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无刷直流电机

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基于DSP2812设计的无刷直流电机控制器,采用数字PID控制,对电枢电压进行PWM斩波改变电机的有效电压进而达到调速的目的。

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学校代码:10126 分类号:TP273 编号:—— 学号: 三12三鱼Q52 论文题目 DSP无刷直流电机控制器的设计 学 1腕:一电子信息工程学院 专 业:控制工程, 研究方向:智能系统 姓 名:陈彦君 指导教师:张泽教授 2014年4月28日 原创性声明 本人声明:所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除本文已 经注明引用的内容外,论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得凼苤直盍堂及 其他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本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谢意。 学位论文作者签名:二逝指导教师签名: 日 日 期: 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:内蒙古大学有权将学位论文的全 部内容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘,允许编入有关数据库进行检索, 也可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文。为保护学E:和导师的知识产权,作者在学期 间取得的研宄成果属于内蒙古大学。作者今后使用涉及在学期间主要研究内容或研究成果,须征得内蒙古 大学就读期问导师的同意;若用于发表论文,版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表。 学位论文作者签名:锻指导教师签名:堑 日 内蒙古大学硕士学位论文 DSP无刷直流电机控制器的设计 摘要 无刷直流电机是一种新型直流电机,是伴随着电力电子技术、控制理论韵进 步和新型永磁材料的出现而发展起来的,用电子换相线路代替换向器,所以无 刷直流电机运行时不会产生电火花,同时继承了直流电机调速特性好的优点。 本文的开始剖析无刷直流电机的内部结构,描述了电机运行的工作原理并建 立了无刷直流电机的数学模型。然后介绍了无刷直流电机控制器的关键技术, 包括电机的控制部分、驱动部分和转子位置的检测。根据控制器的整体方案, 搭建了控制器的硬件电路:电源电路、控制电路、驱动电路、转子位置的检测 和电流检测电路,另外还有保护电路。控制处理器采用TI公司的TMS320F2812 作为控制器的核心,具有高速的运算速度和片上集成了较为强大的事件管理器。 ;j 。j 速度控制的控制策略采用数字PID进行控制。电机的调速原理是根据电机的电 势平衡方程,对电枢电压进行P删斩波改变电机的有效电压进而达到调速的目 的。 软件的调试是在CCS3.3环境下进行的,代码采用C语言和汇编语言进行编 程。‘其中初始化子程序和电机启动子程序构成软件的主程序,中断服务子程序 包括捕获中断子程序和A/D中断子程序。 关键字:无刷直流电机;TMS320F2812;PWM;数字PID 内蒙古大学硕士学位论文 THE DESIGN OF THE DSP CONTROLLER OF BLDC ABSlR~CT BLDC(Bmshless Direct Current Motor,short named BLDC)motor is a new type of DC motor,With development of power electronic technology,control theory and the emergence of the new permanent materials,BLDC is developing.Mechanical reversing device is replaced by electronic commutation device,SO it has not spark,at the same time inherited good DC speed control performance. The beginning of this article analyzes the internal structure of BLDC,describe the principle of the motor running and establish the mathematical model of BLDC, introduce the key technology of BLDC controller,including motor control part,drive part and the detecting of rotor position.According to the overall scheme of controller, setting the controller hardware platform:including the power supply circuit,the smallest system,power drive circuit,the detecting of rotor position,current detection and the power protection circuit control processor.The TMS320F28 1 2 of TI company as the core of the controller,it has a high speed operation,integrated more powerful event manager.Control strategy of speed control is adopted digital PID. Motor speed regulation principle is based on equilibrium equmion of electric potential.The armature voltage PWM chopper change effective voltage of the motor to achieve the purpose of speed contr01. Software debugging is under the environment ofCCS3.3,code using C language 内蒙古大学硕士学位论文 and assembly language programming。Main program is consist of initial subprogram and motor start subroutine,interrupt service subroutine including capture interrupt subroutine and A/D interrupt subroutine. KEYWORDS:BLDC;TMS320F28 1 2;PWM;Digital PID 内蒙占大学硕士学位论文 目录 第一章引言………………………………………………………….1 1.1课题研究的背景和意义……………………………………………l 1.2无刷直流电机的发展状况…………………………………………1 1.2.1无刷直流电机的发展历史…………………………………….2 1.2.2无刷直流电机控制技术的发展状况……………………………..2 1.3本文的结构安排………………………………………………..3 第二章无刷直流电机的工作原理和数学模型…………………………………5 2.1无刷直流电机的基本结构…………………………………………5 2.1.1电动机本体……………………………………………….5 2.1.2转子位置传感器……………………………………………6 2.1.3驱动控制电路……………………………………………..6 2.2无刷直流电机的工作原理…………………………………………6 2.3无刷直流电机的数学模型…….…………..………………………8 2.3.1电压方程…………………………………………………8 2.3.2转矩方程……………..…………?………一…………..。10 2.3.3运动方程……………………………………….……….10 2.3.4传递函数………………一………………………………10 2,4无刷直流电机的运行特性……………………………….……….tl 2.4.】起动特性………………………………………………..12 2.4.2。工作特性………………………………………………..12 2.4.3机械特性……………………………….