无刷直流电机调速系统研制 毕业设计.doc

摘要摘 要无刷直流电动机(bldc)是随着电机控制技术、电力电子技术和微电子技术的发展而出现的一种新型电机。它既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点，因此在众多领域中得到了广泛的运用。本文以tms320f2812dsp为核心控制芯片，通过改变定子绕组电压的幅值来调节电机转子转速，运用pid控制算法实现了对无刷直流电机的高性能控制，成功地完成了对无刷直流电机转速的调节。关键字：无刷直流电机，绕组电压，dsp，pidiiiabstractabstractbrushless dc motor(bldc) is a new type motor emerging with the development of technology, power electronics technology and motor control. it is based on brush dc motor, due to a series of advantages of brushless dc motor not only has the ac motor has simple structure, reliable operation, convenient maintenance and so on, and has high efficiency dc motor, no excitation loss and good timing performance and other characteristics, and therefore become a research hotspot.this paper introduces the present situation and development tendency of brushless dc motor control, key talked about the operation principle, mathematical model, the intelligent control algorithm for brushless dc motor, as well as the main control chip tms320f2812 dsp structure and application characteristics. brushless dc motor control system is a motor control system has the characteristic of digital. mainly by changing the amplitude of stator winding voltage to adjust the speed of the rotor in the design of the motor speed control system, using the microprocessor finished for high performance control of brushless dc motor, successfully realized the brush dc motor speed regulation without.key words: brushless dc motor bldc，winding voltage，dsp，pid目录目 录1 绪论11.1 课题研究的背景11.2 课题研究的现状21.3 课题研究的内容32 无刷直流电机的基本原理52.1 无刷直流电动机的基本组成52.2 无刷直流电动机的基本工作原理62.3 无刷直流电动机的位置传感器63 无刷直流电机数学模型及pid控制器的设计133.1 无刷直流电机的运行特性133.2 无刷直流电机的电磁转矩143.3 无刷直流电机的转速153.4 电势系数和转矩系数153.5 无刷直流电机的动态特性163.6 pid控制算法173.7 pwm技术194 无刷直流电机调速系统硬件设计234.1 无刷直流电机调速系统原理结构图234.2 电机控制平台主电路设计234.3 电机主电路图244.4 供电电源电路254.5 pwm驱动电路264.6 串行接口电路284.7 电流检测电路295 无刷直流电机调速系统软件设计315.1 软件整体设计315.2 系统的初始化程序设计325.3 系统dsp主程序335.4 系统中断服务程序345.5 系统子程序345.5.1 电流采样计算子程序355.5.2 转速采样计算子程序355.5.3 转速调节子程序356 总结与展望37致 谢39参考文献.41绪论1 绪论1.1 课题研究的背景无刷直流电机调速系统是以电机的转矩和转速为控制对象，按生产机械工艺要求进行电机转速控制的自动化系统。