（机械电子工程专业论文）基于arm的变温空调伺服系统设计.pdf

摘要变温空调是基于医疗气象学中“室内微气候”变化原理设计的温度随动空调系统，和传统空调不同的是，它不对室温设定参考值，而是依据外界温度的变化“智能”控制室温。变温空调以半导体制冷器为冷( 热) 源，无刷直流电机为温度调节执行机构，实现了室内温度对室外温度的快速跟随、调节。温度伺服控制系统是变温空调的一个重要的子系统，是变温空调的执行机构。本文根据变温空调的工作原理，提出了一种基于a 砌讧( a d v 粕c e dr j s cm l l i n 髓) 微控制器i j p c 2 2 1 4 的全数字式温度伺服控制系统本文首先在对温度伺服系统的整体组成结构、控制方案和各部分功能的实现方法进行了详细分析，对温度伺服系统的总体设计方案进行了可行性论证，并设计出了该系统的硬件电路。温度伺服系统硬件电路以基于l p c 2 2 1 4 的数字温度控制器为核心，通过单线总线数字温度传感器d s l 8 2 0 对室内外温度进行采样，并使用液晶模块对温度伺服系统的各个运行参数进行实时显示和分析。针对温度伺服系统的执行机构稀土永磁无刷方波直流电动机，设计出了一种基于功率m o s f e t 和栅极驱动芯片邛匕1 3 0 的功率驱动电路。设计中通过合理的选用自举元件，正确的对功率器件进行保护，极大的提高了功率电路的整体性能，实现了对无刷直流电机的高效驱动。根据温度伺服系统的控制特点，提出了一种基于室内温度、电机转速和电流的三闭环控制算法。采用通用的模块化设计方式，编写了温度伺服系统调速程序，并且使用c 语言对程序进行了实现，在a d s ( a i u 幢d e v e l o p 盯s 诚c ) 开发环境下编译、链接、运行通过。用m 棚。a b 仿真的方法建立了直流无刷电机双闭环控制系统模型，依据z i e g l e 时q i c h o k 法对转速环、电流环的p d 参数进行整定，为实际的设计过程提供了重要的参考。设计完成后，进行了系统的软、硬件的联调，调试结果证明该温度伺服控制系统工作协调、稳定、可靠，实现了温度伺服系统的基本功能。关键词：删，温度伺服控制系统，数字式温度控制器，无刷直流电机，功率驱动电路a b s t r a c tt 两1 p 豇a t u - a 由璐t e da i r - c o n d i t i o 蝌i sat e i i l p e r 撇f o l l o w e ds y s t 锄w i l i c hi sb 鲫e d n d rl n i c r _ 0 c l i m a t c p r i n c i p l ei l lm c d i c a l 黜鲥岫y c o m p 删w i t h仃a d i 6 0 n a la i l w m t i i td o 龉n o tp r e s e tv a l u ef ，o ri n d o o r 蹦询o 衄1 e 咄b u ti m e m g 朗t l yc n d l si i l d o o rt 即叩e r a t u c 0 柑i l l gt oo u t d o o rt 锄p 盯a t l l v a r i 嘭t 鼬p 蹦曲r 争a 面l s t c da * c o n d m 盯锄1 p l o i 鹤s 锄i c o n d n c t o r 伍g 鼬t o r 勰c o l d ( h o t )s o u r c e ，b m s l l l 韶sd i 帕m c u 舢t u ) c ) 啪t o r 鹪e x u t eo u t 丘t i tr e a l i z 铭m er a p i df o l l o wa n da 由u s t si i l d o 何t e m p e r 船w i t ho u t d o o rt c m p t 玳血l 聆t 锄p e r a t i l r es e r v og y s t 锄璐o d髂既咖t eo u t 丘ti sas l 】b s y s t 咖o ft 既l p e m t 呲- 删l l s l 埘a i r 伽d i t i o n 既b 勰e d t l l e 埘1 1 c i p l eo ft 锄p 锄n 耵峥删u s 蜘a i r 啪n d i 廿a1 d l 】do fd i g i t a ls e r v oc 仃d ls y s t e m 耐t ha l 王m ( a d v 锄c e dr _ i s cm a c h m s ) m i c r o 嘶l p c 2 2 1 4 蠲i t s c 哦i s p r e s e n t e d 1 1 嵋w h o l e 或m c n j f e 柚dc o l i b ls c h 黜o f t i 圮s y s t 锄，坞a l 删o nm c t h o d sf b fa l lp a r t sh a v eb e e na n a l y z e di nd e 拓峨t l l 吼，t h e 龟a s i b i l i 妙o fd e s i g ni sd 伽o n s 乜c d ，a n dh a r d w a r ec i r c u “i sd i g r l e d t h ek i r d w a r ec i 硎to