‘……………….13 2.5本章小结…………………………………………………….14 第三章控制器的整体结构和控制策略……………………………………..15 3.1控制器的整体框架……………………………………………..15 3.2控制器速度控制结构……………………………………………15 3,3控制芯片…………………………………………….………16 3.3.1控制芯片的选择…………………………………………..16 l 内蒙古大学硕士学位论文 3.3.2 DSP芯片的介绍…………………………………………..17 3.3.3 TMS320F2812芯片的优点……………………………………17 3.4控制技术…………………………………………………….18 3.4.1调速原理………………………………………………..18 3.4。2电枢电压的调节方法……………………………………….18 3.4.3 P1】|『M波的生成…………………………………………….19 3.5控制策略…………………………………………………….20 3.5.1 PID控制………………………………………………..20 3.5.2数字PID控制算法…………………………………………2l 3.6本章小结…………………………………………………….22 第四章控制器硬件电路设计…………………………………………….23 4.1硬件电路的总体结构……………………………………………23 4.2 DSP最小系统设计………………………………………………23 4.2.1电源电路设计…………………………………………….24 4.2.2 SCI硬件设计…………………………………………….24 4.2.3最小系统设计……….……..……:…………………….‘..25 ‘ ‘ 4.3.功率驱动电路的设计……..:……..……一……………………‘..26 ’ ’ I 4.3.1功率管的选取………………………………………….:..26 4.3.2逆变电路的设计…………………………………………..26 4.3.3功率驱动芯片的选取及驱动电路的设计…………………………27 4.4采样检测电路设计……………………………………………..28 4.4.1电流采样电路…………………………………………….28 4.4.2转子位置信号检测电路……………………………………..29 4.5保护电路的设计……………………………………………….30 4.5.1过流保护电路…………………………..………………..30 4.5.2光耦隔离电路…………………………………………….3l 4.6本章小结…………………………………………………….31 第五章控制器的软件设计………………………………………………32 5.1软件丌发环境的介绍……………………………………………32 5.2控制器软件设计……………………………………………….33 II 内蒙古大学硕士学位论文 5.2.1无刷直流电机控制原理……………………………………..33 5.2.2控制器的整体结构…………………………………………33 5.3主程序设计…………………………………………………..33 5.4中断服务子程序……………………………………………….35 5.4.1捕获中断子程序…………………………………………..35 5.4.2 A/D中断子程序…………………………………………..37 5.5本章小结……………………………………………………。38 第六章实验结果……………………………………………………..39 6.1实验结果…………………………………………………….39 6.2本章小结…………………………………………………….43 第七章结论与讨论……………………………………………………44 7.1总结………………………………………………………..44 7.2讨论………………………………………………………..44 参考文献……………………………………………………………45 附录一控制电路PCB………………………………………………….47 附录二驱动电路的PCB…………………………………………..。…々..49 ‘ ‘ 7傲谢...j….…….1……………….…………………………..’…“.47 内蒙古大学硕士学位论文 第一章引言 1.1课题研究的背景和意义 无刷直流电机快速地发展得益于电力电子技术的发展。无刷直流电机去掉电刷,取而代 之的是电子换相线路,这样一来它的许多优点突显出来:结构设计简单、维护故障方便等, 与此同时又不失有刷电机调速性能好等优点,同时克服了有刷直流电机由于换相器带来的噪 声、火花、无线电干扰等缺点。无刷直流电机能应用在各个领域是因为其输出转矩大、质量 轻、体积小、动态性能好n1。 电机调速的多样化得益于电力电子技术和控制理论的发展和进步。无刷直流电机控制器件 在提高可靠性的同时,也做得更加美观小巧。随着科技不断进步,新型家用电器的竞争日益 明显,消费者在对电机整体性能提出了更高的要求,高效节能、占用空间小、噪声尽可能的 低、使用寿命常等要求,这也使得有刷电机更新换代为无刷直流电机成为一种趋势。所以无 刷直流电机的控制及应用具有广阔的前景。 1970年,由于经济危机在全球大范围的爆发,世界各国的科学家、科研人员花费大量的 j 时间和精力探索怎样提高电机的工作效率,节省能源。无刷直流电机的优点如刚才所述所以 , , 能应用在许多地方。例如:新型家用电器、计算机外围设备、音响设各、数控机床、机器人、 ’ ! 航天航空、办公自动化等领域。我国在世界上占有稀土份额最大的国家、最多的国家,所以, 研究无刷直流电机意义重大。 就电机控制技术发展状况来说,数字信号处理器为主要控制处理器。DSP运行速度快, 片上资源丰富:片上集成的模/数转化器、数字I/O口以及事件管理器等,所以DSP满足复杂 的控制算法.。并且,随着科学和技术的发展,DSP的成本也在不断地下降,到目前为止,TI 的C2000系列的芯片价格与单片机差不多。 1.2无刷直流电机的发展状况 无刷直流电机的控制涵盖许多的知识:例如,电力电子技术、传感器技术和控制理论。 它们的发展和进步毫无疑问地推动无刷直流电机的发展。 内蒙古大学硕士学位论文 1.2.1无刷直流电机的发展历史 19世纪初,法拉篼提出电磁感应定律,为当前的电机理论的不断发展奠定了基础。第一 台直流电机的出现是在19世纪40年代,在至那以后的17年时间里,直流电机的技术不断飞 跃。伴随着电机应用领域逐步拓宽,人们对直流电机性能的要求也越来越高,由于离不开机 械换相装置,有刷直流电机的应用领域变得比较狭隘。为了去掉有刷电机体积大而笨重的换。 向器,科学家们煞费苦心,经历了很长一段时伺。t925年,USA的科研人员研发明了带控制 栅极汞弧整流器,把直流信号变为交流信号。1930年,科学家发明了利用离子装置实现电机 的定子绕组按转子位置换接的换相器,可是这种电机不能应用于工程实际当中,原因是电机 的可靠性极差。 随着开关型晶体管的出现,给无刷直流电机带来生机。20世纪五十年代,USA的科研人 员们决定将机械换向器替换为晶体换相线路。它组成部分有信号检测部分、功率放大部分、 电机本体和晶体管开关电路等乜1。它的工作原理为:当电机运行时,在电枢绕组中产生一定 规律变化的电动势,促使晶体管导通进而给电机通电并且换相。但是这种方法有以下缺点, 当电机处于停机状态的时候,绕组中不存在电动势,无法给电机馈电,所以这种无刷直流电 机没有启动转矩;另外,此种方法产生的感应电动势使晶体管的功耗大。为了处理上述问题, ● 科学家们将辅助磁钢嵌入到定子上的方式来为电机的启动提供保障,并且需另外添加起动脉 ; 冲。其后,在科研人员们大量的无数次的反复实验和不断实践,终于找到了。将机械换向器由 .一 j 转子位置传感器和电子换相线路取代,为直流电机的发展开创了新的途径。1960年,涌现出 了各种传感器。随着半导体技术不断地飞跃,科研人员们对1878年USA发现的霍尔效应看 到了希望,经过多年来俯下身子埋头苦干,在1961年研制利用霍尔元件来实现换相的无刷直 流电机。在1960年,科研人员们又试制成功了磁敏二极管实现电机换相,灵敏度比霍尔元件 高千倍以上。 1.2.2无刷直流电机控制技术的发展状况 永磁无刷直流电机具有运行安全、维护方便、控制简单等优点,而且还具有更好的静、 动态特性,因此,稀土永磁无刷直流电机的应用领域不断地扩大。 无刷直流电机控制技术的发展,得益于科技的发达,特别是开关器件的迅猛发展。至今, 整个控制技术的发展历史有两个阶段:经典和现代的两大阶段的控制理论。对于经典控制理 论的对象是线性单回路系统,现代控制理论的研究对象是多变量线性系统。从某种情形上讲, 对无刷直流电机的研究是进行线性分析的。对永磁无刷直流电机的线性分析是针对其精度以 内蒙古大学硕士学位论文 及性能要求不高的场合。 经典PID控制算法在工业中的应用极其广泛,原因是控制器可通过模拟电路来实现,。在 现代控制理论中,例如:优化控制的应用能够更好的提高电机的性能。随着时间的推移,电 机的控制技术日益成熟。然而许多不尽如人意的地方也不少,以无刷电机的非线性特性最惹 人关注,电机的运行涉及多个变量,线性模型不实用。许多高校、企业和研究所都专注于研. 究非线性控制理论部分,并且达到了一定的境界。