（电机与电器专业论文）基于dsp的无刷直流电动机数字控制系统.pdf

基l d s p 的无刷直流电动机数字控制系统 a b s t r a c t t h eb r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) h a sb e e n w i d e l y u s e df o r m a n yy e a r s b e c a u s eo fi t se x c e l l e n t p e r f o r m a n c e e a s y c o n t r o la n d h i g h c o s te f f e c t i v e n e s s a n i n v e s t i g a t i o n i nh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o rt h es e n s o r l e s sc o n t r o lo v e rp e r m a n e n t b l d c m su s i n gd s pa n das e n s o r l e s sc o n t r o l s t r a t e g y o fb a c k c l e c t r o m a g n e t i c f o r c e ( b e m f ) f o rp e r m a n e n tb l d c m h a v eb e e np u tf o r w a r di nt h i sp a p e r f i r s t ，t h ed e v e l o p m e n ta n dt e n d e n c yo fa cm o t o r sa r ed e s c r i b e da th o m ea n d a b r o a di nt h i sp a p e r a nb r i e fi n t r o d u c t i o nt oc o n t r o ls t r a t e g ya n ds t r u c t u r ep r i n c i p l eo f p e r m a n e n tb l d c m s ，a sw e l l a st h es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ft m s 3 2 0 f 2 4 0 ，a r e s h o w e dt h e n a na n a l y s i sa b o u tt h ed i s a d v a n t a g ea n da d v a n t a g eo fs e n s o r l e s sc o n t r o lo v e r b l d c m sa r ef o l l o w e d b a s e do nt h a t ，ad e t a i lw a yo fs e n s o r l e s sc o n t r o li sp u tf r o w a r d b yt h ea d v e n to f t m s 3 2 0 f 2 4 0w i t ht h ed i g i t a lc o n t r o lf u n c t i o n t m s 3 2 0 f 2 4 0 d s ph a sb e e n d e s i g n e d a st h em a i nm i c r o c o n t r o l l o r d u r i n g h a r d w a r ed e s i g n m i n i m u ms y s t e m ，w h i c hi n c l u d e sp o w e rm a n a g e m e n t ，e x p a n d e dr a m a n d r o m ，k e y b o a r d ，d i s p l a y i n g a n dd s pe t c t h ei n v e r t b r i d g e c o n s i s t so fs i x t r a n s i s t o r s ，d r i v e db ys p e e d yl i g h t s e n s i t i v ec o m p o n e n t s c i r c u i t sf o rs i g n a lc o l l e c t i o n h a v eb e e ng i v e nt om e a s u r et h es t a t o rt e r m i n a lv o l t a g ea n dc u r r e n tv a l u e t h ee n t i r e s t r u c t u r ei si n t e g r a t e dw e l l w h e nd e s i g n i n gt h es o f t w a r e ，t