ft c m p i 盯a t i l r v os y s t 锄u s 伪d i g i t a lt 唧盯a t i l c o n 仃d l l 盯谢t hl p c 2 2 1 4 嚣i t sc 0 坞，t h es y s t 锄s a m p l 髂i n d o o r弛do u t d o o rt 豇n l 廿a t i l 地s i 掣i a l sw i n lt 锄p 咖m n s o rd s l 8 2 0 ，a n dd i s p l ，sa l ll 【i n d so f p a r ；珊嘲懿丽l l ll c dm o d u l e a i m e da tb l d cm o t o r ，w h i c hi st h e 既c c u t co u t f i t so f t 即叩豇a t i l 坞s e r v os y 8 t e m a k i n do f p 佣惯“v c i r c l l i t 州c hu sp o w 盱m o s 聊觚d g a t ed r i v i n c c 雩即把c i r c l l i t 匕1 3 0i sd e s i 印e d 细河v o 町械锄t h eb 加cm o t o rc 蛆b cd r i v e 丘托t i v e l yb ys e l d n gb o o 蛐f a pc 锄p 即衄阳勰。皿b l y 锄dp t t i l 培p o 懈c c 胁p o n c n tc o r r 硎y 0 nm cb 勰i so fc h a r a c t e r i s 6 co ft 即1 p 盯船s e r v oc 舡d ls y s t e m ，a 虹n do fc o n 仃o la r i t h m 甜cb 勰c d 蚰t r i l o o pm o d c l 谢mi n d o o rt 锄p e r a t i i ，r o 眦s p e e da n dc r e l l th 船b 湖p r c s 黜止e d t h e 印e e d a 由u s t e dp r o g 姗o ft c ：m p 盯a 土i l r cs c oc 咖ls y s t 锄h 弱b 咖w r i t t 谢t hcl 姐g u a g c ，c 伽叩i l e d ，l i n k e da n dn mi na d s ( a r md c 、，e l o p c rs l l i t c ) 即砒卿锄锄ts u c c c s s f i l l l y t h eb u ) c 姗加rd i - l o o pm o d c lh 豳b e 蚰e s t a b l i s h c di nm a l l a b 舶v i 】m 腿e 峨a i l dt h ep dp a r 锄e 觚o fs p e c dl o o pa l l dc l l 删t1 0 0 pa r e 丘x e d 喇t hz i e 百* n i c h o l sm e t h o d ，恤c hp r o “d 髂f c 矗；棚1 c ef o r t u a ld e s i g l l 玎t h eh a r d w a 姐ds o 胁a o fs e n ，os y s t 锄i sd e b u g g e da f t 盯d e s i 朗t h er u np r 0 v e sm a tm es y s t e mw o r k ss t a b l ya n dr e l ia ：b l y ，锄dm ee l e m e n t a r y 劬c t i o ni sr e a l i z c d 1 ( e yw o r d s ：a r m ，t 唧e r a l l l 坞r v os ”t 鼬，d i 西t a lt 唧廿a t t i c o n t m l l e r b l d cm 咖r p o w 盯d r i v c i r c l i i tm西北工业大学业学位论文知识产权声明书本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。保密论文待解密后适用本声明。学位论文作者签名：带j 月刃目指导教师签名：蛔毖z山垆，月哕日西北工业大学学位论文原创性声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。学位论文作者签名：a 堑i i i 雎砻山0 年3 月2 日西北工业大学硕士学位论文第一章绪论1 1 论文选题的背景第一章绪论居室气候是一种与人体健康最密切的人造气候。随着人们物质生活水平的日益提高，各种调节居室气候的电器产品( 如空调、加湿器等) 已越来越多地进入寻常百姓家，居室气候已变得越来越舒适、越来越不受自然气候的制约。但和无边无际的自然气候相比，居室气候只能算是一种“微气候”。人的许多活动还必须在自然气候下进行，而出入居室，其实就类似于出入不同的“气候带”，人的身体常常不能完全适应这样的“气候变化”，于是就出现了各种各样的居室病症。怎样才能提高人们对环境变化的适应能力从而避免现代居室病症呢? 医疗气象学家通过试验，得出一个比较有效的办法，那就是在居室内保持一种“气象变化”，以“多交”应“突变”，从而锻炼人的抗“变”能力。