由于数字信号处理技术的不断进步,不断 更新,为电机的非线性理论研究奠定了基础。 电动机的控制器是由模拟电路和数字电路两部分组成,然而全数字控制器占主导地位,。 在DSP控制器中,既有连续信号又有离散信号。如,电机电枢绕组上的电流是连续的模拟信 号,而编码器检测得到是数字信号。 DSP出现以前以单片机作为数字控制器的核心,与单片机相比,则DSP有无法比拟的优 势,控制精度高、CPU运算速度快、存储器存储量大,并且有控制电机专用的PWM产生电 路,基于DSP控制电机有以下几个优点嘲: (1)DSP内核采用哈佛总线结构,程序空间和数据空间独立编址,DSP可以并行访问, 提高运算速度。 (2)DSP片内集成了许多设备,能够使得电机控制器的硬件电路设计简单,可靠性提高, 而且功耗低。 (3)DSP的运行速度快,适合各种算法。 (4)不需要考虑温漂对控制器的影响。 (5)DSP能够将硬件和软件灵活有效地结合起来,硬件的统一性表现在三相全桥逆变电 路驱动感应电机、无刷直流电机、永磁同步电机相同。 1.3本文的结构安排 本文将采用美国Tl公司TMS320F2812作为控制器件,设计无刷直流电机控制器,希望 达到对电机速度的控制,采用经典的数字PID控制算法希望实现速度闭环控制,内容安排如 下: 第1章主要概述了论文研究的背景及意义,介绍无刷直流电机及其控制技术的发展历史、 发展趋势。 第2章剖析了无刷直流电机基本结构,根据内部结构描述其工作原理,并建立电机数学 内蒙古大学硕士学位论文 模型,分析其运行特性。 第3章介绍了控制器的总体设计,主要包括总体方案、控制策略、控制芯片的选取。 第4章介绍了控制器的各个部分硬件电路的搭建,包括控制电路设计、功率驱动电路的 设计、位置的捕获电路的设计、采样检测电路和保护电路的设计¨1。 第5章介绍了美国Tl公司的CCS环境,并描述了该开发环境的优点,对控制器的软件 部分进行了设计,包括主程序和中断服务子程序。 第6章实验结果,分析并列举了在实验过程中得到的实验结果。 第7章总结与展望,对本文进行了总结和在一定程度上提出了更高的要求。 内蒙占大学硕士学位论文 第二章无刷直流电机的工作原理和数学模型 无刷直流电机(BLDCM:Bmshless Direct Current Motor)其基本工作原理就是根据转子位 置传感器将转子位置信号转化成电信号,控制电路按一定顺序控巷g 6路功率开关管的导通状 态,从而向无刷直流电机绕组馈电,在气隙中产生跳跃式旋转磁场,实现无刷运行。 2.1无刷直流电机的基本结构 普通的有刷电机本身自带换向器,其作用是在电机运行时,使得电枢产生的磁动势和转 子产生的励磁磁场始终保持垂直,所以能够产生最大的电磁转矩,使得电机能够连续不断地 运行F去。无刷直流电机取消了机械换向器,与普通的直流电机的结构恰好相反,电枢放在 定子上,转子做成永磁体。无刷直流电机基本结构由以下三部分,如下图所示。 图2.1无刷直流电机的原理框图 Fig。2.1 The principle diagram of the BLDCM 2.1.1电动机本体 在结构上来看,无刷直流电机与永磁同步电机基本相似,主要由定子和带永磁转子组成, 无刷直流电机和普通电机或感应电机的结构类似。电机定子顾名思义就是电机本体固定不动 的部分,由定子铁芯和导电的电枢绕组及机械零部件组成。 (1)定子铁心定子铁心大多是由硅钢片叠成,其上带有放电枢绕组的齿槽,相数和极对 数决定齿槽数,为了减少铁耗,硅钢片要进行绝缘处理。在叠装后的铁心槽内放置电枢线圈, 经一系列处理后,最后把主定子铁心压入机壳内。 (2)定子绕组当电机的绕组有电流时,产生磁动势与转子产生的励磁磁场相互作用而产 生电磁转矩,电枢是固定不动的,由于电枢切割磁感线的作用,便在定子电枢绕组中产生反 电动势,抵消小部分的电功率,剩余的就是转子输出一定的机械功率,这便是电能转化成机 内蒙古大学硕士学位论文 械能。所以得到的结论为:绕组是实现能量转换的重要部件。因此,对绕组的要求为:承受 一定大小的电流;另外一方面要求有利于散热,尽量节省材料。绕组分为有两种:制作工艺 集中在一起的集中式绕组和制作工艺分散的分布式绕组Ⅲ。两者各有优缺点,比如前者制造 工艺简单,制造方便,可是由于绕组集中在一起,所以电机内部空间利用率差,发热集中, 对散热不利;后者工艺较复杂,但能克服前者的不足!有利于散热,转子顾名思义就是无屈!|_~ 直流电机转动部分,其作用是产生励磁磁场。 2.1.2转子位置传感器 转子位置传感器在无刷直流电机运行的过程中起着极其重要的作用。转子位置传感器的 作用是提供正确的换相信,换句话说就是将位置信息转化成电信号,控制电路读取霍尔传感 器信号确定转子的位置,输出一定的换相逻辑信号,控制逆变器功率管的导通状态。 位置传感器种类繁多。霍尔位置传感器是属于磁敏式传感器的一种由于它体积小、价格 低、使用方便,一般作为转子位置检测装置¨3。 2.1.3驱动控制电路 驱动控制电路是将霍尔位置传感器的输出信号进行处理,输出一定的逻辑驱动信号,确 ;i{ 定功率管的导通状态。由此可以了解到,l关I于无刷直流电机就是由控制电路、位置检测电路 ‘ ● 和电动机本体组成的闭环结构;O早期的无刷直流电机大多数是由晶闸管组成换向器,但是, ‘ 逆变器只能在低范围内工作是由于晶闸管的开关频率较低。随着功率管器件的不~ 断发展, - ~ IGBT和功率MOSFET具有控制容易、开关频率高和开关延时小等优点,在中小型驱动电路 中应用较广。 2.2无刷直流电机的工作原理 无刷直流电机电枢放在定子上,转子做成永磁体,单是这样在结构上的改变是不够的, 因为固定的两相绕组导通后,在电机气隙内产生的磁场的大小和方向是固定不变的,转子无 法持续转起来,所以必须使定子绕组不断地换相,内部产生跳跃式的旋转磁场,由于电磁力 作用与反作用的关系,拖动转子转动,下图表明了无刷直流电机的运行原理晦1。 6 内蒙古大学硕士学位论文 蜃 罂 图2.2无刷直流电机工作原理图 Fig.2.2 Working principle of the BLDC 图2-2所示为无刷直流电机的工作原理示意图。转子相对位置的检测采用霍尔位置传感 器,电子开关电路为三相全桥逆变电路,三相绕组为A相,B相和C相,采用星型连接,H1、 H2、H3为位置传感器的三个接受元件,在空间上间隔120度,为了分析容易,以一对极为 例。 £ £ £ B 。f ■ A C 图2.3(a) Fig.2.3(a) C B C 图2.3(b) Fig.2.3(b) C C 图2.3(c) Fig.2.3(c) C A C 图2.3(d) Fig.2.3(d】 C 图2.3(e) Fig.2.3(e) B C 图2.3(f) Fig.2.3(f) 内蒙古大学硕士学位论文 如上图所示,当电机转子处于2-3(a)的位置时,让A、B相导通,处于2-3(b)时,让A、 C相导通,处于2-3(c)时,让B、C相导通,处于2-3(d)时,让B、A相导通,处于2-3(e)时, 让C、A相导通,处于2-3(t)时,让C、B相导通。 上面所述的过程是磁场旋转的过程,可以说是三相绕组按一定顺序换相通电的过程。电 机气隙内产生跳跃式的旋转磁场,产生推动转子持续旋转的转矩。 2.3无刷直流电机的数学模型 当电机运行时,由于绕组切割磁感线的作用,绕组内产生的反电动势为梯形波,将无刷 直流电机三相方程变换为d、q方程是行不通的H1.所以,我们换一种方法,就是采用电机原 有的相变量和电机数学模型简化过程,而且还能够达到比较理想的结果。 为了满足工程上的应用,现在做如下假设: (1)三相绕组参数相等,在空间互差120度电角度; (2)气隙磁场认为是梯形波分布: (3)忽略齿槽效应: (4)理想的功率管和保护功率管的二极管; i、 . 、、 (5)不考虑电机内部的损耗,比如:铁芯饱和涡流损耗; 0 . : 『1 有了上面的假设,来分析无刷直流电机就方便多了。 2.3.1电压方程 根据电机电压平衡方程: 肚尉“罢“州。 ‘‘‘ (2一1) 阡弘0璐啦褂刚纠协2, 式中,“。、¨。、“。为电枢绕组的端电压: U。为电机的中性点电压; ‘、i6、i。定子绕组的相电流: ——..一 塑茎直查兰堡圭兰笪堡兰 见、R、R。定子绕组的电阻; 电枢是理想化的电枢,可以将互感看作常数,并且与转子位置无关; 令譬面d,.搀上式带入式.(2.2j一可得t [i;]=[喜三二。且V芝』1_1r'吕-4昙兰]+E圣]+[;乏] t2.3, 玑=型粤堡一型竿堡(2-4) j -, u。一!垦一曲、,~r揪1一~一一 ub—堡…一飞默,一一f一7j一一: ,,旦叭,弋c uc一旦一,Rv一~J…L-M_二二_兰二 内蒙古大学硕士学位论文 2.3.2转矩方程 无刷直流电机的电磁转矩和电流幅值、磁通成正比: z=去k‘+吼+味】 (2-5) 从上式可以看出,可以通过改变电枢电流控制电磁转矩,在转子位置一样的情况下,改变功 率器件的逻辑状态,产生相反的电枢电流,得到使电机反转的电磁转矩: £≈eA+eA+eA=2B』s (2-6) 电磁转矩为: f:只/:2EsJ s/ ‘。 /彩 /国 (2—7) 2.3。