装在机身外侧的钉子上，热阻较小，容易散热。实际上 无刷直流电机也是永磁同步电机 (Permanent Magnet Synchronous Motor) 种，永 磁电机结构上与笼型异步电机相似，但前者是自励磁场，后者是他励方式励磁； 转短控制与有刷直流电机类似；机械特性又与他励直流电机几乎一样。无刷直 流电机的磁场由永磁材料提供励磁，不像异步电机那样从 电网汲取无功电流。 而转子上只有杂散损耗，没有转子铜损耗，其效率比同容量、相同有效材料的 异步电机提高很多 12。正由于具有这些优点，无刷直流电机一直在各行各业 得到广泛应用。 无刷直流

21、电机诞生于 20世纪 60年代末期， 1955年，美国人 D*Harrison和 Rye首次申请利用晶体管电子换相线路代替原始的机械换相器件获得成功，这就 是无刷直流电机的雏形。霍尔器件 （ Hall device)的诞生使电子换相的无刷直流 电机于 1962年问世。联邦德国 Mannesmann公司的 Indramat分部于 1978年 在 汉诺威的贸易展会上推出 MAC无刷直流电机及其驱动系统。志着无刷直流电机 正式进入广泛使用阶段。 与此同时，随着现在工业对电机性能的要求越来越高，电机的控制策略也 在不断进步。数字控制技术己经不断深入工业生产和日常生活的各个领域。数 字可编程集成电路控制

22、方式采用 ASIC (专用集成电路 ， Application Specific Integrated Circuit)控制器、車片机、 FPGA(现场可编程门阵列 ， Field Programmable Gates Array)和 DSP (数字信号处理器 ， Digital Signal Processor)等作为核心， 解决了这些先进控制方式算法复杂而较难实现的问题。 最初电机控制器使用专用集成电路实现。虽然其有结构简单，性价比高、 外围器件比分立式控制器少，但使用时也因功能扩展性不好，不易进行产品的 功能改进和升级等。选用可编程控制器虽然成本稍高，但此类器件有拓展性好， JV上资源丰

23、富，控制灵活的特点，也应用于新型的控制器 3。单片机和 DSP都 具有丰富的 10接口。其中，单片机价格相对便宜，但是处理数据的能力有限， 尤其是对轨迹要求高、需要处理的数据量大、 控制精度耍求高和系统实时性要 求下，单片机就不能满足速度运算的需要。所以单片机一般只用于简单的电机 控制系统，而 DSP由于强大的运算和数据处理能力，通常用于电机的智能控制 中。由于 DSP采用哈佛结构 （ 并行体系结构，有别于冯 诺依曼）和 DSP器件使 _ 武汉理 :丨 :大学硕士学位论文 _ 用的高度专业化指令集，加上本身带有硬件乘法器，提高了数字滤波运算的速 度，使得它在矢量控制、规则实施和矩阵元算方面有很

24、大优势。因此， DSP内 部结构使它具有很多优势：并行体制，所有指令都是单周期执行，流水线体制 指令集，内部的数据、地址、指令以及 DMA (直接存储器存取）总线分开，多 个专用寄存器等等 4 DSP强大的计算能力使许多智能控制算法在无刷直流电机 中得以实现，大大提高了电机控制的精度和稳定性。但 DSP在运算上主要受限 于时钟频率，每个时钟周期的操作数目有限，而且 DSP也缺乏并行处理能力。 随着 DSP处理速度和存储量的进一步改进，其应用将更为广泛。 20 世纪 80 年代中期 FPGA (Field Programmable Gates Array)问世开辟了电 子设计的新纪元。它最初源于

25、半定制门阵列，但比半定制更加方便。 FPGA是一 种基于 SRAM的现场可编程器件，富含大量触发器，逻辑功能通过查找表 (Look-Up Table)实现，通过对存放在片内的 RAM编程，控制大量查找表的逻 辑功能，通过层次化的内部 10布线网络输出逻辑结果。 FPGA最大的优点之一 就是它可以方便实现多次修改，设计者可以多次对它编程调试，大大降低了设 计风险。它自身的集成度非常高，一片 FPGA芯片少则容纳几千等效门，多则 几万或者几十万等效门，可以完成 较大规模的组合逻辑电路设计；同时 ， FPGA 内部包含大量触发器，适合于完成复杂的时序逻辑设计 5,6。利用 VHDL或者 Verilo