事实上，生活或工作在气象条件不断变化的环境的人( 例如经常出入高温车间或冷库的工人) ，患感冒的机率要比在正常环境下工作的人小得多。而常在空调居室( 一般保持较低的恒温) 久呆的人，患感冒的机率则大得多。通过不断调节居室温度，可以使人的生理体温调节机制不断地处于“紧张状态”，生理调节能力可以逐渐适应温度的急剧变化，从而提高了人体的自我保护能力，不至于经常感冒或患其它居室病症。而空调恰恰具有调节室内空气温度的功能，如果使用得当，它理所当然地会起到一定的保健作用。所谓“使用得当”，其实也非常简单：不要使室内一直保持恒温或“准恒温”，而要经常升高和降低室内的温度，使室温一直处在一种交化状态。空调控制室内温度随室外温度改变而连续缓慢变化，更贴近人的生理感受，使人感觉更加舒适，健康。众所周知，一天中早晚的气温是有交化的，清晨和傍晚略低，而中午略高，凌晨达到温度最低值，人体在这种变化的气温中生活，不仅大大提高了自身免疫能力，免受各种疾病侵扰，而且变化的温度促进人的血液循环加快，加强了人体心脏，肺等主要脏器的活动能力。根据国家标准采暖通风与空气调节设计规范【1 】【2 】，舒适性的室内标准为：夏季：温度：2 4 2 8 相对湿度：4 0 5 冬季：温度：1 8 也2 相对湿度：4 啦6 0 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论3 52 62 4图1 1 夏季一天中温度随时间变化曲线如图1 1 所示为典型的夏季一天白天气温随时间变化曲线，可以看到，在清晨到中午再到傍晚，一天的自然温度场变化在2 6 3 5 之间，而依据人体舒适度标准，理想室温在一天中对应的变化应该在2 4 2 8 之间。基于以上想法，根据室外温度的变化，模拟人体感觉进行模糊推理，从而调整室内温度的基准值，设计智能温度随动系统，并且设计以a r m 为核心的温度控制器以及伺服执行机构，对其进行硬件实现，这就是本课题的最终目的。空调温度随动控制系统，随着室外温度的变化改变室内温度，使得空调在保健和舒适感上得到了很大的改善，而且可以消除由于新风温度的变化而带来的室内温度余差尤其在夏季，室内基准温度随着室外温度提高而提高，这样空调在制冷时可以减少制冷量，从而减少了压缩机制冷时间，实现了节能。通过调研市场上广泛使用的空调，使用温度自动补偿系统的空调厂家很少，市场上的主流仍然是恒温空调，这无不为我研究的“变温”空调提供了广阔的市场前景。1 2 国内外研究现状本文主要着重基于a r m 的变温空调伺服系统的研究，以无刷电机带动风机，控制出风量的大小，实现空调制冷量或制热量的变化。关于无刷电机伺服控制系统的研究，国外从上世纪8 0 年代开始研究直流无刷电机的控制方式，现在已经发展成很成熟的一个学术分支，比较近的应用成果，例如k 啪n g y 幻c h 钮g 等人提出的模糊优化控制，提高控制的适应性和系统的鲁棒性【3 】【4 】：2 0 0 1 年m g 0 d o ys i m d 髂、n n f r a n c e h 喇、p v i e 妇j r 等在其发表的论文d 部i 弘觚de v a l u a l i o no fap o l y p h a b m s l l l e s sd c - m a c l l i n ed r i v cs y s t 锄中详细介绍了b u ) c( b m s m e s sd cm o t o r ) 的控制方法，针对方波无刷直流电机提出了其功率电路的设计方案，对系统的控制模型做了s i i n u l i l l l 【仿真嘲。2西北工业大学硕士学位论文第一章绪论国内对于此的研究也已经开展了很多年，例如北京航空航天大学的谢宝昌、任永德老师在其新书电机的d s p 控制技术及其应用中对无刷电机的控制原理及控制策略做了详细的介绍，并用d s p 芯片a d m c f 3 2 8 为核心，对直流无刷电机的调速软、硬件方案都做了介绍【6 】；同样的王晓明、王玲老师在其编写的电动机的d s p 控制一书中，以1 1 公司的电机专用控制芯片1 m s 3 2 0 u 毪4 0 7 a 为核心，介绍了无刷电机的调速方案设计川。对于电机伺服系统在温度控制方面的应用上，亦有成果。西南交通大学的张笑徽等人建立了温度对空调风机转速控制的模型，并用m c 6 8 h c 7 0 5 i b 单片机进行了硬件实现，从结果来看，可以控制风机运行偏差在5 砖，分，基本实现了风机的无极调速【8 】；成都佳灵电器公司的张景荣等做了更进一步的工作，不仅控制风机的转速，而且同时对室外空调压缩机制冷控制，建立了室内、室外机的通讯，使得控制电路结构更加紧凑p 】。实验的结果均表明，用直流无刷电机作为温度控制环的执行机构，噪声小，平稳性好，控制可靠性强，精度高，硬件电路实现简单。基于a r m 的智能温度伺服控制系统，和传统的电机伺服系统相比有以下几点不同：( 1 ) 伺服系统的执行机构是无刷电机，控制对象是室内温度，系统根据实际温度与参考温度的偏差和偏差变化作为电机伺服系统的输入信号，控制伺服电机的转速。( 2 ) 伺服系统的核心是性能比较优越的3 2 位数字控制芯片a r m 。比起传统的8 ，1 6 位单片机，删内部资源比较丰富，集成了f l a s h 存储器、定时器、p w m 输出、a 仍等模块，对电机伺服调速系统来说，外部电路设计将大大简化，电机控制的难点将由硬件级转为软件级。