3运动方程 无刷直流电机的运动方程: 瓦一无一砌=.,警=卯国(2-8) 其中:I为电磁转矩,瓦为负载转矩; 曰为阻尼系数;国为电机机械转速;J为电机的转 动惯量■ 2.3.4传递函数 为了更好地分析无刷直流电机特性,达到好的控制效果,如图2.5所示为通用无刷直流电 机动态结构图: j LL埘 L旦_j 图2.5无刷直流电机动态结构图 Fig.2.5 Dynamic structure ofBLDC 由以上动态结构可得到电机的传递函数为: 耶)2高盼志驰) O 内蒙古大学硕士学位论文 其中:五为传递系数,K 2瓦、一,1,e为电动势系数;墨为转矩传递函数系数,疋=≤u,若V』, e为传递系数,R为无刷直流电机内阻;乙为电机时间常数,乙=而R夏GDi2,G为转子重量, D是转子直径; 厅(s)为电机的速度.U(s)为电机的输入量, 五为负载转矩考虑的。 2.4无刷直流电机的运行特性 无刷直流电机的运行特性是指电机在起动、正常工作和调速等情况下,电机内部各个物 理量之间的关系。 无刷直流电机的运行特性包括起动特性、工作特性、机械特性和调速特性共四种,根据 电机的电势平衡方程式为…: 矽=E+‰%+AU (2-9) U是电枢两端的电压(y);E绕组反电动势(y);k是电枢平均电流(爿);%绕组的平均电 阻(Q);△【,是场效应管饱和管压降(V),对于上下桥臂而言为2AU。 绕组反电动势均可表示为: :E=K,n (2-10) 其中,n是电机转速(,/min);E是反电动势系数。 由式(2-9)、(2.10)可知: 胪老=半 九=——=—————=2 K。 Kt 在电机处于平衡状态时: T=正+To ㈣I 2-J-l,l 、 ‘ (2—12) 式中,丁是电磁转矩,乃是负载转矩,瓦是摩擦转矩(N·m)。这里 T=K。L。 (2·13) k是转矩系数。 在转矩变化的情况下,则: 内蒙古大学硕士学位论文 丁=r,+To+J鲁(2-14) 其中,.,是电机的转动惯量(姆·m2);国是电机的机械角速度(厂口d/s)。 2.4.1起动特性 从上式(2.9卜(2.10)得N,电机在起动时,转速为零,所以电枢反电势为零,因此启动电 流表示为: L:—U-—AU(2-15) % 由于没有反电动势,电机的启动电流很大,由于电流和电磁转矩成正比,所以。电磁转 矩很大,电机加速度很大,电机启动时间会越短。随着电机的转速增加,加速度减小,最后 电机平稳运行。下图为电机由起动到平衡时,电枢电流和转速随时间的变化关系。 图2.6空载起动时电枢电流和转速的图形 Fig.2.6 Armature current and speed ofgraphic 除了与起动电流有关外,这里需要强调一下,无刷直流电机的起动转矩,还与转子位置 有关。上面各个物理量都取平均值。原因是当电机启动时,转子所处的位置具有不确定性, 磁动势与励磁磁场的夹角在变化,所以电磁转矩也在变化,电磁转矩的变化要比有刷直流电 机其他原因造成的起动转矩的变化大得多。 2.4.2工作特性 电机的工作特性是电机效率与输出转矩之间的关系。电机效率是由输出转矩决定的,电 机效率: 内蒙古大学硕士学位论文 刀驴:芎墨。:11一一塑i (2-16) ∑P为电机总的损耗;暑为电机的输入功率,暑=如u:最为电机的输出功率,昱=鸩_,|, 电机的效率随着输出转矩的增加而增加,当电机的可变损耗等于不变损,电机效率晟大.之 后电机的效率又开始下降,如图所示: r/(坞) /7——、、 厶 O 图2.7电机负载和电机效率特性曲线 Fig.2.7 Load and efficiency characteristic cuⅣe 2.4.3机械特性 机械特性:电枢两端电压一定。,速度和电磁转矩的关系。由式(2.9)-(2.1lj可知 -2半一害 (2—17) 卜kk矧半一等) (2.18) 由上式可以看出,等号右边的第一项为恒定量,电磁转矩与转速是反比例的关系,如图 r~、、。~ ≮≤掌睾≥∑一三一 Fig.2.8 Mechanical characteristic ofgraphic 内蒙古大学硕士学位论文 当电机停止运行时,起动电磁转矩最大:电磁转矩为零,速度晟大。然而事实上,由于 电机存在损耗和电枢反应的影响,输出转矩会表现出非线性特征。 2.5本章小结 本章从无刷直流电机的内部物理结构出发,阐述了其工作原理,建立了电机的数学模型, 推导出电机的电压方程、转矩方程和运动方程;描述了电机的运行特性:包括起动特性、工 作特性和机械特性。为后续论文迸一步的进展打下了良好的理论基础。 4 内蒙古大学硕士学位论文 第三章控制器的整体结构和控制策略 3.1控制器的整体框架 无刷直流电机的控制器主要由硬、软件组成。硬件部分主要包括控制电路、功率驱动电 路、三相全桥逆变电路、转子位置检测电路、电流采样电路以及必要的保护电路盯1。 如图3.1所示为控制器的总体框图。控制器的作用是处理电流和位置传感器的反馈信号, 并发送控制命令控制电机换相和必要时执行过流保护程序。控制器根据捕获单元电平的跳变 获得时问差计算电机当前的转速,并与设定的转速进行对比,通过软件算法,让电机的转速 跟随设定的转速。控制器经电流检测电路和A/D转换,当出现过电流或者驱动异常时,由驱 动保护电路实现故障保护。 茎釜 一三璋了一一 堕 一流 ~无~一刷一 一网 一电一 || 亘 ~ ~位~一置一五Tf上L测竺一 图3.1控制器总体方框图 Fig.3.1 Overall controller block diagram 3.2控制器速度控制结构 在无刷直流电机控制器中,是通过软件实现速度闭环控制,无刷直流电机控制器的 速度控制结构如下图所示,由给定和实际反馈的速度形成偏差,经过速度PID调节器, 输出控制量调节PWM占空比,实现电机速度的调节。速度的计算是经F2812事件管理 器的捕获单元捕获霍尔位置传感器输出信号的跳变沿从而得到时间差,经过计算得到的。 一 器一 一~一计算一速…度一卜一一…——一……——~…一 签:■….速掣谰L惭。一一:乏蕊畛…~j孟测l 图3.2无刷直流电机速度控制结构图 Fig.3.2 Speed control structure of BLDC 内蒙古大学硕士学位论文 3.3控制芯片 3.3.1控制芯片的选择 无刷直流电机的控制器主要有两个模块所组成:控制器和被控对象。控制器的核心的是 处理器。处理器对输入的信号进行处理,经过其快速的、强大的运算能力进行运算,将运算 结果输出给外设,让其做出期望动作。所以,处理器的选择格外重要,选型需要考虑下面几 个方面: (1) 指令集是否丰富,能否简单地实现控制器所要求的算法; (2) 处理器的处理速度是否能够满足电机控制的要求; (3)考虑片内外资源是否丰富, AID、D/A转换通道和转换精度和事件管理器所能实 现的功能: (4) 处理器占用空间和工作温度等是否满足要求; (5) 还要考虑价格和数量。以上是选型的参考。到目前为止,无刷直流电机控制器常 用MCU和DSP作为其处理器,DSP相比单片机来说,主要优势是能够实时快速地实现数字信 号处理算法,片内存储空间大,丰富的片内外资源。DSP芯片一般具备以下几个特点: (1) 数据空间和程序空间独立编址,CPU能并行访问卜提高运算速度。 ‘一 1一 (2) 支持流水线操作。 ● 。 t (3) 片内有多条总线,可以并行执行多个操作。 (4) 单个指令周期内可以完成一次乘、加法运算。 (5) 大多带有直接存储器存储通道控制器,大大提高数据传输速度。 (6) 中断处理响应速度快。 TI公司生产的TMS320F2812非常适合电机控制。该芯片是将一个高性能的DSP核、 片上集成了大容量的存储器和专门用于电机控制的外设电路包括可编程死区、PWM电路、 捕获单元、SPWM产生电路等以及其他功能的外设电路,包括串行通行接口、串行外设接 口、CAN控制器模块、16通道12位的A/D转换等集成在一起,拥有传统微处理器可编程、 集成度高、灵活性好、升级方便的优点外。TMS320F2812内核采用改进型哈佛结构,CUP 可以对数据和程序存储空问独立访问。所以TMS320F2812能够满足控制器的实时性,实 现复杂的控制算法。”。 通过综合分析控制器对控制芯片的要求,选择德州仪器生产的TMS320F2812作为 16 内蒙古大学硕士学位论文 3。4控制技术 3.4.1调速原理 对于两两导通三相六状态无刷直流电机,根据电压平衡方程式: U—AU=E+侬(3-1) 反电势和转矩公式为: E=K,n,£=KTI 将(3—2)带入(3-1)可得: 肛竿一轰乃 K。 K,K。。 式中: 咒电动机转速,r/rain; U电源电压,V; E反电动势平均值,V: AU功率管的管压降,V; K。电动势系数: (3-2) 》3, 乙 电磁转矩的平均值,N-m; K,转矩常数; R 电动机的内阻: 分析上式可得电机的调速方法有三种: (1) 改变电动势系数。由于电机转子是永磁体,此方法不易实现。 (2)在电枢回路串联电阻。此方法操作简单,然而当电机速度需要变化时存在较大的 转矩波动,只允许有级调速,速度调节不平滑,损耗大。 (3)改变电枢电压来实现调速的目的。调节范围大且能实现平滑无极调速,损耗小。 此方法通过对电枢电压进行PWM斩波实现电机的调速。 3.4.2电枢电压的调节方法 改变电枢两端的电压是实现电机调速的主要方法,控制器通过PWM对电枢电压进行斩波, 通过控制功率开关管的PWM触发信号占空比,改变电枢绕组端电压达到对无刷直流电机调速 内蒙古大学硕士学位论文 的目的。 