根据电动机的不同，工程上通常分为直流电机和交流电机两大类。 纵观电机的发展过程，交、直流两大电机并存于各个时期的工业领域内，虽然它们所处的地位和作用不同，但是它们始终是随着工业技术的发展，特别是随着电力电子学和微电子学的发展，在相互竞争、相互促进中完善着自身。由于直流电动机具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，因而在工业场合应用广泛。近代，由于生产技术的发展，对电机在起制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、和动态响应方面都提出了更高的要求，所以用计算机控制电力拖动控制系统成为设算机应用的一个重要内容。直流调速系统在工农业生产中有着广泛的应用。随着计算机技术和电力电子技术的飞速发展，两者的有机结合使电力拖动控制产生了新的变化。计算机技术、电力电子技术和直流拖动技术的组合是技术领域的交叉，具有广泛的应用前景。有不少的研究者已经在用dsp作为控制器进行研究。直流调速控制系统的控制方法经历了机械式的、双机组式的、分立元件电路式的、集成电路式的、单片机式的发展过程。随着数字信号处理器dsp 的出现，给直流调速控制提供了新的手段和方法。将计算机技术的最新发展成果运用在直流调速系统中，在经典控制的基础之上探讨一种新的控制方法，为计算机技术在电力拖动控制系统中的应用做些研究性的工作。用计算机技术实现直流调速控制系统，选取dsp 芯片作为控制器。直流调速系统的内容十分丰富，有开环控制系统，有闭环控制系统;有单闭环控制系统，有双闭环控制系统和多闭环控制系统;有可逆调速系统，有不可逆调速系统等。本课题研究的控制对象是闭环直流调速系统。目前，对于控制对象的研究和讨论很多，有比较成熟的理念，但实现控制的方法和手段随着技术的发展，特别是计算机技术的发展，不断地进行技术升级。而这个过程经历了从分立元件控制，集成电路控制和单片机，计算机控制等过程。每一次的技术升级都使控制系统的性能有较大地提高和改进。随着新的控制芯片的出现，给技术升级提供了新的可能。电机控制是dsp 应用的主要领域之一，随着社会的发展以及对电机控制要求的日益提高，dsp 将在电机控制领域中发挥越来越重要的作用。本课题就是基于tms320f2812 dsp芯片的无刷直流电机调速系统。1.2 课题研究的现状无刷直流电机控制系统是一种新型的调速系统，具有良好的运行、控制及经济性能，有着巨大的发展潜力。其中无刷直流电机是利用电子换相替代机械换相和电刷，既具有直流电动机良好的调速性能，又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，在众多领域中得到了广泛的应用。无刷直流电机的转矩脉动问题，严重阻碍了其调速系统性能的进一步提高和发挥，无法满足一些高精度场合的控制要求。因此，研究能有效抑制无刷直流电机转矩脉动的高性能调速系统，具有非常重要的意义。无刷直流电机是在有刷直流电机的基础上产生发展而来的，在传统电励磁电机当中，直流电机以其良好的转矩特性和快速响应能力而为工业界重视。直流电机有调速性能好、运行效率高等诸多优点。但是由于直流电机存在电刷、滑环等机械接触部件，存在机械磨损，需维护和保养，而且会产生噪声、无线电干扰和火花，因而不能在有粉尘、易燃易爆物质的环境中工作。再加上直流电机制造成本高及维修困难等缺点，大大限制了它的应用范围。针对上述传统直流电机的弊端， 1955年，美国d哈罩森等人首次申请了应用晶体管换相代替电动机机械换向器的专利，这就是现代无刷直流电机的雏形。但由于该电动机尚无起动转矩而不能产品化。而后又经过人们多年的努力，借助于霍尔元件来实现换相的无刷直流电动机终于在1962年诞生。20世纪70年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件相继出现，以及高性能的永磁材料问世，均为无刷直流电机的广泛应用奠定了坚实的基础。我国对无刷直流电机的研究起步比较晚，上世纪八十年代以前，国内对无刷直流电机的研究几乎空白。1987年，在北京举办的联邦德国加工设备发展会，江苏大学硕士学位论文siemens和bosch两公司展出了永磁式同步伺服系统和技术引进的热潮。经过多年的努力，国内已有无刷直流电机的系列产品，形成了一定的生产规模。尤其在近十几年来，随着电机技术及其相关学科的发展，无刷直流电动机得到了广泛的应用。从有刷到无刷，从半控元件到全控元件，发展过程中各种新结构不断涌现，从电机结构到控制方式也层出不穷。为了科学界定无刷直流电机与其他类型电机，许多学者作了大量工作，其中akusko在1988年提出包含电机本体与电路形式在内的无刷直流电机的定义逐渐被广泛接受。