( 3 ) 伺服系统的电机驱动方案类别很多，以刀贬1 3 0 为功率驱动芯片的方案也有一些文献涉及1 6 】m ，但是大都只停留在方案级，对这些方案具体实现的很少。所以，本文对直流电机伺服系统的研究主要侧重于以a r m 单片机l p c 2 2 1 4为核心，无刷电机调速系统的设计，同时对此系统的功率驱动电路方案进行了详细的论证、设计与实现。1 3 论文的主要研究内容和关键技术本文以变温空调的研究为背景，以其中伺服系统的设计为核心，研究内容涉及温度控制器的设计、电机驱动电路设计、电机调速方案确定以及程序实现等方面，将其细化可以分为以下三个主要部分：西北t 业大学硕十学位论文第一章绪论1 3 1 论文的主要研究内容( 1 ) 系统总体方案设计1 ) 根据变温空调的总体控制要求，确定温空调伺服系统的总体组成结构；2 ) 确定系统各组成部件的实现方案；3 ) 确定系统的总体控制方案。( 2 ) 硬件电路设计与调试1 ) 完成基于l p c 2 2 1 4 的数字式控制器的设计；2 ) 选取系统的电执行机构电机；3 ) 根据电执行机构的特点，设计完成电机功率驱动电路；4 ) 完成电机驱动电路和l p c 2 2 1 4 数字式温度控制器外围接口电路，电流检测电路，故障报警电路等的设计与调试。( 3 ) 系统软件设计1 ) 温度采集程序；2 ) 电机换相和转速计算程序；3 ) 电机母线电流采样程序；4 ) 转速环、电流环设计：5 ) 电机调速控制程序。1 3 2 论文的关键技术本文关键技术主要包含两个方面：( 1 ) 充分利用a 砌江的资源，实现温度采集和伺服系统控制在整个温度伺服控制系统中，对电机控制需要6 路p w m 控制信号，3 路捕获信号，l 路a d 采样信号，l 路报警信号，同时系统要进行4 路温度采集，和液晶模块通信，输出p w m 斩波控制可调电源。所以占用a r m 系统资源较多，甚至发生冲突( 例如电机控制和制冷器电源调节都用到p w m 斩波) 。如何合理的利用片内资源，并合理的设计程序，是论文的关键之一。针对以上困难，本文拟采用以下方式解决；对电机控制采用功率桥单斩模式，可以节省3 路p w m 信号，用来控制制冷器可调电源；软件设计上所有调节( 包括电机双闭环控制、电源调节等) 根据优先级不同，设置中断向量，以中断方式进行，这样既可以避免查询方式过多占用c p u 资源，同时使得每次中断分时进行，避免冲突。( 2 ) 电机驱动电路方案的设计与实现本论文的伺服系统的执行机构为无刷电机，因此直流无刷电机的驱动技术就4西北工业大学硕士学位论文第一章绪论是本论文的关键之二。对电动机的驱动由功率驱动单元来完成。本系统中采用功率m o s f e t 和栅极功率驱动芯片及其外围电路构成电机驱动单元，栅极功率驱动芯片接收来自数字控制器的p w m 开关信号，经过驱动放大控制功率m o s f e t 的导通和关断。在功率驱动单元中，自举元件的选择以及功率器件的保护是其中的重点。通过合理的选择自举元件，可以实现功率m o s f e t 的高效驱动；而对功率器件的保护，可以大大提高驱动电路的可靠性，增加元件的使用寿命。西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体方案第二章系统总体方案本章概述了变温空调温度伺服控制系统的基本理论，给出了温度控制器的基本原理和实现方案，对数字式温度控制器原理、驱动电机的选用和结构原理以及控制算法作了详细的分析和讨论。2 1 控制对象的描述时问图2 1 一天中温度随时闻变化关系室温是本系统最终的控制对象，要求控制室内温度变化精确的随着外界温度变化而变化。根据室外温度的变化，通过温度补偿原理设定室内温度基准值，调节温度控制器控制量，使室内温度逼近这个设定值。例如，在夏季，从图2 1 中可以看到，一天中气温在午后1 4 ：o o 左右达到最高，而清晨和傍晚温度略低，一天气温的变化范围约为6 8 。根据温度的夏季补偿原理，室内温度应该随外界温度同向变化。空调温度控制器的目标为：调节风机转速，使房间温度接近控制温度；避免调节机构频繁动作，防止环境温度在设定值附近频繁振荡；节约能源。影响房间温度的主要因素是半导体制冷器温度、室外温度、房间散热系数和空调换热系数。其中空调换热系数主要由循环风机的转速决定，所以风速可以作为调整室内温度的调节手段。由图2 1 可以看出，温度控制系统的首要任务就是控制风机风速，使得室内室温随着室外温度缓慢变化，从而达到“变温”的目的。2 2 系统组成原理温度伺服控制系统工作原理如下：当用户选择了自动模式后，室外温度传感器采集得到的温度数据，根据自适应算法设定得到室内参考温度珏，孙和实6两北工业大学硕士学位论文第二章系统总体方案际室内温度值乃进行比较计算出温度差值p = 乃一不及其差值变化率血，p 和口作为模糊控制器的两个输入参数，经过模糊推理，得到控制风机转速的参考值，输出到无刷直流电机转速电流双闭环控制单元，电机转速调节器对转速参考信号和转速反馈信号的差值进行运算产生电机电流调节器的给定信号，电流调节器对电流的误差信号进行运算实现对p w m 信号占空比的实时调制，从而控制了无刷电机带动风扇对房间风速进行调节，使室内温度始终在参考温度变化曲线附近波动。温度伺服控制系统由数字式温度控制器、电机功率驱动电路、无刷电机、半导体制冷器及其电源等主要部分组成，其中数字式温度控制器、电机及其驱动电路是本论文的主要研究内容。