[发明专利]基于ADRC的无刷直流电机伺服系统软件设计方法

说明书

本发明公开了基于ADRC的无刷直流电机伺服系统软件设计方法，属于无刷直流电机技术领域，通过对主程序的设计、中断程序的设计、换相程序以及转速计算程序的设计，软件将电动机转速反馈到控制系统中，控制量输出以PWM方式调节，驱动永磁无刷直流电动机按照设定速度运转，在搭建整体的实验平台，进行了基于PID和ADRC控制算法的无刷直流电机性能比较实验，分析出基于ADRC的无刷直流电机控制系统是有效的；基于ADRC的无刷直流电机控制系统较基于PID的无刷直流电机控制系统有更强的动态响应能力和抗扰动能力，这充分体现了ADRC控制算法的优越性，该系统具有良好的抗扰性能及动态响应性能，工程适用性较强。

技术领域

本发明属于无刷直流电机技术领域，具体为基于ADRC的无刷直流电机伺服系统软件设计方法。

背景技术

永磁无刷直流电动机既具备交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电动机运行效率高、调速性能好等特性。随着现代电力电子和计算机技术的快速发展，其硬件成本得到了有效控制，其在日常工业领域中的应用日益广泛，如在电动车、伺服驱动器方面应用较广。

永磁无刷直流电动机是非线性的多变量系统，数学模型比较难建立。经典的PID控制难以实现精确控制电动机。较先进的模型参考自适应控制、模糊控制和神经网络控制虽然可以有效地提高电动机的运行性能，但是模型参考自适应控制难以应对负载的快速变化；模糊控制由于复杂模糊规则的相互作用，致使控制效果不够理想；而神经网络控制器需要高速的微处理器进行数据运算，硬件实现比较困难。因此，尝试使用自抗扰控制技术(ADRC)研究永磁无刷直流电动机系统的控制器。

自抗扰控制技术(ADRC)是一种不依赖于系统模型的新型非线性控制器，它从经典PID控制出发，以误差负反馈方式建立系统闭环控制，利用现代控制理论的观测器理论，建立扩张状态观测器观测系统内部和外部的扰动，然后加入相应的控制量抑制扰动。自抗扰控制技术(ADRC)继承了PID的优点，具有超调低、收敛速度快、精度高、抗干扰能力强等特点，对不确定性的扰动和控制对象内部的自身扰动都具有较强的自适应性和鲁棒性。

发明内容

(一)解决的技术问题

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了基于ADRC的无刷直流电机伺服系统软件设计方法，解决了传统PID控制引取输入设定与系统反馈输出之间的误差，增益后作控制信号，当输入设定量变化时得到的误差会以数量级的方式变化，进而引起系统设计的响应快速性与超调性矛盾的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于ADRC的无刷直流电机伺服系统软件设计方法，包括以下步骤：

S1、软件总体设计：DSP通过eCAP接口捕捉霍尔传感器信号的高低变化，根据信号改变逆变桥路的输出，驱动电动机设计要求运转，12次eCAP中断时，磁极对数为2的电动机转子转动了一圈，此时配合10us计时器的中断次数，就可以计算出电动机的转速。

ADRC控制器将PWM占空比作为控制系统的输出，把电动机转速当作控制对象的反馈，与设定转速一起进行控制运算，运算过程是设定转速经过跟踪微分器(TD)计算出输入的一阶跟踪和二阶微分V₁、V₂，扩张状态观测器通过被控对象的反馈(电动机转速)和控制系统的输出(PWM占空比)得到系统状态的一阶输出跟踪、二阶输出微分和系统干扰，然后通过非线性组合(NLSEF)更新PWM占空比输出。

S2、系统初始化：初始化包括两部分，一是DSP芯片初始化，二是电动机主动模块初始化。

a、DSP芯片初始化：这段程序是TI公司提供的初始化例程，用作初始化内部模块和器件到默认状态

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