他提出无刷直流电机必须满足以下5个条件：(1)电机由定子电枢绕组和转子永磁体构成；(2)逆变器直流供电；(3)电机速度正比于直流电压；(4)逆变器矩阵开关函数决定定子绕组的端电压；(5)转子位置检测器的逻辑决定逆变器开关的导通时刻。1.3 课题研究的内容本课题研究的是无刷直流电机的调速系统，它以tms320f2812 dsp芯片为控制核心构成无刷直流电机调速系统，通过改变电驱电压实现对电机速度的调节。系统主要分为三个部分如图1-3：电机驱动系统，dsp控制系统，人机监控系统。图1-3 无刷直流电机调速系统框图 各单元的主要作用：dsp控制系统：它包含dsp控制单元和检测单元。检测单元采集电机运行的相关信息，包括主回路电流信号、主驱动电压信号、电机转速及转相，并送给 dsp 主控制器。控制单元根据系统的运行设定参数以及系统的实时运行状态来实现对无刷直流电机的自适应调整控制；电机驱动及系统保护单元：主要完成对信号的放大和检测，当电机运行出现异常时，驱动芯片就会根据反馈的信息产生报错信号，并同时使电机驱动端口输出强制置低，锁定电机起到保护作用；人机监控单元：实现对系统实时运行监控，根据运行情况的改变进行必要的人为调整； 主要设计内容：1、dsp 数字信号处理控制系统的设计； 2、人机界面监控系统的设计； 3、电机驱动电路的设计； 4、系统硬件电路的设计；5、系统检测保护电路的设计； 6、系统软件控制设计；43无刷直流电机的基本原理2 无刷直流电机的基本原理2.1 无刷直流电动机的基本组成无刷直流电动机的结构原理如图2-1所示。图2-1 无刷直流电动机结构原理图无刷直流电动机主要由电动机本体，位置传感器和电子开关线路三部分组成。其定子绕组一般制成多相(三相、四相、五相不等)，转子由永久磁钢按一定极对数(2p=2，4，)组成。图2-1中的电动机本体为三相两极。三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联接， a相、b相、c相绕组分别与功率开关管vt1、vt2、vt3相接。位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相联接。当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向与调速的作用。2.2 无刷直流电动机的基本工作原理无刷直流电机工作原理图如图2-2所示。图2-2 无刷直流电机工作原理图三相无刷直流电动机的工作原理如图2-2所示。电动机的定子绕组分别为a相、b相、c相，因此，位置传感上也有3个接收元件、与之对应。3个接收元件在空间上间隔120度，分别控制、3个开关管。这3个开关管则控制对应相绕的通电与断电。由于通电相发生了变化，使定子磁场方向也发生了变化，与转子永磁磁场相互作用，仍然会产生与前面过程同样大的转矩，推动转子继续逆时针转动。如此循环下去，电动机就转动起来了。2.3 无刷直流电动机的位置传感器无刷直流电动机的位置传感器主要有三种：电磁式位置传感器：电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现位置测量的。它的结构如图2-3-1所示。它由转子和定子两部分组成。转子是一个用非导磁材料(如铝合金)制成的圆盘，其上面镶嵌有扇形的导磁材料。扇形导磁片的个数与无刷直流电动机转子的转子磁极的极对数相等。转子与电动机轴连在一起，随电动机同步转动。定子是由高频导磁材料的铁心制成，一般有6个极，等间距分布，每个极上都缠有线圈。其中互相间隔的3个磁极为同一绕组，接高频电源，作为励磁极；另外3个极各有自己的独立绕组，作为感应极，是传感器的输出端。图2-3-1 电磁式位置传感器当转子处在如图所示的位置时，励磁极所产生的高频磁通通过转子上的导磁材料耦合到感应极上的绕组上，在绕组上产生感应电压ua。而在其他2个绕组、上，因为非导磁材料的阻隔而不能形成磁路，所以感应电压为0。假设随着电动机的逆时针转动，导磁扇片也跟着转动，并逐渐靠近绕组，远离绕组，使绕组产生感应电压ub，并逐渐增大，绕组上的感应电压ua逐渐减小为o。这样循环下去，电磁式位置传感器就得到3个输出、，它们呈脉动形状，互相间隔120。相位。虽然电磁式位置传感器输出信号大、工作可靠、适应性强；但它的信噪比较低，体积大，输出是交流信号，需要经整流和滤波后才能使用，所以，它在早期的时候应用较多，现在已逐渐退出。光电式位置传感器： 光电式位置传感器利用光电效应进行工作。它由发光二极管、光敏接收元件、遮光板组成，如图2-3-2(a)所示。其中，发光二极管和光敏接收元件分别安装在遮光板的两侧，固定不动；遮光板安装在转子上，随转子转动。遮光板上开有120。的扇形开口，如图2-3-2(b)所示，扇形开口的数目等于直流无刷电动机转子磁极的极对数。