图2 2 变温空调系统结构框图数字式温度控制器是整个系统的核心部件，它以高性能a 脚单片机l p c 2 2 1 4 为核心，实现了对房间温度的协调控制。功率驱动电路采用功率m o s f e t 搭建，以取公司的皿匕1 3 0 作为接口驱动芯片驱动电机为风扇提供机械能，驱动风扇风速改变对房间进行制冷或制热。2 3 系统主要部件及实现方案2 3 1 半导体制冷器变温空调与传统的压缩空气制冷方式不同，系统制冷源采用了半导体制冷器。半导体制冷器是利用电能直接实现热能传递的一种特殊半导体组件，其依据的原理是珀尔帖效应一百多年以前、法国科学家珀尔发现了在两种不同的导体联成的闭合回路中，当接通直流电源时一个焊点的温度降低成为吸热端另一个焊点的温度升高成为放热端，即在不同焊点处产生吸热和放热现象，随即把这种现象叫做热电制冷和制热现象，或称珀尔帖效应【l l 】。如图2 3 所示，当电流经n 型半导体流向p 型半导体时，在上端的金属片上产生吸热现象，此端称为冷端；7西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体方案而在下端的金属片上产生放热现象，此端称为热端。由于每组电偶所产生的电一热效应较小所以实际上都是将数十个这样的电偶并联而成将冷端放在一起，热端放在一起组成电热堆若把电热堆冷端紧贴在吸热器平面上，置于箱体内制冷，热端装在箱体外背面用散热片散热，即可制成半导体制冷空调器的冷源。风向由制冷器的入风口口进入，经过制冷器，再由出风口送出，就成为空调冷气来源，如示意图2 - 4 。t s 三8制冷器图2 - 3 珀尔帖效应示意图图2 4 半导体制冷源示意图本系统使用了8 片t e c l 2 7 0 5 制冷片进行制冷，其额定电压为1 2 v ，额定电流为5 a ，最大温差可达6 0 摄氏度，外形尺寸4 0 4 0 o 4 锄。安装时，在制冷片的热面涂上导热硅胶，使热面散热效果更好，冷面加吸热器，充分吸收热量。半导体制冷器与传统制冷装置相比，既无制冷剂，又无复杂的机械设备和管路系统，结构小巧，启动快，控制灵活，使用方便。但是半导体制冷器也存在制冷效率低、功率小等缺点，使它只适合在小型的控温系统中使用。2 3 2 驱动电机选择温度伺服控制系统要求风扇动作能够快速地起、停、加速和减速，且运行平稳，噪声小，到位准确。要实现这个目标，必须解决好驱动电机的选择问题。众所周知，在所有的电机中，直流电机的调速特性最好，但其不可避免的有刷结构制约了其应用场合。在工业生产中大量应用的交流异步电机虽然控制简单，却有着调速精度不高的问题，而交流同步电机存在着控制复杂，容易失步的缺点。相对而言，无刷直流电机结合了直流电机与交流同步电机的优点，具有体积小，寿命长，控制简单，调速精度高，且不会失步的特点。另外从提高效率，节约能量等方面看，无刷直流电机也有优势。据报道，美国5 5 以上的电力是消耗在电动机运行上，因此提高电动机的效率具有更主要意义。在所有类型电机中，无刷直流电动机的损耗最小、效率最高。有资料做过对比分析，对于7 5 k w 的异步电机系统效率可达8 6 4 ，但是同样容量的无刷直流电动机效率可达9 2 4 。随着电子技术的进步，电子工业的发展以及电子元器件8西北工业大学硕士学何论文第二章系统总体方案的价格不断下降，考虑综合指标( 系统性能、重量、能量消耗等) 之后，无刷直流电机的应用正处于上升趋势。表2 1 是与其它电机的综合特性比较1 0 1 。表2 1 直流无刷电机、交流异步电机、普通直流电机的特性比较、性能、垂统交流异步电机有刷直流电机无刷直流电机、机械性能软硬硬过载性能小大大可控型难易易平稳性较差较好好噪声较大大小电磁干扰小严重小维修性易难易寿命长短长体积大较小小效率低高高成本低较高较高以上分析可以看出，在工业应用中，无刷直流电动机在快速性、可控性、可靠、体积小、重量轻、节能、效率、耐受环境和经济性等方面具有明显优势。近几年随着稀土永磁材料和电力电子器件性能价格比的不断提高，无刷直流电动机作为中小功率高性能调速电机和伺服电机在工业中的应用越来越广泛。无刷直流电动机又分为正弦波电机和方波电机，正弦波电机的磁通分布为正弦波形式。方波电机的磁通分布为1 2 0 。的平顶方波，反电势的波形也为平顶波，其平顶宽2 1 2 0 电角度( 理想状态为1 2 0 电角度宽的矩形波，通常叫方波，实际电机中较接近于梯形波) ，电流为矩形波。在系统中选用方波电机，它与正弦波电机相比，具有很多的优点；( 1 ) 方波电机比正弦波电机的控制电路简单；在电机中产生平顶波的磁场分布和平顶波的感应电势，比产生正弦分布的磁场和正弦变化的电势简单；产生方波电压、方波电流的逆变器比产生正弦波电压、正弦波电流的逆变器简单，控制也方便。( 2 ) 工作可靠，方波电机的逆变器采用1 2 0 。导通型或1 2 0 导通型p w m ，逆变桥同一个桥臂中不可能产生直通现象，工作特别可靠，尤其适用于高速运行。( 3 ) 转矩脉动小，三相对称，波宽1 2 0 。的平顶波电势和电流，理论上当相位相符时转矩无脉动。( 4 ) 材料利用率高，输出功率大，在相同的材料下，电机输出功率较正弦9西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体方案型电机大l o 2 。