PWM技术有单极性和双极性PWM控制两种:单极性P删控制是指三相全桥逆变电路上桥 臂处于P咖状态,下桥臂处于导通状态;上下桥臂处于P眦状态,是双极性P删技术。通常 情况采用单极性PW},i控制技术为了减小电流脉动。起到保护功率管的作用。 3.4.3刚M波的生成 每个事件管理器EVA或EVB模块都具有3个全比较单元,属于EVA的分别是比较单元l、 比较单元2、比较单元3。属于EVB的分别是比较单元4、比较单元5、比较单元6。通用定 时器1来提供EVA的比较单元的时钟信号,通用定时器3提供EVB的比较单元的时钟,每个 比较单元都能输出两路互补的PIll波形。定时器计数器T1CNT的值不断地与比较寄存器CMPR 的值进行比较,当两值相等时,就发生比较匹配事件,此时,如果定时器比较操作使能,定 时器比较输出使能,PW/d引脚的电平就会发生跳变。当定时器计数器工作在连续增计数模式 的时候,全比较单元产生不对称的P删波形;当定时器计数器工作在连续增减计数模式时, 产生对称的PWM波形呻1。如图3-3、3-4所示: 图3.3不对称的Pill波形’ Fig.3.3 Asymmetric PWM waveform / /\\//\ \ r1 2 ,at 1 —— l 二鼍卜一I ; d z— I I 图3.4对称的PWM波形 Fig.3.4 Symmetric PWM wavgform 由全比较单元输出的理想的PWldl、PWM2再经过可编程的死区单元输出带有死区控制的 9 内蒙古大学硕士学位论文 PwML、P删2一。其中死区时间大小的设置是由功率开关管的开关特性决定的。死区时间的设 定是由死区控制寄存器决定的,由死区定时器周期、死区定时器预定标因子和高速外设时钟 的时钟周期三者决定的。同时引脚的输出极性有4种:强制低、强制高、低电平有效和高电 平有效,是由设置行为控制寄存器ACTR相应位来决定的阳1。 3.5控制策略 对于任何一个控制器的要求有稳定运行,稳态误差要小,超调量小,即调节时间要短。 本控制器要实现速度闭环控制,实时地计算电机的速度,然后与给定值进行比较,经速 度调节器调节,改变PwM占空比。由于TMS320F2812数据处理能力相当强大,选取的控制算 法可以适当放宽。 现在炙手可热的研究较多的算法有模糊控制、专家控制、非线性算法等。但这些算法比 较复杂,就模糊控制而言,需要采集大量的数据和参数估计,很难到达理想的效果,因此, 本控制器采用比较经典的PID算法。 在大学的课程里我们学到,PID算法由比例、积分和微分环节组成一1。视情况而定,在某 些情况下,两两组合就可达到良好的控制效果。简单来说.PID各个环节的作用如下: i.。 比例环节:。按一是的比例放大偏差,{比翻系数安,越大,控制越强.但过大会导致系统 ,。 一 震荡。 积分环节:其作用是消除静差。积分时间越短,积分环节作用越强。积分环节的作用虽 然会消除静态误差,但也会增加超调量。 微分环节:主要作用是阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化速度进行控制。但微分的 作用对输入信号的噪声很敏感,适当地选择微分常数%,可以使微分的作用达到最优。 3.5.1 PI D控制 PID控制系统包括由控制器和被控对象,如图3-5所示。 20 内蒙古大学硕士学位论文 尉3.5 PJD控制系统结拘框图 Fig.3.5 PID control system structure diagram 图中,,O)是给定的值-Ifi.馈值c(t),给定值与反馈值构成控制偏差eO):印)=,.O)一c(f),“(r) 是控制量控制被控对象。所以模拟PID的控制规律为: ∞)喝卜+毒Ie(f)出吩de出(O]J+‰ (3_4) ‰q制常量 3.5.2数字PID控制算法 .计算机控制要求式(3—4)中的积分微分必须进行离散讹。离散的处理方法为:r作为采样周期. k为采样序号,则采用时间七r对应着连续时间,,用求和的形式代替积分,用增量的形式代 替微分,可作如下近似变换: t≈kT(k=0,1,2,,,疗) —de—(t);—0Iep(皿kT)≈-e—r[壹(jk=-0巳1)t]:刍二!出 (3-5) dt T T 为了简化,将类似于P(七r)简化为ek。 将此式带入(3,4),导出离散的PID表达式: %=K户t咚+毒嘉勺+等c&一略一,,,+% (3—6) 或 内蒙古大学硕_上学位论文 。∑脚 如 ‰ = 签 P 气 + 茁 勺+ ,L 气 一 %一 、J +” O 式中: 七——采样信号,k=0,1,2… (3—7) ‰——第k次输入值 %——第k次的偏差 ek一。——第七-1次的偏差 置,一积分舭牛等 K。——微分系数,KD-盟T ‰——开始调节时的原始初值 3.6本章小结 本章的开始提出了控制器的整体方案,对控制器的设计有了整体的把握,接下来介绍了 速度控制结构、芯片的选择、调速原理,对控制策略进行了比较。其中控制芯片选用Tl公司 二 .i 。‘ 。, 生产的TMS320F2812;因为它的运算速度快,片内存储空间大和片上集成了专门用于电机控 制的PWM产生电路,.并介绍了PWM波的产生原理;电机速度的调节是根据电势平衡方程 ● 对电枢电压进行PWM斩波改变其有效电压而实现的;控制策略采用数字PID调节电机的速 度。 内蒙古大学硕士学位论文 第四章控制器硬件电路设计 4.1硬件电路的总体结构 对于本控制器而言,处理器选用USA德州仪器DSP2000系列的TMS320F2812,选用国 际整流取公司的IR2130作为驱动芯片。由第3章可知TMS320F2812是专为电机控制的处理 器,拥有高速的运算处理能力,片内外集成了丰富的电机控制资源,使得整个控制器的硬件 设计更加简洁n…。无刷直流电机控制器的整体硬件结构如图4.1所示,分别有: (1)DSP芯片; (2)驱动及逆变器: (3)电流传感器; (4)转子位置传感器; (5)故障检测单元及功率保护: 图4.1无刷直流电机控制器硬件结构图 Fig.4.1 Controller hardware structure of BLDC 4.2 DSP最小系统设计 TMS320F2812片内集成了128K的Flash存储器,18K的SRAM,两个事件管理器EVA、 内蒙古大学硕士学位论文 EVB为电机的控制提供了丰富的资源,16通道12位ADC采样模块,采样精度高,转换速度 快。 4.2.1电源电路设计 TMS320F2812采用3.3V和1.8V的电源供电,因为该芯片的内核电压为1.8V,Flash编 程和数字I/O口为3.3V““。而输入的电源电压最低为5V,因此考虑选择合适的芯片实现电 压的转化,本控制器采用一片TPS73HD318来实现,如图4-2所示: 5一一 E?}: 麟Iill 卓溢j: ∞ 图4.2电源电路 Fig.4.2 Power circuit 该芯片输入为5V电压,输出为1.8V、3.3V电压。同时将TPS73HD318和TMS320F2812 的两复位引脚相连,当TPS73HD318因欠压复位时,DSP芯片也随之复位。 4.2.2 sCl硬件设计 SCI是Serial Communication Interface的简称,即串行通信接口。SCI是一个双线的异步 串口,换句话说,是具有接受和发送两根信号线的接口。TMS320F2812具有两个相同的串行 通信接口模块,即SCIA和SCIB,每个模块具有双缓冲的接收器和发送器,SCI具有3种工 作模式,即单工、半双工和全双工。电机控制时,需要显示ADC采样之后得到电机电压、电 流和转速等信息,采用上位机和与DSP串行通信,数据实时地传输““。如图所示为 24 内蒙古大学硕士学位论文 TMS320F2812的串行通信接口,该电路采用了符合RS.232标准的驱动芯片MAX232进行串 行通信,如图4.3所示: 图4.3串行通信电路图 Fig.4.3 Serial communication circuit diagram 4.2.3最小系统设计 n Xn 埘 盥业一 6 .融砷 m n”Ⅸ∞7 啉j爵面一 n Ⅸ他 疆OLD R■ C瞄 C蚱● 瓣” 辩弭 cm mj∞ cⅡ懈nⅫsOn c”te日H 口icI.IU+ em.口m%m ■pw¨cm …。。。m;。…。。}缈蔷‘醺 Hl叫嚣焉;懋 …。 l∞m1 w}m∞K= 土“ 士m I蛳’j卿’ L:一 i“…””…“ i ^DCIW ^D嘣吼对 、- 泰 * ^D∞1《l 摹㈣I I∞ ⅦD %Ⅶl o 专 嚣 。b 器 葚薄 器 嚣蓐 器 薹嘻 盎L 。I+DI,。IO 鬻… 囊曝 嚣博l 善藩o.s 一,”6 图4.4控制电路硬件图 Fig.4.4 The hardware control circuit diagram 内蒙古大学硕士学位论文 本控制器TMS320F2812无刷直流电机控制电路原理如上图所示,其中,TMS320F2812 芯片是采用176引脚的LQFP(低平面四芯线扁平封装)n町 4.3功率驱动电路的设计 功率驱动方案有两种:其一是IPM(智能功率模块),另一种是驱动+逆变n41。两者的功 能都适合电机的驱动,选择哪一种方案,主要从价格和制作工艺考虑,从价格的角度考虑, 后者有很大的优势,一片功率开关管的价格一般也就两块钱左右,而一个二手的IPM则至 少需要300元;就应用来说,IPM接口电路简单、可靠性高。综合价格和工艺来讲,本驱 动电路的设计采用驱动+逆变。 