26、gHDL 等硬件描述语言 （ Hardware Description Language,HDL)对系统进行 编程设计，灵活性强，具有静态可重复变成和动态在线系统重构的忒性，使得 硬件的功能可以像软件一样可以通过编程来修改，并能按照用户的需求来定义 10的功能。加之， IP核 （ Intellectual Property core)引入使得数字电路设计更加 便捷。它可将一段经过验证的具有特定电路功能的硬件描述语言完美封装成一 个可移植模块，可以进行多次复用。而且该模块的实现与集成电路无关，一些 跟数字处理相关的 IP核按设计要求修改某些参数就可直接使用，大大简化设计 量。所以在电机调速、变频

27、控制中，FPGA主要通过组合逻辑、计数器和状态机 来实现，就需要大量的、或、非逻辑运算。利用用 FPGA进行逻辑运算是非 常方便的，适合应用于电机控制系统中。 电力电子技术是电机控制技术发展的重要促进力量。从 20世纪 60年代的 第一代半控型电力电子器件 晶闸管 （ SCR)发明 至今，经历了 70年代后期 第二代有自关断能力全控型的电力晶体管 （ GTR)、 门极可关断晶闸管 （ GT0)、 双极型结型晶体管 (BJT)、 电力场效应管 （ Power-MOSFET)， 到 80年代后期第 r-二代复合场控制器件 绝缘栅极双极型晶体管 （ IGBT)、 集成门极换向晶闸管 3 _武汉理 :

28、丨 :大学硕士学位论文 _ (IGCT)、 MOS控制晶闸管 (MCT)。 现在正在蓬勃发展的第四代驱动、控制、 保护电路恶化功率器件集成在一起的产品 功率集成电路 （ PIC)即将投入批 量生产使用。在电机控制方面，由于功率器件工作在开关模式，特别适合于数 字控制和驱动。即便是模拟 PID闭环控制，也必将最终的输出控制信号转化为 数字电平信号。因此，在功率器件的控制方式中，采用数字控制技术明显优于 模拟控制技术。 20世纪末计算机技术的潮流推动了科学的急速发展，改变了整个工业生产 的面貌。电机控制方面也借此契机不断革新，各种先进的数字器件和控制理论 的普遍应州，推动无刷直流电机控制系统向小型

29、化、轻量化、智能化、高效环 保方向发展。 1.2.2国内外无刷直流电机控制技术的现状及分析 对无刷直流电机的一般控制技术相对已经比较成熟，国外发达国家对无刷 直流电机的研究内容与国内研究进度大致相当。但由于日本和美国的电机制造 和控制技术较为先进，他们分别在军事领域和民用领域的探索比较突出。无刷 直流电机是一个多变量、非线性、强耦合的控制对象，采用一般的控制方法， 很难达到高性能要求。对无刷直流电机的研究非常广泛主要在，可概括成三个 主要方向：无位置传感器控制技术的研究、永磁材料的研究以及针对电机控制 策略的研究。研究解决上述课题，对无刷直流电机的发展有巨大的推动作用。 传统的无刷直流电机位置

30、检测 方式通常是直接检测法，即用位置传感器直 接来检测无刷直流电机电机转子的位置。通常使用光敏式位置传感器 （ 如遮光 盘）和磁敏式位置传感器（如霍尔位置传感器 )。光敏式位置传感器是利用转子 旋转主轴带动遮光盘旋转，让静立的光敏元件检测所接收到光的明暗程度和明 暗频率来反馈相应的位置量。其轻便可靠，安装精度高，方便调整，所以应用 较为广泛。磁敏式位置传感器则通常利用霍尔效应测量绕转子圆周分布的多个 传感器的霍尔电压变化来间接获取电机转子的位置，它与光敏式位胃传感器同 样存轻便可靠、调整便捷、可实现机电一体化的特点。在 目前的应用范围也很 广泛。 20世纪末，各国科学家对无刷直流电机的无位置传