h em a i nt w of u n c t i o n s ，s t a r t u po ft h em o t o ra n d s p e e dc l o s e dl o o p s e n s o r l e s sc o n t r o l ，a r e c o m p l e t e u s i n gd s p ，t h e p w m s i g n a l ，t h e m e a s u r e m e n to fv o l t a g ea n dc u r r e n t s i g n a l s a n dp h a s e s h i f t i n g a r e s u c c e s s i v e l y p r e s e n t e dh e r e s o m ec o n c l u s i o n sf r o mt h i sp a p e ra r eg o t t e na sf o l l o w s ： b e c a u s et h e a b u n d a n ti n b o a r da n do u t b o a r dr e s o u r c ea n dh i g he f f i c i e n c y m a n i p u l a t i o nc a p a c i t yo ft m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p , t h es o f t w a r ef i l t e r i su s e di n s t e a do ft h e a d d i t i o n a lh a r d w a r ef i l t e rw h i l em e a s u r i n gt h ev o l t a g et h ez e r o - c r o s s i n gp o i n to f b e m fa n ds h i f t i n go f30d e g r e el a t e ra r ed e c i d e db ys o f t w a r e ，w h i c hc o n s i d e r a b l y s i m p l i f yt h eh a r d w a r es t r u c t u r e st h a tw e r em a d eu p o f c o m p l e xc i r c u i t si no l dd a y s t h es e n s o r l e s sc o n t r o lw i t hb e m f i s s i m p l yb u tv e r s a t i l e ，b u tt h e r ea r es o m e d i s a d v a n t a g e s o m ea d v a n c e sa r eg i v e nt o a v o i dt h ep r o b l e m sb r o u g h tb yt h eb e m f m e a s l l r e m e n t 硕十学位论文 t a k ea d v a n t a g eo ft h eh i g h s p e e dc a l c u l a t i o nc a p a b i l i t yo fd s p w i t h 。u ta n y a d d i t i o n a l s p e e d m e a s u r i n gc i r c u i t ，c a l c u l a t i n gt h er u n n i n gs p e e d ，t h e n m o d u l a t i n g p w m c a bb ee a s i l ym a d et oc o n t r o lt h cs p e e do f t h em o t o r k e y w o r d s ：d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o s s o r i n g ) ；b l d c m ( b r u s h l e s s d i r e c tc u r r c n t m o t o r ) ；r o t o r p o s i t i o ns e n s o r ；b e m f ( b a c k b a c k e l e c t r o m a g n e t i c f o r c e ) 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特i i ；i h 以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要页献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声l 刿的法律后果 由本人承担。 