同一个逆变器，控制方波电动机时输出功率较正弦波电动机在理论上容量可增加1 。( 5 ) 控制方法简单，磁场定向控制简化为磁极位置控制，电压频率协调控制简化为调压控制( 频率自控) 。因此，在温控伺服系统中选用了稀土永磁方波电动机作为驱动电机。2 3 3 数字式温度控制器数字式温度控制器是整个系统的核心部件，其性能的优劣直接决定了温度伺服控制系统的整体性能。其结构框图如图2 5 所示。控制方式选择室外温度信号6 路p w m 信号i室内温度信号一a r m 及其转速反馈信号外围接信号调液晶地埘数据电机电流反馈一理电路信号电机过流、欠压0电机转子位置信号一图2 5 数字式控制器结构图由于温度控制系统以控制电机为主要对象，控制任务相对较小，可以不必外界其他外围逻辑器件，但空调控温系统对系统可靠性、体积、重量都有严格的要求，这就要求采用高可靠性、功能强大的芯片作为本系统的中央处理器。随着p h 几碑s 公司的高性能a r m 芯片i p c 2 2 1 4 的推出，其高度的可靠性和高速的处理器能力，以及丰富的片内资源使得它成为本系统中央处理器的首选。2 3 4 功率驱动电路功率驱动电路采用六只功率开关管m 0 s 髓t ( u 2 4 8 为驱动桥，以取公司的匕1 3 0 作为接口驱动芯片。邛匕1 3 0 具有电流反馈和过流、欠压保护功能，内部集成电流比较器c c 和电流放大器c a ，电流检测由跨接于u 。和v 之间的无感取样电阻来实现，从而省去了通常驱动电路的电流反馈所需要的外部电流放大器和过流检测所需的外部比较器。可见，采用刀贬1 3 0 作为驱动元件时，外围元件少、线路简单、工作安全可靠，性价比较分立元件明显提高。1 0西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体方案2 4 系统控制方案由于温度伺服控制系统中的控制对象就是稀土永磁无刷方波直流电机，那么电机的控制方案也就是本系统的重点，本节集中讨论无刷电机及其控制方案。方波无刷电机的结构如图2 - 6 所示，主要由电机本体、控制电路、转子位置传感器组成。图2 - 6 无刷电机的结构原理其中，电机本体结构与稀土永磁同步电动机相似，但是没有笼型绕组和其他启动装置其定予绕组一般制成多相( 三相、四相、五相不等) ，转子由永久磁钢按一定极对数( 2 p = 2 ，4 ，) 组成。控制器由控制电路、驱动电路和功率主电路组成。转子位置传感器是检测转子磁极相对于电枢绕组轴线的位置，向控制器提供位置信号的一种装置，根据工作原理的不同，常见的有磁敏式、磁电式、光电式、机电式、接近开关式等【l 们。 b图2 7 稀土永磁体结构无刷电动机的转子上装有稀土永磁体，常用的有三种结构，如图2 - 7 所示。图a 结构是转子铁心外圆粘贴瓦片形稀土永磁体构成径向励磁，图b 结构是在转子铁心外径中嵌入矩形稀土永磁体，图c 是在转子铁心外套上一个整体结构的稀土永磁环。臼止3bbt图2 - 8 励磁磁场波形西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体方案其中，图a 励磁结构容易实现方波气隙磁感应强度，气隙磁感应强度一般可达o 5 5 o 7 t ，图b 励磁结构使用于更高磁负荷的电机，由于励磁的聚磁作用，其气隙磁感应强度一般可达o 7 o 9 t ，图c 的励磁结构虽然简单，但是稀土永磁体的性能较低，其气隙磁感应强度进能达到o 3 5 o 4 5 t ，这三种结构的励磁磁场的波形如图2 8 所示。本系统选用图2 7 ( a ) 所示的稀土永磁体结构。位置传感器在无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。位置传感器的型号较多，主要有以下几种形式【l o 】：( 1 ) 光电传感器光电传感器利用光束与转子位置角之间的对应关系按确定的顺序照射光电元件，由此发出电信号去导通开关管电路中相应的开关管，并使定子绕组依次换流。光电式传感器性能较稳定，但存在输出信号信噪比大，光源灯泡寿命短。使用环境要求较高等缺点。( 2 ) 电磁位置传感器电磁位置传感器是利用电磁效应来实现其位置测量作用，有开口变压器、铁磁谐振电路接近开关等多种类型。电磁式位置传感器因为体积较大，同时输出波形为交流，一般需要整流，滤波后才能应用。( 3 ) 磁敏式位置传感器磁敏式传感器是指它的某些电参数按一定规律随周围磁场变化的半导体敏感元件。其基本原理为霍尔效应和磁阻效应。目前常用的磁敏式传感器中，霍尔元件的应用最为广泛。霍尔式磁敏元件的特性如图2 9 所示，具有非常好的线性特性。霍尔元件是一种利用霍尔效应制成的半导体器件，其基本原理如图2 1 0 所示。将矩形半导体薄片置于磁场中，在薄片两侧通以控制电流，则在薄片的另外两侧就会产生一个电势e 霍尔效应所产生的电势e 与控制电流川i 勺关系如下：e = 鲁彤( 2 - 1 )式中：霍尔常数；曰磁通密度；，控制电流；d 磁场方向薄片厚度。1 2西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体方案”、o图2 - 9 磁敏元件特性曲线图2 1 0 霍尔器件示意图在温度控制系统中，转子位置传感器的安装空间较为有限，霍尔元件体积小，抗环境干扰能力强，输出信号信噪比高，故选用霍尔元件作为电机的转子位置传感器。2 4 1 电机原理及控制方式v c c仁垢姬鞭、一一h一一、一一i b 、v 。