31、感器控制技术的研究进 入高峰期 7 8。 1986年 Iizuka等科学家通过在软、硬件平台上全面分析反电势法， 并取得了重要进 M。 1989年， Lin等科学家根据相电流与定子磁链相位相同，分 4 武汉理 :丨 :人学硕士学位论文 析各相电流的变化能准确反映电机转子的位置的特点，用测量相电流的变化来 间接获得转子位置的方法。 1990年， Ogasawara提出续流二极管检测方法，即通 过检测反向并联在驱动三极管上的续流二极管导通关断状况来得出转子位置， 它是从电流的角度来考虑反电势状况。 Matsui等人于 1992年利用相电流和相 电压瞬时方程的方法来检测电机转子的位置。 1994年，

32、 Ertugrul等人提出了基于 定子磁链估计的位置检测方法。该方法是通过测量相电压、线电流信号从而计 算出定子绕组各相的磁链，再根据磁链变化得到转子的位置信号。这种方法误 差小，调速范围广，但计算稍微复杂。与此同时，利用状态观测器和卡尔曼滤 波法来测量电机转子的位置。端电压法来源于反电势测量法，它通过测量各相 端电压数值，根据其变化规律得出转子的位置。使用端电压法的电路结构比测 各绕组反电势法更简单，所以更加易于实现。变电机结构法则是在转子结构或 者定子结构上作出适当改动来测量转子的位置，如添加一个辅助短路转子绕组 来获取转子位置信号，或者在转子表面安装非磁性材料，通过检测该材料因涡 流反应

33、造成的相电压变化情况反映转子位置。之后， Matsuse等人在电机定子侧 通过设计改装闭口槽形式电机来获取转子的位置信号。近几年提出利用多种智 能算法来研究转子位置与电流、电压信号的相互关系。虽然这种检测方式精度 较高，由于其算 法复杂和计算时间较大，使得控制成本增加。 永磁材料是直流电机励磁部分的最重要材料。电机小型化、轻量化和高效 化发展趋势与磁性材料的发展息息相关。早起的铝镍钴 （ AlNiCo)材料、之后 的铁氧体磁性材料在很长时间内占据主导地位。 20世纪 60年代中期稀土材料的 兴起，钕铁硼 (NdFeB)磁性材料的问世引发了磁性材料的一大进步。其磁能积高， 不含价格昂贵的合金元素

34、。铷和钐虽同为稀土元素，但铷的价格较为便宜而且 矿藏储量是钐的十几倍，钕铁硼在工业和民用永磁电机中迅速得到广泛推广和 使用。近些年纳米复合材料也带来了永磁材料的革新，纳米复合的永磁材料是 由具有高磁感应矫顽力的硬磁相与具有高饱和磁矩的软磁相复合而成的。纳米 晶永磁材料理论磁能积达 800 kJ/m3以上，远远高于钕铁硼材料的理论磁能积。 早期的电机控制都是采用分立式器件，结构简单，控制精度不高，规模较 大，只适合于简单的电机控制。随着 智能控制理论技术的发展。在数字电子技 术的推动下，现代控制理论更加容易实现。目前，针对电机控制系统的控制理 论从传统的 P1D控制方式，发展到模糊控制、神经网络

35、控制、鲁棒控制、变结 构控制、参数卩彳适应控制以及多种智能控制相结合的多种先进控制策略，其理 论研究己经趋于完善，很多都在工业生产中得到应月 U 5 武汉理 :丨 :大学硕士学位论文 PID控制是工业控制中比较经典的控制方式，该控制方法主要包括三个环 节：比例环节、积分环节、微分环节。比例控制特点是能在误差产生时，迅速 产生控制作用，使被控制量向误差减小的趋势变化。积分控制能对误差进行记 忆，进行积分运算，有利于消除静差。微分控制则对误差进行微分，对误差的 变化趋势敏感，加快系统响应，减小超调量，增加系统的稳定性。 5,7,81但各环节 的控制效果又有一定的局限性。而且 PID控制算法是一种线

36、性控制方法，对于 无刷直流电机这一多变量，非线性，强耦合的控制对象，其鲁棒性较差，不具 有自适应性，在一些控制要求较高或者工作环境苛刻的条件下，难以达到理想 的控制效 果。从而制约了对高性能无刷直流电机的有效控制。 实际系统由于存在复杂性、非线性、时变性、不确定性和不完全性等，一 般难以获得精确的数学模型。而提高控制性能又使传统控制系统可能变得很复 杂，从而增加设备成本，降低系统可靠性。于是近几年前，智能控制技术的突 飞猛进弥补了传统控制理论的不足，成为了自动控制科学的必然发展趋势。 模糊控制方法是近几年提出来的。它以模糊集合论为基础，建立一定的模 糊规则，把人的控制策略的自然语言转化为计算机