4.3.1功率管的选取 在全控型器件中,由于MOSFET和IGBT都可以作为考虑,它们都有很高的开关频率、 通态电阻小和热稳定性好,相对来说,MOSFET开关频率高,价格低,保护电路简单。综 上所述,本控制器采用MOSFET作为功率开关器件,其优点如下: (1) 开关速度快。开通和关断时间小于50-100ns,工作频率达几百KHz以上; (2) 驱动功率小。它属于电压控制器件; (3)安全工作区宽。MOSFET没有二次击穿现象,因此工作覃安全、更稳定、耐用; (4)干扰能力强,过载电流可达额定值的四倍: 对于本无刷直流电机控制器而言,电机额定电压只有24V,额定电流为2.6A,驱动功率 比较小,选用MOSFET作为功率开关器件是非常适合的。 4.3.2逆变电路的设计 下图为逆变电路,逆变器主要由三相全桥电路6个MOSFET构成。图中的二极管起保护 功率器件的作用,同时起着电机电流续流的作用,因此,又被称为续流二极管,低压侧与地 之间是一个采样电阻,将主回路的电流转换为电压值。 内蒙古大学硕士学位论文 图4.5三相全桥逆变电路 Fig.4.5 1nbD静phase full bridge inverter circuit 4.3.3功率驱动芯片的选取及驱动电路的设计 驱动芯片的作用是将TMS320F2812输出的控制信号进行功率放大,因此,对驱动芯片要 求如下i .<1)、可以输出大小适中的电压,保证功率管实时地导通; (2)输入延时要小; (3)输入输出电器隔离特性要好, (4)自身具有过流、过压保护; 在三相全桥逆变电路中共有6个功率开关管,IR2130一路供电,便可有6路输出驱动信 号。此外,其自身具有完善的过电流、欠电压保护功能,使得控制器的安全得到保证。IR2130 的引脚功能如下: VBl一VB3:是悬浮电源连接端。为集成在IR2130内部三个高压侧驱动器提供电源。 HINI~HIN3、LINI~LIN3:上、下桥臂功率开关管的驱动信号输入端。 ITRIP:此引脚在应用中接电流检测电路的输出端。 CA.、CAO、VSO:放大器的反相端、输出端和同相端,其作用是检测电流信号、组成 调节器。 H01~HQ3、L01~L03、VSl~VS3:IR2130的输出端,应用中H01、H02、H03上桥臂 内蒙古大学硕士学位论文 功率管的栅极,VSl、VS2、VS3接上桥臂功率管的源极;L01、L02、L03分别接下桥臂的 栅极。 FAULT:当电路中出现过流,过压时,低电平有效,提供故障保护的指示信号。 VCC、VSS:电源和接地端。 TMS320F2812产生的6路PWM信号作为IR2130的输入,3路控制上桥臂,3路控制下 桥臂。驱动下桥臂的3路信号经功率放大后,直接送往功率器件的栅极。 当主回路的电流大于12A时,经过采样电阻,电阻分压,得到的电压大于O.5V,内部电 流比较器迅速反转,6路输出信号被锁存,FAULT输出为低电平,使器件得到保护,欠电压 的检测于此类似。同时给LINl~LIN3输入高电平,方可清除故障封锁状态。如图4-6所示为 IR2130构成的驱动电路。 图4.6功率驱动电路 Fig.4.6 Power circuit of BLDC 4.4采样检测电路设计 4.4.1电流采样电路 为了对主回路电流进行检测,一般方法有两种:其方法一是使用采样电阻。采样电阻直 接将电流信号转化成电压信号,由控制电路进行处理,它的缺点是容易使主回路的强电信号 干扰控制电路的弱电信号,需要加入隔离电路;第二种方法是采用霍尔电流传感器,霍尔电 流传感器是大多数电子线路中普遍采用的电流检测装置n引。具有很多优点:精度高、响应速 度快、还能起到隔离的作用,还有体积小、重量轻、寿命长、功耗小、安装方便等优点。 利用霍尔效应检测电流的原理是采用磁平衡式的原理,磁平衡式霍尔电流传感器借助“磁 28 内蒙古大学硕士学位论文 场补偿”的想法,保持铁芯磁通为零,所以体重和体积明显减小使用方便,套在被测母线上 即可。响应速度可达l微秒内。与采样电阻相比,不会产生额外的损耗。综上所述,本控制 器采用霍尔电流传感器检测电流。如图4.7所示: :i:!:;-}. !i r:! :l J6i :: 剐HGS-LSP3 {;{: i:ll一—。N。m‘I }¨}卜}■}l i;l!l h, {i 州i、!:。:; 、{ i』 l‘:j!.1 ;; j一一÷! 稀~一一≥o}; ;; :::i!;:i :;■ -■’19q5 s!r!i 。-●l }一{一+Ⅳ斗十一瞬呻童毒…赫毒十n}一}i曩中善H~ 一r‘一r一鞫酣lm龉j |i霉32瓣一簿};30j赣 }‘i i。j{ ;i i; l;=高!兰翌一 至盛lI!呷:bs;:l。:; 一j l{‰幕i兰;~}f。;j。≥一带一”。;计于?:爨~ l,!t i。 !二 :7:l;};{:!!;二1.!i l。i; 卜;㈠≯;;i i{?;j j: 图4.7电流检测电路 Fig.4.7 Current sensing circuit 4.4.2转子位置信号检测电路 在电机运行时,转子位置的检测是非常重要的部分,也是比较难的一部分,控制器需要 根据霍尔传感器输出的转子位置信息不断地换相,在电机气隙内产生跳跃式的旋转磁场,并 ‘ . 且得至慑大转矩,所以,根据检测到的转子位置换相,是比较困难的一部分。 根据霍尔位置传感器输出的电信号,控制电路控制三相全桥电路功率管的导通顺序。霍 尔位置传感器属于磁敏式位置传感器的一种,应用的比较广泛是因为其结构简单,价格便宜。 360度机械角度霍尔位置传感器产生信号跳变数目和转子极对数成正比例关系,极对数 越多,跳变数越多。就两对极而言,360度机械角度内对应两个电周期,则180度机械角度 对应一个360度电角度。如图4.8为位置检测外围电路。 在一个换相周期内,霍尔位置传感器产生的输出状态有6个,在每个电周期内,每个霍 尔传感器都会输出180度脉宽,且互差为120度的输出信号,所以在每个换相周期内共有三 个上升沿,三个下降沿,正好对应六个换相时刻“6|。 转子位置反馈信号即霍尔传感器的输出信号送到处理器的捕获单元引脚,这组信号的电 平状态决定了电机的换相状态。如下图所示,HA、HB、HC是霍尔传感器的输出信号,低电 平时0V,高电平是5V,经过光耦隔离、送入到处理器的捕获引脚,其中,10K的电阻为匹 配电阻,能将反相器输出的5V高电平降低为3.3V。 内蒙古大学硕士学位论文 ㈠1 mm: :lad 好 .i 扣等 } I、 隆一 黟薹 降、 ;茸 I辜∥ 。卜i ■, 除慕二” }豢5已 一I jl }。 j} m r。 。lJ. 出 :二 0 卜\ “眈 酽、; —t —o_[譬 奎 f_也 J—_[j西 J广—_印[圣 图4.8转子位置检测电路 Fig.4.8 Position signal sampling circuit 4.5保护电路的设计 在控制器工作的时候,为了防止某些意外情况的发生,我们需要提前采取一些防范措施, 例如,当电机负载过大时,主回路的电流会增大,但电流太大对电机造成损坏,所以我们将 电流限制在某个范围内,防止不必要的事件发生。 4.5.1过流保护电路 图4.9过流保护电路 Fig.4.9 Current foidback circuit 30 内蒙古大学硕士学位论文 过流保护的设计是在主回路加入采样电阻,将电流信号转化为电压信号,再通过电阻分 压,经采样电阻得到的信号送入IR2130的第9引脚,ITRIP引脚,如果电流检测单元输出的 信号超过0.5V,则IR2130内部的比较器迅速翻转,使IR2130的输出全部为低电平,进而保 护电机,同时,IR2130的FAULT引脚输出低电平,如图4.9所示。 4.5.2光耦隔离电路 为了防止主回路的强电信号干扰控制电路的弱电信号,在控制电路的输出端与驱动电路 的输入端,加高速光耦隔离电路“",隔离芯片采用日本东芝公司生产的TLP2630,该芯片的 供电电压为5V,延时时间为60ns,电路图如下图所示: DSP PWMl + l :2 又l(+)VCC CI(-)Vol 圳OND 4 C2(-)V02 I{ i i L -I 图4.10光耦隔离电路 Fig.4.10 OpticaI coupling isolation circuit 4.6本章小结 本章以硬件为出发点,首先从总体上阐述控制器的硬件结构,接下来分别详细地介绍设 计的电源电路、控制电路、功率驱动电路、采样检测电路、保护电路和高速光耦隔离电路, 对硬件部分有了整体的把握。其中驱动芯片是采用国际整流公司IR2130,该芯片只需一路供 电电源,便可输出六路驱动信号,简化了控制器硬件电路的设计,大大地提高了可靠性。主 回路电流的检测是利用霍尔电流传感器,其主要的优点是灵敏度高、隔离特性好、体积小便 于安装。 内蒙古大学硕士学位论文 第五章控制器的软件设计 无刷直流电机的控制器由硬件和软件两大部分组成,软件是整个控制器的灵魂,对控制 器的实现起着关键性的作用。本控制器采用C语言与汇编语言混合编程,结合模块化的编程 思想,有效地提高了软件的运行效率。一个DSP开发工程包含有多种文件类型,有.h文件、.1ib 文件、.cmd文件、.c文件和.out文件等。 5.1软件开发环境的介绍 CCS(Code Composer Studio)是TI公司开发DSP时所需的开发环境,也是当前使用极为宽 泛的DSP开发软件之一。