当遮光板上的扇形开口对着某个光敏元件因接收到对面的发光二极管发出的光而产生光电流输出；而其他光敏接收元件由于被遮光板挡住光而接收不到光信号，所以没有输出。这样，随着转子的转动，遮光板使光敏接收元件轮流接收光信号，所以产生不同的输出。根据输出就可以判断转子所处的位置。光电元件一般是砷化镓发光二极管和光敏三极管或光敏二极管。光敏三极管或光敏二极管的输出较弱，需要整形放大，图2-3-2(c)是它的放大整形集成电路。经过放大整形输出的是脉冲信号，易于与数字电路接口。图2-3-2（a） 光电位置传感器图2-3-2（b） 遮光板图2-3-2（c） 光敏位置传感器放大整形集成电路霍尔式位置传感器：霍尔式位置传感器是利用“霍尔效应进行工作的。利用霍尔式位置传感器工作的无刷直流电动机的永磁转子，同时也是霍尔传感器的转子。通过感知转子上的磁场强弱变化来辨别转子所处的位置。（如图2-3-3（a） 图2-3-3（a） 霍尔位置传感器集成电路图图2-3-3（b） 霍尔效应原理图如图2-3-3（b）所示，在长方形半导体薄片上通入电流i，电流方向如图，当在垂直于薄片的方向上施加磁感应强度为b的磁场时，则在与电流i和磁场强度b构成的平面相垂直的方向上会产生一个电动势e，称其大小为： （k为灵敏度系数），我们称这种效应为霍尔效应。当磁场强度方向与半导体薄片不垂直，而是成0角时，霍尔电动势的大小改为：。所以，利用永磁转子的磁场，对霍尔半导体通入直流电，当转子的磁场强度大小和方向随着它的不同而发生变化时，霍尔半导体就会输出霍尔电动势，霍尔电动势的大小和相位随转子位置而发生变化，从而起到了检测转子位置的作用。霍尔位置传感器由于结构简单，性能可靠，成本低，因此是目前在无刷直流电机上应用最多的一种位置传感器。无刷直流电机数字模型及pid控制器的设计3 无刷直流电机数学模型及pid控制器的设计3.1 无刷直流电机的运行特性图3-1(a) 电驱绕组感应电势波形图以三相非桥式星形接法两极电机为例，分析无刷直流电动机的运行特性。依无刷直流电机的工作原理，该种接法时的。为了便于分析，作如下假设:(1)转子磁钢所产生的磁场在气隙中沿圆周按正弦分布;(2)忽略电枢绕组的电感，电枢绕组电流可以突变;(3)忽略过渡导通状态和开关动作的过渡过程，认为每相电流时瞬时产生和切除;无刷直流电动机a 相电压平衡方程式为: 。式中，ua 为电源电压;e 为电枢绕组感应电动势; 为电枢电流;ra 为电枢绕组的平均电阻;ur 为功率晶体管的饱和压降。根据假设(1)，转子磁场在气隙中按正余弦分布，因此电动机旋转使转子磁场在电枢绕组中产生的感应电动势也是按正余弦规律变化。若以转子磁极曲线与a 相绕组轴线重合时作为转子的起始位置，为了使电机的输出功率最大，通常当转子磁极轴线处在电势波形相邻交点所对应的角度范围时，让电势大的一相导通，由图3-1(a)可得a 相导通时磁极轴线处于与范围内,绕组感应电动势为: （式3-1）感应电动势最大值为: （式3-2） （ 为电枢绕组每相有效匝数;为每极气隙磁通）频率为: （式3-3）将式3-2代入式3-1整理可得：（电驱电流波形如图3-1(b)所示）电驱电流为： （式3-4）导通时间内的平均电流为： （式3-5）图3-1（b） 电驱电流波形图3.2 无刷直流电机的电磁转矩由于电机的电磁转矩，且=2f/p（为电机的角速度）。整理得电机的电磁转矩为： （式3-6）即： （式3-7）平均电磁转矩为： （式3-8）转速n=0,时，平均转矩为： （式3-9）由此可知，在一个磁状态一相导通区域内，由于电势的脉动使转矩产生了波动，转矩波动会使电机产生噪音和运转不稳定，所以一般都希望转矩波动小。由图3-1（b）可以看出减小磁状态角，可以减小电势的脉动，因而也就减小了转矩波动.对于m相电机磁状态角=2/m，增加相数可以减小，但电机结构和转子线路就要复杂。3.3 无刷直流电机的转速将式(3-2)，式(3-3)代入式(3-5)，可得转速为： （式3-10）令ia=0,可得理想空载转速： （式3-11）3.4 电势系数和转矩系数电势系数是电动机单位转速在电枢绕组中所产生的感应电势的平均值。由式(3-5)可以看出感应电动势平均值为：因而由式（3-2）和式（3-3）可得电势系数为： （式3-12）转矩系数是当电动机电枢绕组中通入单位电流时电动机所产生的平均电磁转矩值。由式(3-5)和(3-8)可得转矩系数为： (式3-13)3.5 无刷直流电机的动态特性无刷直流的动态特性可由下列方程组来描述：式中中为电动机的负载阻转矩；为电动机转子飞轮力矩(nm2)，=4gj(j 为转动惯量)。经拉氏变换后，可得：由此可得无刷直流电机的动态结构图，如图3-5所示。可知其传递函数为： （式3-14） 式中为电机传递函数，；为转矩传递函数，；为电磁时间常数，。无刷直流电机数字模型机pid控制器的设计图3-5 无刷直流电机动态结构图3.6 pid控制算法pid控制调节器是对信号进行比例积分微分校正运算的装置。