作者繇瓤鞠嗍州峰嘲7 口 学位论文版权使用授权书 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，同意学 校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，允许沦文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名 导师签 哭讶 f a # j ：州年岁月7 日 a 期：一眸哕月7 a 颁十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 由于无刷直流电动机( b l d c m ) 具有良好的性能、控制方便和高的性价比 等优点，所以直得到很广泛的应用。随着大功率丌关器件、集成电路及高性能 的磁性材料的出现和进一步的发展，采用电子换楣原理工作的无刷直流电动机得 到了长足的发展与应用。无刷直流- 电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可 靠和维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗及调 速性能好等诸多优点，在当今国民经济备个领域的应用同益普及。 而我们常说的b l d c m 是带有位置传感器，因为它需要使用位置传感器检测 转予磁场位置信号，以控制定子绕组的通电时间长短及顺序，从而实现电机的目 同步运行。但是，随着无刷直流电动机应用领域的拓宽，它也被应用到一些没有 位置传感器的场合，得到了更广泛的关注。因为对于用户直接位置传感器增加了 系统的成本，同时传感器与电机的机械连接及传感器和控制器的电气连接使系统 的可靠性降低，主要体现在以下四个方面： 1 1 位覆传感器带来过多的信号线，使连线变得复杂而且容易出错： 2 ) 在高温、冷冻和有腐蚀性的环境中，位置传感器可靠性降低，甚至无法工 作： 3 1 位置传感器的安装位置直接影响电机的运行性能； 4 1 有位置传感器毫无疑问会增加无刷电机系统的成本，降低市场竞争力。 综上所述，略去无刷电动机的位置传感器而用其它方法检测转子的位置，是 一项具有实际意义的工作，能进一步扩大无刷直流电动机的应用领域和生产规模。 无位置检测是指利用电机的某些参数是转子位置的函数关系来状得转子位置 信息的方法。无位置检测技术与直接位置检测技术相比有如下的特点： 1 ) 机械结构简单，可以降低成本： 2 ) 抗环境干扰能力强，可靠性高： 3 ) 无位置检测技术的精度比直接位置检测技术略低； 4 ) 利用电动机的某些电机参数是转子位置的函数关系来获得转子位置。 因此，无刷直流电机的无位置传感器化控制技术迅速兴起，并成为今后无刷 直流电动机控制的发展趋势。 同时随着微处理器技术的发展，微处理器越来越多的用在控制系统中。许多 复杂但有效的算法越来越多的用于电机控制中。但是近代许多无刷直流电动机在 基 + d s p 的无刷直流电动机数字控制系统 应用时往往需要精确的速度控制，尤其在高速运行场合，对信号反馈控制灵敏度 的要求更为严格。传统的微处理器如5 1 、9 6 系列在实现对其的控制时，由于本身 指令功能不强，乘除法所用周期过多，外围电路数据转换速度慢，使无刷直流电 机的性能得不到充分的发挥。美国t i 公司专门为电机的数字化控制设计的1 6 位 定点d s p 控制器t m s 3 2 0 x 2 4 0 集d s p 的信号高速处理能力及适用于电机控制的 优化的外围电路于一体，可以为高性能传动控制提供可靠高效的信号处理与控制 硬件。 本章首先就永磁无刷南流电动机的发展作简要的叙述，然后围绕永磁无刷直 流电动机的控制策略分别进行了简单的介绍，确定本文的研究内容方向为永磁无 刷直流电动机的无位置传感器的控制。最后对论文的结构及各章节所做的主要工 作作了相对简要的说明。 1 2 永磁无刷直流电动机的发展 、 电动机作为一种高效、可靠、方便的机械动力源，在现代工农业生产中占有 重要的地位，有着非常广泛的应用范围。直流电动机具有良好的动、静态性能指 标及优良的调速性能。但是直流电动机由于具有机械式换向器和电刷，从而给应 用带来了一系列的限制。因此，人们一直在寻求以交流电动机取代具有机械式换 向器和电刷的直流电动机，以满足各种应用领域的需要。但由于运行机理上的特 点，决定了三相交流电动机是一个强耦合、多变量、非线性时变的复杂系统，它 的可控性较差。因此在。段较长的时间里，交流传动系统无论在控制性能与成本、 复杂性、可靠性方面都和直流传动系统有一定的差距。 随着电力电子技术、微电子技术和电机控制理论的迅速发展，交流调速与伺 服系统取得了巨大的进步，各个方面的指标都有了很大的提高，交流电机固有的 优疑特性又得到了充分的发挥。交流传动系统正在迅速取代传统的直流传动系统”。 在交流系统中应用的电动机主要有感应电动机和永磁同步型电动机两种，其 中永磁同步型电动机按工作原理不同。可分为正弦波反电势的永磁同步电动机 ( p m s m ) 和梯形波反电势的无刷直流电动机( b l d c m ) ，由于工作原理的不同，使得它 们的驱动电流与控制方式也不一样。 