CCS集成了代码编辑、编译、链接和调试等许多的功能,功能较强 大,CCS软件的主界面如下图所示“引: 图5.1 CCS3.3环境主界面 Fig.5.1 The main interface ofCCS3.3 内蒙古大学硕士学位论文 5.2控制器软件设计 5.2.1无刷直流电机控制原理 如下图所示,速度闭环采用数字PID控制,给定速度与实际速度形成偏差,经PID调 节后输出控制量,调节PWM的占空比,实现速度环的控制,完成对无刷直流电机速度的 控制n螂3。速度反馈量是经过在每次换相时,转子转过60度电角度时,测量定时计数器计 数两次的时间问隔,经过计算而得到的;电流反馈量是通过霍尔电流传感器检测母线上的 电流,经过DSP的A/D转换器得到的。 图5.2无刷直流电机控制框图 Fig.5.2 Speed control structure ofBLDC 5~乏2控制器的整体结构 ’ j .主程序和中断服务子程序是无刷直流电机控制器的软件组成部分。主程序主要作用是初 ~ 始化控制器;而中断服务子程序用来实现控制器一定功能。 5.3主程序设计 主程序是由初始化子程序和电机启动子程序组成。初始化子程序是根据设计需要对DSP 片上资源进行初始化。包括系统控制寄存器的设置、通用FO口的设置、事件管理器初始化、 MD初始化和中断系统初始化。如图所示: ( 开始 『二) 』 一弋 内蒙古大学硕士学位论文 厂 、、 f 初始化子程序开始 1 \ / T 配置系统控制寄存器 T I/o功能和方向选择 ■ 设置EVA的P删和ADc 土 初始化变量 1『 开CPU中断 t 循环等待 图5.3,主程序框图 设置中断逻辑 上 开中断 f /—初—始—化—主程 王序—结—柬一、1 \一——…——一/ 图5.4初始化子程序框图 Fig.5.3 The flow chart ofmain program Fig.5.4 The initial subprogram block 控制电路不断地检测霍尔位置传感器输出信号。当电机转动时,三个霍尔位置传感器输 出180度脉宽,互差为120度电角度的输出信号,此时,捕获单元检测霍尔信号的跳变,读 取霍尔信号的输入状态,确定转子的位置。但是,当电机停止运行时,捕获引脚的电平不会 发生跳变;不能产生捕获中断事件,所以电机的启动是通过电机启动子程序来完成的。在电 机的启动子程序中,首先使能定时器T1,设置CAPI~CAP3为通用数字I/O功能,查询霍尔 输入信号确定转子位置。根据表5.1设定功率管的导通状态,一旦电机转过一定角度时,捕 获引脚的电平必定发生变化,此时,恢复CAPI—CAP3为捕获功能引脚,产生相应的捕获中 断,实现电机的起动。 // ~、、 \\——I一// 电机启动子程序开始 T 使能定时器’n T I设箕cAP卜CAP3.为I/o功能 。。 I 读取霍尔信号 判断电机所在区域 j 根据所在区域改变PWM 引脚输出模式 ,,————L—— / 、、\ {电机启动子程序结束j \ / \.........。............................,.........一—,’ 内蒙古大学硕士学位论文 设置CAPl一CAP3,Lj I/O口查 询霍尔位置信号 + ——! 恢复现场 o厂I素—~S 图5.5电机启动子程序框图 Fig.5.5 Diagram ofstart-up motor subprogram 图5.6捕获中断子程序框图 Fig.5.6 Diagram ofcapture interrupt subprogram 5.4中断服务子程序 中断服务子程序是整个软件部分的核心,TMS320F2812的主频为150M,足以处理各种 复杂的算法口“。 5.4.1捕获中断子程序 F2812中断系统采用3级中断机制,只要有一级不许可,CPU不会响应中断。捕获中断 是这样产生的,当无刷直流电机运行的时候,霍尔传感器输出的信号发生变化,将捕获单元 设置为双沿触发,处理器捕获单元的捕获引脚的电平发生跳变,产生捕获中断事件,满足捕 获中断产生的条件,则CPU执行捕获中断服务子程序。 内蒙古大学硕士学位论文 上图为捕获中断子程序框图,每个霍尔传感器输出180度电角度,互差为120度电角度 输出信号,在一个换相周期内,正好有6个上升沿、下降沿,对应6个换相时刻。此时,设 置捕获引脚CAPI--CAP3为通用数字I/O口,就能读取霍尔位置传感器输出信号从而得到转 子的位置,经过调用换相PWM子程序,改变PWM的输出状态,实现换相。在换相完成之 后,设置CAPl~CAP3为捕获功能引脚,并将定时器他计数器清零,然后恢复现场,退出中 断。霍尔位置传感器的输出信号如图5.7所示: 图5.7霍尔位置传感器的输出波形 ■ Fig.5.7 The wavcform ofhall;position’SehSor ’ 要使无刷直流电机正常运行,换相是非常重要的。要确定转子位置与功率管的导通关系。 表5.1、5.2为电机正转和反转的换相控制字与逆变器功率管的导通关系,是换相编程的基础, 根据该表就可以实现电机的正反转乜别。 表5.1换相控制字与功率管的导通关系(正转) TableS:1 corresponding relation between control word and commutator(positive) 换相控制字 c^P3 cAP2 CAPI 触发中断的沿状 态 0 l HI上升沿 0 0 1t3 F降沿 0 l l O l 0 I 【l ¨2上升沿 ¨l F降沿 |I=’上升沿 l 0 0 H2 F降沿 各开关管工作状态 Q1 Q2 PWM 0FF PWM OFF OFF OFF OFF ON oFF oN oFF oFF Q3 Q4 OFF ON OFF OFF PWM OFF PWM OFF oFF OFF oFF ON Qs Q6 OFF OFF OFF ON OFF oN 0FF OFF PWM OFF PWM OFF 36 内蒙古大学硕士学位论文 表5.2换相控制字与功率管的导通关系皈转) Table5.2 corresponding relation between control word and commutatot'(rovorso) 换相控制字 CAP3 CAP2 cAPl 触发中断的沿状 态 l O 1 Hl上升沿 O O I H3下降沿 0 l l H2上升沿 0 l 0 Hl下降沿 I l 0 1t3上升沿 l 0 0 H2下降沿 各开关管工作状态 QI oFF Q2 Q3 Q4 Q5 ON PWM OFF oFF Q6 OFF OFF ON OFF OFF PWM OFF OFF OFF oFF ON PWM OFF PWM OFF OFF ON OFF OFF PWM oFF OFF OFF OFF ON 0FF OFF PWM OFF OFF ON 5.4.2 A/D中断子程序 TMS320F2812片上集成了16通道12位的ADC模块,是具有流水线结构的模/数转换器, 分为采样保持器S/H.A和采样保持器S/H.B两组,每组有8个通道。虽然ADC具有16个通 ; 道,但是内部有一个转换通遭,也就是说每个时刻只能对。个通道进行转换。ADC内部的自 r 一一 动序列发生器可以为采样通道的顺序进行排序。ADC的序列发生器的工作模式有两种:双序 .. l。 列发生器模式、级联模式;ADC的采样模式有两种:顺序采样和并发采样。所以综合起来一 共有四种采用模式:双序列发生器模式下顺序采用、双序列发生器模式下并发采用、级联模 式下的顺序采用、级联模式下的并发采用,级联模式下的顺序采样用的比较多㈣。 用ADC序列发生器设置采样通道ADC00、ADC00、ADC00、ADC00,进行过采样。当 发生定时器T1周期中断事件时,启动A/D转换信号,采样频率为20KHz,对ADC00通道进 行采样,结果保存在ADC结果寄存器当中,求四次采样的平均值,提高采样精度。一旦检测 到的电流值超过最大值,说明电路中出现过流或直通现象,封锁所有的PWM波的输出。 内蒙古大学硕士学位论文 图5.8 A/D中断服务子程序框图。 Fig.5.8 Diagram ofA/D im即mpted sivice subprogram 5.5本章小结 本章详细介绍了无刷直流电机控制器软件的设计,主程序包括子程序初始化和电机起动 子程序。其中电机的起动子程序尤为重要,电机停止运行的时候,捕获引脚的电平不发生变 化,不能产生捕获中断事件,所以电机的起动是在软件中通过电机启动子程序完成的。中断 服务子程序包括捕获中断子程序和A/D中断子程序。并介绍了捕获中断源的产生,一个电周 期内,捕获引脚的电平发生六次跳变,正好对应六个换相时刻。描述了捕获中断源的产生过 程和A/D转换信号的触发、转换的具体过程。 内蒙古大学硕士学位论文 第六章实验结果 6.1实验结果 本文实验使用的示波器是北京普源精电有限公司(RIGOL),型号为DS5062CA进行波形 的测量。如图6.1所示为用示波器测量的两路理想对称的PWM波形:定时器的时钟频率是 37.5MHz,将系统输出时钟150MHz,经过高速外设时钟预定标器2分频,在经过输入时钟进 行2分频得到的。PWM波的频率为20KHz,占空比为60%。 