比例调节对干扰有及时而有力的抑制作用；积分调节的作用是消除静态误差；微分调节主要用来加快系统的动作速度，减少超调，克服振荡。无刷直流电机等效电路图如图3-6（a）所示，电源eb给直流电机供电，产生电流ia，电机在运转过程中等效于电阻ra和反向电动势串联起来。其中ra为电驱等效电阻，ec为电驱旋转时产生的反向电动势，它和电驱转速成正比，转速越快，反向电动势越大。 图3-6（a） 无刷直流电机等效电路图pid控制系统原理图如图5-6（b）所示，该系统为pid控制器和控制对象组成，这种pid调节器的传递函数为。图中r(t)是给定值，y(t)是系统的实际输出值，实际输出值与给定值构成控制偏差c(t)。无刷直流电机数字模型机pid控制器的设计图3-6（b）pid控制系统原理图由图可知，e(t)=r(t)-y(t)e(t)作为pid控制器的输入，u(t)作为pid控制器的输出和被控对象的输入。所以pid控制器的控制规律为比列系数积分常数微分常数控制常量比列环节的作用是对偏差瞬间做出快速反应。偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数，越大，控制越强，但过大的会导致系统的振荡，破坏系统的稳定性。积分环节的作用是把偏差的积累作为输出。在控制过程中，只要存在偏差，积分环节的输出就会不断增大。直到偏差值额=0,输出的u(t)才可能维持在某一常量，使系统在给定值不变的条件下趋于稳态。积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。积分常数越大，积分的累积作用越弱。增大积分常数会减慢静态误差的消除过程，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。所以，必须根据实际的系统控制要求来确定。无刷直流电机数字模型机pid控制器的设计微分环节的作用是阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势进行控制。偏差变化的越快，微分控制器的输出越大，并能在偏差值变大之前进行修正。微分作用的引入，将有助于减少超调量，克服振荡，使系统趋于稳定。但微分系统对输入信号的噪音很敏感，对噪音大的系统一般不使用微分，或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波。适当的选择微分常数，可以使微分作用达到最优。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差计算控制量，而不能像模拟控制那样连续输出控制量，进行连续控制，所以积分和微分项不能直接使用，必须进行离散化处理。离散化处理的方法为：以t作为采样周期，k作为采样序号，则离散采样时间kt对应着连续时间t，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： k=(0，1，2，)为了表示方便，将类似于简化为等，就可以得到离散的pid表达式：采样信号（k=0,1,2,3，）第k次采样时刻的计算机输出值第k次采样时刻输入夫人偏差值比列系数积分常数微分常数pid控制的初值如果采样周期取的足够小，则以上计算就可获的足够精确的数据，离散控制的过程与连续控制的过程十分接近。3.7 pwm技术无刷直流电机数字模型机pid控制器的设计pwm的理论基础：冲量相等而面积不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其输出环节的响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。无刷直流电机pwm调速控制原理图如图3-7所示。图3-7 pwm调速原理图及波形图图中当开关管的栅极输入高电平时，开关管导通，无刷直流电机电驱绕组两端有电压us。t1秒后，开关管栅极输入变为低电压，开关管截止，电机电驱两端电压为0。t2秒后开关管栅极重新输入高电平，开关管重复前面的过程。这样，对应着输入电平的高低，电驱两端的绕组电压波形如图3-7所示。无刷直流电机的转速n的表达式为：其中，u为电驱端电压，i为电驱电流，r为电驱电路的总电阻，为每极磁通量，k为电机的结构参数。电机的电驱绕组端电压的平均值为：式中为占空比，。01由此可知，当电源电压us不变的情况下，电驱的端电压的平均值uo取决于占空比的大小，改变值就可以改变电驱端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是pwm的调速原理。在pwm调速中，以下3种方法都可以改变占空比的值：1）.定宽调频法：这种方法是保持不变，只改变，这样使周期t（或频无刷直流电机数字模型机pid控制器的设计率）也随之改变。