、j b仁f 2、仁l j叫匪马”i l h29 姬弋、一一图2 1 iy 联结绕组三相全控桥式电路本系统中使用的电机为两两导通星形六状态无刷方波电机，电机的工作原理，如图2 1 l 所示。在该电路中，电动机的三相绕组为y 型连接。t l 、t 2 、t 3 、t 4 、t 5 、t 6 为6 只m o s h 强功率管，起绕组的开关作用。它们的导通方式为两两导通，即在每一个瞬间有两个功率管导通，每隔1 ，6 周期( 6 0 。电角度) 换相一次，每次换相一个功率管，每一个功率管导通1 2 0 电角度。各个功率管的导通顺序是王一t ，王一瓦，t 3 一瓦，己一t 2 ，t 5 一t 2 ，t t 4 。当功率管t 1 、t 4导通时。电流从t 1 流入a 相绕组，在从b 相绕组流回电源。如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为正，流出绕组的电流所产生的转矩则为负，它们合成的转矩如图3 1 2 ( a ) 所示，其大小约为3 t ，方向在t 和t b 的角平分线上。当电动西北t 业大学硕十学位论文第二章系统总体方案机转过6 0 后，由t 1 、t 4 通电换成t l 、t 6 通电，这时，电流从t 1 流入a 相绕组再从c 相绕组流出，经过t 6 回到电源，此时合成转矩如图3 1 2 ( b ) 所示，其大小同样为_ t 。但合成的转矩转过了6 0 。电角度。而后每次换相一个功率管，合成的转矩矢量方向就转过6 0 电角度，但大小总保持3 t 不变，图3 1 2 ( c ) 表示出全部合成转矩方向【l o 】。a )”c )图2 1 2 联结绕组两两通电时的合成转矩矢量图( a ) t l 、t 4 导通时的合成转矩嘞t 1 ，t 6 导通时的合成转矩( c ) 两两导通时合成转矩矢量图所以，同样一台电机，采用y 型全控电路连接时，两两换相的情况下，合成转矩增加了怕倍。每隔6 0 电角度换相一次，每个功率管导通1 2 0 ，每个绕组通电2 4 0 。2 4 2 直流无刷电机调速控制方案从理论上看，无刷直流电机的感应电动势和电磁转矩的公式如下：e = ；冗n p b l r mj正乙= 万坼z f ，f i( 2 3 )j式中：肌一通电导体数；曰一永磁体产生的气隙磁通密度；卜- 转子铁心长度；r 一转子半径：一转子的机械角速度；乓一定子电流。由以上两个公式可见，感应电动势与转子转速成正比，电磁转矩与定子电流1 4西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体方案成正比，所以我对无刷电机的调速系统采用了如图2 1 3 的控制策略。图2 1 3 无刷电机调速系统框图本系统采用速度环与电流环双闭环控制，转速环作为外环，电流环作为内环。由于电机的电气时间常数小，因而对电流控制的实时性要求较高，在控制上速度环采用数字调节器结构，电流内环多采用模拟调节器与p w m 的脉宽调制方法。近年来，电力电子器件及微处理器的发展，为高性能伺服系统提供了实现手段特别是3 2 位单片机技术的发展，其高速处理能力和面向电机控制的专用外围设备，使利用微处理器进行p w m 信号实时调制，实现包括电流环的全数字调速系统成为可能。本系统中，以高性能删芯片u c 2 2 1 4 为核心，采用p w m 控制方式控制电机的转速和电流，霍耳元件检测转子位置，以功率m o s f e t 场效应管作为功率变换器件，实现全数字交流温度伺服系统。( 1 ) p w m 信号的产生全数字p w m 调速系统的关键是如何得到实时变化的p w m 信号。脉宽调制技术是用一系列脉冲宽度不等的矩形脉冲去逼近一个所需要的电压或者电流信号。在电机伺服控制系统中，p w m 来控制功率管的导通时间，为电机绕组提供所需要的能量。l p c 2 2 1 4 的p w m 是建立在标准定时器基础上的，其6 个p w m输出可以独立的产生6 个单边沿或3 个双边沿p w m 波。6 个单边沿p w m 输出，用p 1 m 唧设置p w m 周期，p w m m r x 匹配控制占空比，可以方便的设置脉宽调制信号的波形。( 2 ) 反馈信号的测量反馈信号的测量包括转速信号和电流信号的测量。由于系统设计空间和成本的限制，本系统没有采用外部电机速度传感器。因此，本系统采用电机转子位置传感器输出的转子位置信号，输入到a l 蝴的捕获接口单元。得出转子位置信号的周期，经过比例运算即可换算得出电机转速。其原理如图2 1 4 所示。西北丁业大学硕十学位论文第二章系统总体方案电机旋转l 周时间ki 坐型l，：转子位置信- r 厂定时器计数值擂7 _ 铡图2 一1 4 转速测量原理图本系统采用单对极的无刷直流电机，因此电机每旋转一圈将得到一个完整的转子位置脉冲，捕获单元对此信号的上升沿进行捕获。其中，s j 和妇分别为两次上升沿来到时候的定时器的计数值，那么0 j 砬) 为电机旋转一周所用时间( m i n r ) ，转速m 呻的计算公式为：s p e e d - l ，( s l s 2 ) r l kq 由式中： p 蒯一电机转速；j 卜一第一次上升沿来时定时器计数值；j 2 一第二此上升沿来时定时器计数值；死腩一定时器计数脉冲周期。