采用矢量控制的异步电动机，已可获得接近直流调速系统的机械特性和宽的 调速范围，存在的主要缺点是控制较为复杂，且对电机参数有较强的依赖性：采 用p w m 控制的永磁同步型电动机的外特性完全可以与直流电动机等效，且与感应 电机相比，体积小、重量轻、效率高、控制相对简单，且不存在励磁损耗问题， 因此在高性能应用领域，永磁同步电动机显示了更多的优势。 和正弦波电流激励的永磁同步电动机( p m s m ) 相比，梯形波无刷直流电动机 硕士学位论文 ( b l d c m ) 虽然存在着转矩脉动问题，但其优越性表现在： 在快速性方面，无届0 直流电动机的转子是由永磁材料构成的磁极体，电枢绕 组在定子上，因而转子外径相对较小，转子转动惯量因而也较小：在转矩方面， 有直流电动机才能达到大的起动转矩和最大转矩，而无刷直流电动机具有直流电 机的特性，从而起动转矩和最大转矩都较大。因此无刷直流电动机可以实现快速 的起、停、加速和减速。 在可控性方面，直流电动机的输出转矩和绕组流过的电流成线性关系，直流 电动机的起动转矩又大，因此可控性很好、很方便。无刷直流电动机的输出特性 和一般有刷的直流电动机很相似，只要简单的改变电动机的输入电压的大小就可 以实现在很大的范围内进行无极调速。 在可靠性方面，因为其免除了电刷和换向器，所以也就是消除了故障的主要 根源，无刷直流电机的转子上由于没有电的损耗，又由于主磁场是恒定的，因此 铁损也是极小的( 在方波电流驱动时，电枢磁势在轴线上是脉动的，会在转予铁 心内产生一定的铁损) 。总的来说除了轴承旋转产生的摩擦损耗外，转子方面的损 耗很小。 不需要p m s m 中的绝对位置编码器，功率密度高，输出转矩更大，控制结构更 为简单。能使电机与逆变器的潜力得到更充分的发挥。因此，永磁无刷直流电动 机的应用和研究受到广泛的重视。 2 0 世纪八十年代以来，随着新型稀土永磁材料的不断开发、应用，无刷直流 电动机系统的造价更低，性能更为优越，现在已经广泛应用于工厂自动化、办公 自动化、机器人、电动汽车、航空航天、家用电器、军工等领域。因此对无刷直 流电动机系统的深入研究是极其必蒙的，具有重大的应用价值。 近年来，随着自动化技术的发展，实际应用对无刷直流电动机提出了更高的 要求。将电动机、编码器、功率放大器、电源、可编程控制器、网络管理器等功 能模块组合在一起，形成一个整体，研制所谓的智能无刷直流电动机是无刷直流 电动机的一个发展方向。它将电机技术、电机的控制技术与电子技术相结合，从 而给应用带来一系列优点：可靠性大大提高；降低成本，减少体积：系统性能提 高，给全数字控制带来更大的方便。 1 3 永磁无刷直流电动机的控制策略简介 由于永磁无刷直流电动机具有独特的结构，其工作原理及相应的控制策略也 与p m s m 、感应电动机等交流伺服电机有所不同【2 0 】1 2 1 1 2 2 【2 3 2 ”，下面将对永磁无刷 直流电动机的控制策略作简要介绍。 b l d c m 的矢量控制 基td s p 的无刷直流电动机数字控制系统 所谓矢量控制，就是对某一被控量同时实行方向控制和幅度控制。具体到永 磁无刷直流电机，也就是对定子电流实行矢量控制，以获得与直流电机同样的调 速性能。由于无刷直流电机的励磁磁场与电枢磁通之间空间角度不是固定的，而 是随负载变化而变化，这将引起磁场间复杂的作用关系，因此不能简单的通过调 节电枢电流来直接控制电磁转矩。在b l d c m 中，输入定子的三相电流为方波， 为产生平滑的电磁转矩，要求反电势为梯形波，且二者在相位上，t 格同步。对 b l d c m 的矢量控制主要就是对这种同步性的控制。也就是说，在f 常情况下， 要求电枢感应磁场与永磁体励磁磁场正交，以保证方波电流与梯形波反电势的严 格同步。只有在这种同步的基础上，通过调节定子电流来直接控制电磁转矩。 滑模变结构控制 近年来，滑模变结构控制在伺服系统控制领域展示了良好的前景。滑模变 结构控制是变结构控n ( v s c ) 的一种控制策略，与常规控制的根本区别在于控制 的不连续性，即使系统结构不断变化的开关特性，可以迫使系统在定条件二f 沿 规定的状态轨迹作小幅度、高频率的运动，即滑动模态或“滑模”运动。这种滑 动模态是可以设计的，且与系统参数及扰动无关，因此处于滑模运动的系统具有 很好的鲁棒性。 滑模变结构控制的主要问题是“抖动”，即非线性引起的自振( a u t o o s c i l l a t i o n ) 。针对这一情况，一些学者提出了改进方法，例如：趋近率滑模变结 构控制、采用自调速切换线或切换线分段的滑模变结构控制、连续滑模变结构控 制、变结构+ 前馈补偿控制等等。这些方法在一定程度上削弱了“抖动”问题， 提高了系统的稳态精度。将滑模变结构控制与智能控制方法相接合，是这研究 领域有前途的研究方向之一。 智能控制 智能控制是控制理论发展的高级阶段，智能控制系统具有自学习、自适应、 自组织等功能，能够解决模型不确定性问题、非线性控制问题以及其它较复杂的 问题。严格来说，b l d c m 是个多变量、非线性、强耦合的对象，因此利用智 能控制可以取得满意的控制效果。