2）.调宽调频法：这种方法是保持不变，只改变，这样使周期t（或频率）也随之改变。3）.定频调宽法：这种方法是保持周期t不变，而改变和。方法1和方法2由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时， 将会引起振荡，因此很少使用。无刷直流电机数字模型机pid控制器的设计无刷直流电机调速系统硬件设计4 无刷直流电机调速系统硬件设计4.1 无刷直流电机调速系统原理结构图无刷直流电机调速系统原理结构如图4-1所示，主要包括dsp控制系统，驱动电路，检测电路。驱动电路驱动电机，检测电路实时检测电机转子位置，并将检测信号传给控制系统，控制系统实时控制，实现调速。图4-1 无刷直流电机调速系统原理结构图4.2 电机控制平台主电路设计无刷直流电机调速系统硬件结构图如图4-2所示，主要包括dsp控制器部分和控制板电路。本系统采用的dsp控制器为tms320f2812；控制板电路包括主回路电路，检测电路(电流，转子位置，转速)，保护电路(过流，欠压)，驱动电路，显示电路(lcd)以及电源设计等。图4-2 无刷直流电机调速系统硬件结构图 220v交流电经过一个三相整流桥，成为直流电压。在经过滤波电路和大电容的稳压电路之后，成为可以供给智能功率模块的较为稳定的直流电压源。在接入ipm之前，首先串连一个电流霍尔传感器，测量直流母线电流，送给dsp的io口，用于母线过流保护；并联一个电压霍尔传感器，测量直流母线电压，送给dsp的io口，用于母线过压保护。dsp负责处理采集到的数据和发送控制命令。dsp通过io口捕捉电机转子位置传感器上的脉冲信号，判断转子位置输出合适的驱动逻辑电平给mosfet驱动芯片，再由mosfet功率驱动电路驱动电机旋转。4.3 电机主电路图三相无刷直流电动机的主电路图如图4-3所示。电机本体的电枢绕组为三相星型连接，位置传感器与电机转子同轴，控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生控制信号，控制信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率开关管，使电机的各相绕组按一定的顺序工作。图4-3 三相无刷直流电动机主电路图如图4-3所示，使v1、vb 导通，即有两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经v1流入一相绕组，再从另一相绕组流出，经vb回到电源的负极，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子顺时针转动。转子在空间每转过60电角度，逆变器开关就发生一次切换，在此期间，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。转子在空间每转过60电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的磁状态就发生一次跃变。可见，电机有6种磁状态，每一状态有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120电角度。无刷直流电动机的这种工作方式叫两相导通星型三相六状态，这是无刷直流电动机最常用的一种工作方式。由于通电相发生了变化，使定子磁场方向也发生了变化，与转子永磁磁场相互作用，仍然会产生与前面过程同样大的转矩，推动转子继续逆时针转动。如此循环下去，电动机就转动起来了。4.4 供电电源电路tms320f2812需要两路供电电源：内核1.8v和外围设备3.3v。其供电芯片采用ti公司的电源管理芯片tps767d318pwp。tps767d318pwp采用pmos结构，输出电压跌落小且与输出电流成正比，静态电流小且与负载无关。tps767d318pwp还具有内部电流限制和热保护的特点，输出电流限制约为1a。内部比较器可以对稳压器的输出电压进行监控，以检测稳定输出电压的欠压状况。tps767d318pwp电源电平转换电路如图4-4(a)所示，图中tps767d318pwp的通道1输出1.8v供给dsp内核，通道2输出3.3v供给dsp外围设备。图4-4(a) 电源电平转换电路图4-4（b） dsp上电和下电时序 tms320f2812上电时序如图4-4（b）是先外围设备后内核，为保证dsp上电的时序，通道1的输出使能端1en接三极管q1的集电极，当通道2输出3.3v电压，经电阻r12和r13分压，驱动q1，1en有效，从而通道1才能输出1.8v，上电时序图如下所示。上电时，通道1需要在通道2输出电压高于2.5v才能有电压输出，并复位引脚xrs必须在通道1输出电压达到1.8v后数毫秒才可由低变高。tms320f2812下电时序为先外围设备后内核，下电时序图如图4-4（b）所示。