电流反馈信号的测量采用电阻分压法，即将o 1 欧姆、5 瓦的无感精密采样电阻串接于功率电路主回路中，经过信号放大和调理电路将主回路的电流信号转换为电压信号输出给删的a 仍转换单元作为电流反馈信号，实现电流的闭环控制。( 3 ) 转速电流双闭环控制在转速电流双闭环调速系统中，电流环的一个重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，即能否抑制超调是设计电流环首先要考虑的问题，所以一般电流环多设计为i 型系统，电流调节器的设计应以此为限定条件，本系统中采用p i 型电流调节。至于转速环，稳态无静差是最根本的要求，所以转速环通常设计为i 型系统。在双闭环调速系统中，逆变装置滞后时间常数和电流滤波时间常数一般都比电枢回路电磁时间常数小很多，可将前两者近似为一个惯性环节。这样，经过小惯性环节的近似处理后，电流环的控制对象是一个双惯性环节，要将其设计成典型型系统。同理，经过小惯性环节的近似处理后，转速环的被控对象如下式：( 5 ) 2 赢g - 5 )如前所述，转速环应设计成i i 型系统，所以转速调节器也设计成p i 型调节器。速度环作为外环，决定了伺服系统的快速性及稳态性能，为了获得优良的性1 6西北工业大学硕十学位论文第二章系统总体方案能，速度环采用积分分离p i 控制算法。在普遍p i 控制中引入积分环节的目的，主要是为了消除静差，提高系统控制精度。但在过程的启动、结束或大幅度增减设定时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成p i 运算的积分积累，致使控制量超过执行机构可能允许的最大动作范围对应的极限控制量，引起系统较大的超调，甚至引起系统较大的振荡，这在伺服系统中是绝对不允许的。积分分离控制的基本思路是：当被控量与设定值偏差较大时，取消积分作用，以免由于积分作用使系统的稳定性降低，超调增大；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以便消除静差，提供控制精度。其具体实现步骤如下：( 1 ) 根据实际情况设定阀值s o ：( 2 ) 设偏差为e 棚- 他i ，当i 研w ( 七) i 占，采用p 控制，可以避免较大的超调，同时使得系统有较快的响应速度；( 3 ) 当偏差i 们o ，( 七) 3 2 位1 4 4 脚的a j t m 7 t d m 【- s 微控制器。 1 6 k b 静态r a m 。 2 5 6 k b 片内f i a s h 程序存储器。1 2 8 位宽度接口，加速器实现高达6 0 m h z的操作频率外部8 位、1 6 位、3 2 位总线。通过外部存储器接口可将存储器配置成4 组，每组的容量高达1 6 m b 。4 路1 0 位a 仍转换器，转换时间低至2 4 4 m 8 。2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路输出) 、实时时钟和看门狗。多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、高速p c 接口( 4 0 0k b i 如) 和1 个s p i 接口。通过片内p l l 可实现最大为6 0 z 的c p u 操作频率。向量中断控制器、可配置优先级和向量地址。多达1 1 2 个通用口( 可承受5 v 电压) ，1 2 个独立外部中断引脚。片内晶振频率范围：l 3 0 姗z 。 2 个低功耗模式：空闲和掉电。通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。 可通过个别使射禁止外部功能来优化功耗。 双电源：c p u 操作电压范围：1 6 5 1 9 5v ；口操作电压范围：3 o 3 6v 。1 9 西北工业大学硕士学位论文第三章控制系统设计与实现本系统中，l p c 2 2 1 4 是整个系统的核心，一方面要负责接收数字温度传感器的温度信号，与d s l 8 2 0 进行实时的通信，并且将所测得的温度值通过液晶显示；另一方面，将温度的变化p 和温度的变化率血通过模糊推理的过程，变为电机风速的控制信号，通过l p c 2 2 1 4 自带的3 个捕获口c a p 3 o 3 1 3 2 捕获电机的换相信息，控制p w m 的占空比，从而控制电机的转速，实现变温的目的。同时如果当有键按下或者复位信号产生，通过中断方式实现程序的跳转。3 2 2 电源系统系统电源为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础，具有极其重要的地位，但却往往被忽略。设计电源的过程实质使一个权衡的过程，必须考虑如下因素：输出的电压、电流和功率，输入的电压，安全应速，输出波纹，电磁兼容和电磁干扰，体积限制，功耗限制及成本限制。分析本系统需求如下：控制系统使用的l p c 2 2 1 4 芯片，需要4 组电源输入：数字3 3 v 、数字1 8 v 、模拟3 3 v 、模拟1 8 v 。理想情况下，电源系统需要提供4 组独立的电源：两组3 3 v 电源和两组1 8 v 电源，它们需要单点接地或者大面积接地。本系统中使用的a d 功能对电流进行采样，要求不高，所以模拟电源和数字电源可以不分开供电。数字温度传感器d s l 8 2 0 可以使用单线寄生电源，可以直接挂入l p c 2 2 1 4的i ，o 口进行温度采集，所以不需