目前，己有许多较为成熟的智能控制方法应用 于无刷直流电动机控制，例如：模糊控制和p i d 控制相结合的f u z z y p i d 控制、 模糊控制和神经网络相结合的复合控制、隶属度参数遗传算法优化的模糊控制、+ 单神经元自适应控制等等。 无传感器控制 由于无刷直流电动机在运行时，需要采用位置传感器检测转子磁场位置信号， 以控制逆变器中功率管的换流，从而实现电机的自同步运行。传统的位置传感器 是采用电子式或机电式传感器件直接测量，如霍尔效应器件( h e d ) 、光学编码器、 硕七学位论文 旋转变压器等。然而，这些传感器有以下缺点：分辨率低或运行特性不好，有 的对环境条件很敏感，如振动、潮湿和温度变化都会使性能下降。增加了电气 连接数目，给抗干扰设计带来一定困难。占用电机结构空间，限制了电机的小 型化。因此，无刷直流电机的无位置传感器化控制技术迅速兴起，并成为今后无 刷直流电动机控制的发展趋势一i4 1 w 。 近年来，国内外研究人员对无刷赢流电动机的无传感器控制的研究引起了极 大的兴趣，并已有许多实用方案，将在第四章作详细介绍。本论文的f 是围绕实 现无刷直流电动机的无位置传感器控制研究的情况下完成的。 1 4 本文的主要内容 本课题以永磁无刷直流电动机为被控对象，以t m s 3 2 0 f 2 4 0 一1 6 位定点d s p 芯 片为核心微处理器，采用鉴1 ：反电势法的无位置传感器控制方案，研究与玎发了 无刷直流电机数字控制系统的硬、软件设计。 一 首先应该指出的是，该论文的工作是基于师兄的研究基础上进行的。他借助 t m s 3 2 0 c 2 4 xe v m 板，完成了无刷直流电动机的简单起动到讵确运转。我所做的 工作是对他工作的进一步完善及补充。在硬件方面，我主要研究和完成了芯片选 取及基于t m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p 的数字控制电路板的制作工作；在软件方面，完善了无 刷直流电动机的起动部分和无刷直流电机的调速部分，并增加了电机停转、键盘 显示等方面的软件的编程。 论文的第二章，简要介绍了无刷直流电机的结构原理及发展方向。第三章对 t m s 3 2 0 f 2 4 0 的结构特点进行了分析论证了选取它作为无刷直流电动机的控制器 的正确性。 本论文设计和研制了一种基于t m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p 的无刷直流电动机的控制器。 第四章对无刷直流电动机的数字控制系统作了一个整体的设计方案分析。第五章 对系统的硬件组成进行了详细的分析和设计。第六章分析确定了系统软件的实现， 对相应算法思想进行了深入的探讨。接下来，本文对所作的工作进行了总结，并 研究和探讨了d s p 在实际应用中所存在的问题及后续工作的重点。 基丁d s p 的无刷直流电动机数字控制系统 第2 章无刷直流电机的结构原理及发展方向 2 1 引言 普通直流电机在使用中宵其显著特点，优良的控制性能和调速性能一直是它 得到广泛应用的主要原因。但是，它也存在较多的缺点：结构复杂、换相器及电 刷易损坏、维护维修困难、体积大等。目前，无刷直流电机正在得到越来越多的 推广应用，它由电子换相器取代了普通直流电机电刷和换相器的机械换相，而且 拥有普通直流电机的控制性能和调速性能，没有了由于机械换相带来的诸多限制。 因此，无刷直流电机b l d c m ( b r u s h l e s sd c m o t o r ) 可以用于多种用途或用于性能要 求较高的伺服系统。 本文所研究的无刷直流l ：乜机是不带无位置传感器的。小管无删直流电机有无 位置传感器，它都必须获得转子位置信号，以实现电机的同步，只是实现的途径 不同而己。因此，本章首先阐述无刷直流电机的工作原理，接下来分析和建立了 无刷直流电动机的数学模型。 2 2 无刷直流电动机的工作原理及数字模型的建立 2 2 1b l d c m 的工作原理 本课题选用永磁无刷直流电动机作为执行元件，它一般由下列几个部分组 成：电机本体( 包括带电枢绕组的定予和永磁转子) 、位置传感器和电子换向线路”“。 无刷直流电动机的电机本体在结构上与永磁同步电动机相似。电动机转子的 永久磁钢与永磁有刷直流电动机中所使用的永久磁钢的作用相似，均是在电动机 的气隙中建立足够的磁场，其不同之处在于有刷寓流电动机的磁钢装在定子上， 电枢绕组安装在转子上。这与有刷直流永磁电动机的结构刚好相反，无刷直流电 动机中永久磁钢装在转子上，电枢绕组安装在定子上。无刷直流电动机的定予绕 组一般制成多相( 三相、四相、五相不等) ，转子出永久磁钢按一定极对数( 2 p ：2 ， 4 ，) 组成。图2 1 中的电动机本体为三相两极。 位置传感器跟踪转子与电动机转轴联接，随转子一起转动，用于获取转子位 置信号。最早的位置传感器是磁电式的，既笨重又复杂，已被取代：现在磁敏式 的霍尔位置传感器广泛应用于无刷直流电机中。