当通道2电压低于2.5v时引脚xrs变为低，在通道1电压低于1.5v前8us保证xrs引脚已变为低电平。4.5 pwm驱动电路合理的驱动电路对功率器件的安全工作及整个系统的稳定运行至关重要。pwm驱动电路图如图4-5（a）所示，pwmg和pwms分别接至功率管的栅极和源极。驱动芯片采用带光耦隔离的专用驱动芯片hcpl-3120，为保证功率管d1可靠关断，抑制dv/dt引起的误触发，d1采用稳压管in4733，使其获得-5v左右的关断电压。功率管的栅极串联电阻r2=10，用来抑制控制脉冲的前后沿坡度和防止振荡，并通过高速二极管d2来加速功率管的反向关断。栅源极最近处并联r4=10k，抑制功率管误导通。若控制板输出pwm信号为高电平，则前级驱动三极管ta导通，同时vo输出+20v电压，功率管栅源极电压为+15v，满足功率管开通条件；若控制板输出pwm信号为低电平，则三极管ta关断，同时vo输出0v，功率管栅源极电压为-5v，加速功率管关断。图4-5（a） pwm驱动电路tms320f2812的pwm引脚的驱动能力小，不能满足图4-5（a）中ta对驱动信号的要求，因此，需要设置pwm接口电路。pwm接口电路如图4-5(b)所示，主要采用双轨供电的sn74lvcc4245芯片，该芯片的b口采用3.3v供电，和dsp的pwm引脚直接连接；a口采用5v供电，可以为前级驱动三级管提供驱动信号。由于三极管驱动信号为高电平时功率管开通，电路中设置下拉电阻来保证三极管的驱动信号在控制系统未正常运行前为低电平，以防功率桥发生直通现象。图4-5（b） pwm接口电路4.6 串行接口电路串行通信接口是采用双线通信的异步串行通信接口，为了减少串行通信接口通信时的cpu开销，f2812的串口支持16级接受和发送fifo。sci模块采用标准非归零数据格式，可以与cpu或其他通信数据格式兼容的异步外设进行数字通信。sci模块的接受器和发送器是双缓冲的，每一个都由它单独的使能和中断标志位。两者可以单独工作，或者在双工方式下同时工作。sci使用奇偶效验，超时，帧出错检测确保数据的正确传输。采用上位机和串口通信，可以实时发送给dsp电机的参考转速，控制电机的正反转，电机的升速，降速和稳速。电路图如图4-6所示，该电路采用符合rs-232标准的驱动芯片max232进行串行通信。max232芯片功耗低，集成度高，+5v供电，具有两个接受和发送通道。由于tms320f2812采用+3.3v供电，所以在max232和tms320f2812之间必须加电平转换电路，选取合适的电阻降压，把+5v降到+3.3v。（如前文的电平转换电路）无刷直流电机调速系统硬件设计图4-6 tms320f2812串行通信接口电路图4.7 电流检测电路本课题选用电流传感器来检测电机相电流，实验中选用了瑞士莱姆公司的型号为la58一p的电流传感器。这种霍尔传感器的优势在于：出色的精度、良好的线性度、低温漂、较短的反应时间、宽频带、无插入损失、抗干扰能力以及电流过载能力强。la58一p型霍尔电流传感器的典型连接如图4-7（a）所示，la58一p型霍尔电流传感器使用15v供电，检测端m接一个检测电阻rm，检测信号就是取自这个检测电阻rm上的压降u。这样电流信号就转化为电压信号了，他们之间存在一个比率关系。电流检测信号一是用来反馈给dsp用做电流pi调节；二是用来实现过流保护功能。无刷直流电机调速系统硬件设计图4-7（a） 霍尔电流传感器典型电路图图4-7（b） 电流检测信号调理电路经过霍尔电流传感器，需要检测的电流信号按比例转换为电压信号，为了防止后续电路对这个电压检测信号的干扰，系统利用运算放大器“虚短”和“虚断的原理设计了电压跟随器。电压跟随器输入阻抗无穷大，检测得到的电压信号经过电压跟随器，不仅电压值保持不变，而且还不受后续电路的影响。采样得到的电压值需要经过一定的缩放，因此要使用运算放大器来实现。图4-7（b）中，通过调节r5即可调节adcin(dsp的ad转换模块输入引脚)的值，设定电流最大值后，使得此时adcin为5v，r2的值就这样确定了。右面一个lm358其实是一个反相器。两个二极管构成一个钳位电路，保证了dsp芯片的安全。无刷直流电机调速系统软件设计5 无刷直流电机调速系统软件设计5.1 软件整体设计本课题的无刷直流电机调速系统软件主体包括四大部分:系统初始化程序、dsp主控制程序、mcu控制程序、中断服务程序。系统软件结构框图如图5-1(a)所示。图5-1（a） 系统软件结构框图本课题软件系统采用模块化，自上而下的设计方案。系统软件的整体流程如图图5-1（b）所示。无刷直流电机调速系统软件设计图5-1（b） 系统主流程图系统初始化程序负责完成dsp的初始化、dsp运行环境的定义等工作。首先初始化dsp，配置所要用到的寄存器，定义并初始化变量。