37、能接受理解的语言，利用模 糊控制器来实现对无刷直流电机的控制。模糊控制的核心就是 依靠经验和估计 设计模糊规则。该控制理论是美国科学家 Zadeh创建的，而由英国学者 Mamdani 应用于工业控制中 8。模糊控制有明显的特点：不需要被控对象的精确动态数学 模型，只要求有相关的控，制经验和知识，建立良好的模糊规则；控制器的鲁 棒性较强且设计简单；适用于非线性、时变、大滞后的系统控制。但模糊控制 自身也存在一定问题，如需要足够丰富的经验来选择繁多的模糊变量和隶属度 函数；在现实应用中，操作环境的复杂性、多变性使得很多专家经验无法涉及 到；模糊规则的复杂程度也直接影响到模糊控制器的设计；而且模 糊

38、控制缺乏 自适应自学习能力。所以单纯的模糊控制的效果不是很好。 由于模糊控制的特点之一就是不需要控制对象的精确数学模型而且鲁棒性 较好。现在很多学者就提出将智能控制与经典控制方式相结合，运用在电机控 制方面，由此诞生出许多新的智能控制算法，例如，神经网络控制算法，遗传 算法，分级控制算法等。 祌经网络控制算法是以人类神经网络为原型发展而来的。大量与生物神经 系统的神经细胞相似的人工神经元相互联系形成神经网络，这种网络具有某些 职能和模仿人类控制的功能。学习算法是神经网络的重要特征之一，也是生物 机体在复杂 环境中进行有效自我调节的必然要求。学习性是神经网络的重要特 6 _ 武汉理 .I:大学硕

39、士学位论文 _ 点之一，它是生物机体在复杂环境中进行的有效自我改变。神经网络利用大量 神经元按照一定拓扑结构和学习调整方法，它具有并行计算、分布储存、可变 结构、非线性运算、自我组织、自我学习等特点。它在智能控制的参数、结构 或对环境的自适应、自学习等方面有独特的能力，很适合于电机控制。神经网 络和模糊控制相类似，都能模仿人类大脑的运行机制，它们一样适用于各种复 杂控制对象，都能很好解决非线性问题。两者又有区别 ： 模糊控制是利用语言 信息描述系统的，而神经网络不能；模糊控制器中参数的定义有明确的物理意 义，能提出有效的初始参数选择方式，而神经网络的初始参数只能随机选择， 但在学习功能的作用下

40、，它能经过多种训练可使参数配置满足控制要求。 7,8可 以认为神经网络控制技术是模仿人类大脑的硬件，模糊控制则是模仿人类大脑 的软件 191。所以根据两者的密切联系，近些年来提出了两者结合的新控制理论。 基于生物进化规律的遗传算法由美国科学家 J*Holland于 1975年首先提出 的。其主要特点是直接对结构对象进行操作，不需要求导或函数连续性的限定 ; 具有内在隐性和全局寻优能力；概率化的寻优方法能自动获取和优化搜索空间， 主动地调整搜索方向，而不需要具体的规则 1()， 11。自适应控制的对象是具有不确 定性的系统，其中 “ 不确定 ” 是指被控对象及其环境的数学模型不是完全确定 的，其

41、中包含有未知因素和随机因素。作为基于数学模型的控制方法，自适应 控制所依据的关于模型和扰动的先验知识较少，需要在系统运行过程中不断提 取对象的有效输入输出信息，不断地辨识模型参数。随着系统运行，所所识别 的信 息越来越多，模型会变得越来越准确，越接近于实际。从而使系统逐渐适 应，最终自我调整到一个满意稳定的工作状态。 1.3本课题研究任务 本论文的主要目的和任务是在 MATLAB/Simulink的环境中，搭建一个基于 FPGA的无刷直流电机控制仿真实验平台，并以此为基础设计一个无刷直流电机 的全数字九点控制算法的调速控制器。同时，对九点控制算法在无刷直流电机 的控制性能上进行研究，达到提高电机控制系统的动态性能和稳态精度的目的。 本文的内容组织结构如下： 第 2章，分析无刷直流电机的工作原理