图6.1理想的i)WM波形. Fig.6.1 The ideal PWM waveform 。如图6.2、6.3.带有死区控制的PWM波形和放大的PWM波形,死区时问设置为4.27us。 死区时间的确定是由功率管的开关特性决定的,下降时间和截止时间为50ns。通过死区控制 寄存器来设定,死区定时周期为10,死区定时预定标因子为4,定时器时钟周期为37.5MHz 的倒数,三者的乘积为死区时间。 39 内蒙古大学硕士学位论文 图6.2带有死区控制的P州波形 Fig.6.2 With a dead zone control PWM waveforlTl 图6.3放大带有死区的PWM波形 Fig.6.3 Amplifier with PWM waveform dead area 如图6.4、6.5为速度闭环控制时,占空比为10%和20%,对应电机的转速为900rpm、 1800rpm。由第三章的讨论可知,在输出转矩一定的情况下,电机的转速与电枢电压有效值成 正比例关系,通过改变PWM波的占空比来调节电枢电压的有效值,进而实现对无刷直流电 机速度的调节。 内蒙古大学硕士学位论文 图6.4电机的转速为900rpm(占空比10%) Fig.6.4 Motor speed is 900RPM(10%dIl哆cycle) 0 ”' ∞2 333 “●§% %7 ”I 赫9 1∞ 111 ,嚣 1霸 '“ 缁 1由 1蔼 蝴硒甜……≯ 薯…一。誓+ 可一~~…一-一一鼍黧≯了一。煮_I'I_…一z一。瓣………‘~㈦黼裕 图6.5电机的转速为1800rpm(占空比为20%) Fig.6.5 Motor speed is 1 800RPM(20%du哆cycle) 如图6.6所示,当电机平稳运行时,电机转速、电枢电流和PID输出控制量的波形,由 于电机的转速有微小的变化,PID调节器会进行小范围的修正,电流的波形比较平稳。 4l 内蒙古大学硕士学位论文 …W拍危如砂蜥舡‰如撕螺 tn 122 3妇 枷 蛐 神 椭∞j l面 l翻 也 1∞ 'h 1∞ t日 1而 憎'∞ m删∞I O '11 ≈i ∞3¨4 95 %J Ⅳ4∞j 1∞ 111 122 {∞ 1u 1%*, ,M”g 1* m㈨__。_ ●^㈨} 6 n础黜 训幽 砷m确 m fit 位 傅 嘲 'g 府 1m 1函增 图6.6转速、电流和PID输出增益之间的关系 Fig.6.6 Speed,current,and the relationship between the PID output gain 如图6.7所示,当外界给电机转子加一定的负载的时候,电机转速、定子电枢电流和PID 增益之间的关系。当用塑料夹子以恒定的力捏住电机转子的时候,电机的转速下降,PID调 节器输出为正增益,电枢电流逐渐增大,电机开始加速,直到达到固定的转速,平稳运行; 此时,放开夹子,由于没有负载,电机速度增加,PID输出为负增益,电枢电流开始下降, 电机转速也随着一起下降,直到到达固定的转速。 ,\一~ —卜\一一,\一~—.r\ }t(t 础 £鸭∞”■li嘲 ∞3 蚋 ■《 踟 瞳7 * n8 曲 '∞ 'i 1∞ 1∞ 、“{ m…r 1“ 1* 1口 IM l∞ I璐 11"t 也 瑚‘¨5“ 区, 一e∞b ·∞ 1“ '22 1白 t4· 1盎 mj∞h∞ⅢJh '67 1抽 '白 1∞ ⅫM5c^; 二k=砧∥竺兰泌崖警:烂鳖碰鳖£== 。;己。兰L臻””’”””‘…””8”“‘05”。.艺。.“” 图6.7转速、PIt)增益和电流之间的关系(加入一定的负载) Fig.6.7 Speed,current,and the relationship between the PID output gain(Add a certain load) 42 内蒙古大学硕士学位论文 6.2本章小结 本章主要针对在实验过程中,对电机运行时产生的波形进行列举和分析:包括理想对称 的PWM波形、带有死区控制的PWM波形;列举了几种不同的PWM波形占空比和电机速 度的关系;最后对电机空载情况下和带负载情况下,电机的转速、电枢电流和PID输出增益 之间的关系,控制策略是采用数字PIED进行控制,实现了对电机速度的控制,达到了理想的 控制效果。 内蒙古大学硕士学位论文 第七章结论与讨论 7.1总结 从开题到现在,论文基本上完成了预期目标,当然还有许多不足的地方,由于精力和能 力有限,可以在以后的学习道路上进行弥补和完善,使整个毕业设计更上~层楼。主要完成 的任务有: (1)本文深入研究了无刷直流电机内部结构、工作原理、数学模型和运行特性,为以后其 它电机的控制奠定了基础。 《2)整个控制器的控制策略是采用数字PlD。参数的确定是运用试凑法反复进行试验,达 到良好的电机速度控制效果。 (3)硬件电路的设计。本控制器由控制和驱动电路两部分组成:反馈部分包括转子位置信 号的反馈电路,电流的反馈电路,另外还有功率保护电路的设计等。 (4)软件的设计。软件是在由TI公司开发的CCS3.3开发环境进行调试,包括主程序和中 断服务子程序:主程序主要包括初始化和电机启动子程序,尤其是电机启动控制:中 断服务子程序包括捕获中断服务子程序和A/D采样服务子程序。 7.2讨论 本文虽然对无刷直流电机控制器进行了设计,但是由于许多条件的限制:比如说精力和 个人能力。整个毕设还有许多不尽人意的地方,还有许多工作需要进一步完善和深入: (1)TMS320F2812这款芯片本身具有极其强大的数据处理能力,对其自身资源没有充 分的挖掘,没有发挥其良好的优越性。 <2)在控锘8策略方面,本文采用了经典的数字PID,实现了比较好的调速特性,但是还有 许多控制策略,模糊控制和数字PID结合而成的模糊.PID、专家PID、神经网络PID 还有智能PID,达到对无刷直流电机更好的控制效果。 (3)转矩波动的问题。转矩波动问题一直是无刷直流电机普遍存在的问题,也算是无刷直 流电机的一个比较大的缺点,如何减少电机转矩波动问题是工程技术研究的重点和难 点。 内蒙古大学硕士学位论文 参考文献 【l】刘刚,王志强.永磁无刷直流电机控制技术与应用[M】.机械工业出版社,201 1,5. 【2】刘和平.TMS320LF24弧DSP结构、原理及应用【M】.北京航空航天大学出版社,2007. 【3】顾卫钢.手把手教你学DSP(基于TMS320X29lx)[M].北京航空航天大学豳版社,201 t. 【4】朱玲.基于DSP的无刷直流电机控制系统研究【D】.武汉理工大学,2012,5. 【5】兰吉昌.TMS320F2812应用实例精讲【M】.化学工业出版社,2010. 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Do]李兵..基于MC330S苍JI毒;的电动车无刷真流电机闭环控制器【臻.2007,250):61-63 [411一韩彬.基于DSPF2812的无刷直流电机模糊控锚IJ系统的设计【D1.江苏大学,2009. 内蒙古大学硕士学位论文 致谢 时光如流水,匆匆而过。眨眼之间。到了2014的4月份,这个毕业伤感季。蓦然回首, 从刚踏进校门的第一步起,那个迷茫而又踌躇满志的我。到现在即将毕业。这一切仿佛是在 游戏一般,这不但使我深切地领悟到人生苦短,时间不等人;也激发我在毕业后走出校门的 人生道路上,更加珍惜时光,脚踏实地,热爱生命,让自己的人生更加大放异彩。 在这美好的校园生活里.我静静地沉思了许久,总结出校园生活有得有失:失去的是青 春,是一生中最宝贵的年华,得到的是人生的磨练、学术上的造诣,最重要的是个人的修为, 这不正是我们有梦青年所迫切需要的吗。 感谢内蒙古大学以及电子信息工程学院,在即将离校之前,向我的导师张泽教授致以最 真诚的谢意和最崇高的敬意! 从论文题目的选定、方案的提出到实验的验证,以及论文的撰写和修改,要感谢张老师 悉心的教导和耐心的指导.张老师是我完成整个论文的引路人。不但在学习上,在其他方面 同样给予了无微不至的关怀。 二同时,.我还要感谢自动化系所有的老师,我的专业课都是由各个老师一步步教授的,单 。 、 , 丝不成线,独木不成林,在我取得的哪构_T点成绩,.都离不开各位老师无私奉献的教诲, 感谢各位内蒙古大学自动化系的各位老师! 感谢实验室各位同学在生活上和学习上的照顾,感谢卜祥云师兄、高世强师兄、程义民、 刘相宏还有实验室的各位师弟,感谢你们陪我走过这段旅程,研究生期间有你们的陪伴我感 到非常的欣慰,非常的幸福。你们是最亲的人! 希望学弟学妹把握好这段美好的时光。在张老师的带领下,青出于蓝而胜于蓝,一浪更 比一浪高。 最后祝愿自动化系各位老师工作顺利、万事如意!祝愿各位同学前程似锦。都能找到好的工作,最后 有一个好的归宿。祝愿师弟师妹们学习进步、学业有成,听张老师的话。最后,感谢各位老师抽出宝贵时 间对我的论文提进行审阅并且提出宝贵建议和意见,真诚地说一声您辛苦了1 47 内蒙古大学硕士学位论文 附录一控制电路PCB 48 内蒙古大学硕士学位论文 附录二驱动电路的PCB 49 DSP无刷直流电机控制器的设计 作者: 学位授予单位: 陈彦君 内蒙古大学 引用本文格式:陈彦君 DSP无刷直流电机控制器的设计[学位论文]硕士 2014

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