dsp主控制程序控制并检测整个系统的运行，接收检测到的信号，并传递给控制装置，完成系统的调速。muc控制程序负责检测控制spi通信接口及接收人工检测信号。中断服务程序中，首先读取电流、电压值，判断是否有过压、过流发生，若有则中断服务，若没有则进行转速pid调节和电流的控制。系统软件的整体流程图如图5-1（b）所示。5.2 系统的初始化程序设计系统初始化程序主要对dsp进行必要的初始化设置，经初始化设置后程序不断判断有无外部中断、捕获中断、adc中断以及故障保护中断。如果没有中断，程序不断循环等待直到有中断的到来。整个f2812dsp初始化主要分为系统初始无刷直流电机调速系统软件设计化、外设初始化和全局变量赋初值三大部分。初始化流程如图5-2所示图5-2 系统初始化流程图5.3 系统dsp主程序系统dsp主程序主要是完成对电机的启动、停止、有效控制电机的正常运行和出错处理，以及负责现场网络的通信。当系统启动之后，通过检测电机的状态来启动电机，然后进入主控制程序，使整个系统正常运行。正常运行的状态下，控制系统主要是对无刷直流电机的实时调控，同时完成现场的通信和pc机的监控通信。同时，当系统需要人为设定或调整时，可以通过人机界面进行人为设定。调整信息设定完成后，dsp 控制系统根据设定的参数值在线实时对电机进行调整。当检测到外部中断信号时，即刻停止当前运行任务转去执行中断。在中断事件中安插了三个中断事件，即过电流中断处理、过电压中断处理、系统报错中断处理。系统主程序流程如图5-3所示。无刷直流电机调速系统软件设计图5-3 系统主程序流程图5.4 系统中断服务程序 tms320f2812芯片有三个外部中断和外部中断扩展模块pie，pie可支持96个外部中断。可以很快地响应和处理中断事件，并可以在硬件和软件中控制中断的优先级。通用中断服务子程序 gisr 和特定中断服务子程序 sisr，在 gisr 中保存必要的上下文，从外设中断向量寄存器pivr 中读取外设中断向量，这个向量用来产生转移到 sisr 的地址入口。对每个从外设来自中断控制器的中断都有一个特定的 sisr，在 sisr 中执行对该外设事件的响应。程序一旦进入中断服务程序后，所有的可屏蔽中断都被屏蔽。本系统中共有三个中断：定时器 t1 周期中断，用来产生 pwm 输出；定时器 t2 的周期中断，用来定时采样电枢电流、驱动电监控电压值；定时器 t3 的捕获中断，用来定时测量速度。 为了响应系统中的中断服务程序，还必须有一个复位和中断向量定义文件。它是一个独立的汇编程序文件，它按照内存区的规定，利用无条件跳转语句使程序在复位或发生中断之后跳转到相应的程序入口地址。 5.5 系统子程序无刷直流电机调速系统软件设计5.5.1 电流采样计算子程序电流调节器是控制的中心环节，必须满足电流环的频率要求，实现电流快速准确地跟踪给定值。本课题中，电流采样计算子程序的功能是准确完成电流检测，根据当前逆变桥的导通情况，选择适当的相电流作为电流调节器的反馈量；完成电流的调节作用，并将调节器的输出结果送至事件管理器相应的寄存器中，控制导通电流跟随给定电流，实现电流信号的采样计算。5.5.2 转速采样计算子程序转速采样子程序是通过位置传感器检测到的信号，得到当前电机的转速。转子转速通过位置传感器获得信号并传输给dsp主控制芯片，主控制芯片计算得到当前的电机转速。5.5.3 转速调节子程序转速调节子程序流程图如图5-5-3所示，将接受到的实际转速与输入量相比较，得到偏差值，然后通过pid的转速调节控制电机，使电机的转速达到输入值，实现电机转速的调节。图5-5-3 转速调节子程序流程图无刷直流电机调速系统软件设计总结与展望6 总结与展望电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中。由于无刷直流电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、励磁损耗小以及调速性能好等诸多特点，使它一经出现就以极快的速度发展和普及。目前，无刷直流电动机己广泛应用在数控机床、机器人、仪器仪表、汽车、计算机外围设备等方面和领域。在驱动控制系统中，无刷直流电动机与其它类型电动机相比有许多突出的优点：动态响应快；控制性能好；体积小，重量轻；节能；容量大、转速高，换向方便、简单；不会产生失步现象。因此，对无刷直流电动机的应用研究是很有实际意义的。本课题针对无刷直流电动机调速系统进行研究，既有电机调速系统的实现方法，又有对控制算法的探讨。现将本文的主要内容总结如下：(1)详细介绍了无刷直流电动机的工作原理与运行特性，建立了无刷直流电动机调速系统的数学模型，对调速系统的控制方案进行了详细分析，为系统的硬件实现奠定了基础。(2)通过对实际电机的仔细分析，利用dsp主控制芯片，结合功率转换模块，完成了无刷直流电动机调速系统的设计，实现了