但位最传感器的存在，增加了无 刷直流电动机的重量和结构尺寸，不利于电机的小型化；旋转时传感器难免有磨 损，且不宜维护：同时，传感器的安装精度和灵敏度直接影响电机的运行性能； 另一方面，由于传输线太多，容易引入干扰信号：出于是硬件采集信号，更降低 硕士学位论文 了系统的可靠性。为了适应无刷赢流电机的迸一步发展，无位置传感器应运而生， 它一般利用电枢绕组的感应反电动势来问接获得转子磁极的位置，大大地简化了 电动机的本体结构。 无刷直流电动机电子换向线路是用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序 和时间的，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。 功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定逻辑关系分 配给无刷直流电动机定子上各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。而各 相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的转子位胃信号。但位置传 感器所产生的信号一般不能直接用来控制功率逻辑行关单元，往往需要经过一定 逻辑处理( 功率放大) 后才能去控制逻辑开关单元。借助反映转子位置的位置信 号，通过驱动电路，驱动逆变r h 路的功率开关元件，使 乜枢绕组依“定顺序馈1 电， 从而在气隙中产生步进式旋转磁场，拖动永磁转子旋转。随着转子的转动，转子 位置信号依一定规律变化，从而改变电枢绕组的通电状态，实现无刷直流电动机 的机电能量转换。三相定子绕组分别与电子抉向线路中相应的功率_ 丌关器件联接， 在图2 1 中u 相、v 相、w 相绕组分别与两两功率开关管的中间支路相接。 这种电动机本身结构简单紧凑、体积小、重量轻、无机械换向。它不仅保持 了直流电动机优良的调速性能和机械特性，而且避免了直流电机由于机械换向 带来的一系列问题。概括来说，无刷直流电动机具有以下特点：高功率密度、长 度短、重量轻、转子惯性小、抗退磁性高、转矩的温度稳定性高、电流转矩的线 性度大。 本系统采用的电机为三相六极永磁无刷直流电动机，其定子绕组的反电势为 平顶宽为1 2 0 。的梯形波。下面对本系统采用的两相导通三相六拍运行方式的无刷 直流电动机的工作进行具体的分析。 对于三相永磁无刷直流电动机，转予于定子转过一对极距的角度，即电角度 为3 6 0 。的一个电气周期内，可以均分为六个区间，对应三相绕组的六种导通状念。 本系统采用三相y 型接法，三相绕组有个公共点，三相绕组u 、v 、w 与兰相 逆变桥的连接方式如图2 i 所示。 绕组导通，正转时的通电顺序如下：u v 、u w 、v w 、v u 、w u 、w v ( 产生 正转力矩) ，如果要产生反转力矩则以反序通电。这样在任意一个状态中仅有两个 绕组导通，一相绕组f 向导通，一相绕组反向导通，而另一相绕组对应的功率器 件上下桥臂均不会导通。任一相绕组，在一个电气周期内，有1 2 0 。难导通，然后 6 0 。不导通，再有1 2 0 。反向导通，最后是6 0 0 不导通。 基丁d s p 的无刷直流电动机数字控制系统 e l m q 呻1 ri l i v l t “1 1 b i d c m s - l 水c l r 图2 1 永磁无刷直流电动机基本控制系统 图2 2 所示为无刷直流电动机运行时三相绕组相电流的理想波形，这是占空 比为1 3 的矩形波。绕组电流每换相次定子磁动势便向前步迸6 0 。，图2 3 中l 、 29 两状态的定予磁动势波形由于定、转予磁动势之间存在着相位差o ，这样就电 磁转矩t 便产生了。 t = k m r m s s i n 0 ( 2 1 ) 其中m 、眠分别代表转子、定子磁动势的峰值，k 为比例系数。转子总是绕 着能使。减小的方向运动，一直延续到下一次开关管开关瞬间，即转子从0 为1 2 0 。 一直运动到0 为6 0 。，然后定子电流换相，定予绕组的磁动势向前步进6 0 。，结果 0 又变为1 2 0 。，接着转子又朝0 减小的方向运动，如此反复，就产生了连续的旋 转运动 开关动作的完成是由位簧检测信号产生的一种逻辑来控制的，这种逻辑信号 总是保证定子绕组磁动势领先转子磁动势的开关顺序( 电动运行状态) ，刹车过程 就相反。 2 2 2b l d c m 的四象限工作过程 由图2 4 所示的转速一转矩图中，可以明显地看到四种工作方式：一、三象限 为正反两方向的电动运行方式，二、四象限为j 下反两方向的回馈制动方式( 斜线表 示动态刹车的过程) 。 ( 1 ) 电动运行时( 如图2 1 所示) ，电流从电源经通过逆变桥中的两个i g b t 流 向电机相应的两相绕组，所有的二极管都是关闭的，只有在换相开始瞬间，除了 相应的两个i g b t 导通外，还决定了上、下桥臂相应的一个二极管导通，以便第 三相绕组的能量能得到释放。 8 硕士学位论文 3 妒6 0 9 2 旷l 霉扩2 4 矿3 。3 6 0 0 l ： i l。 iu ， 一l 7 t ! lii钆 i i j 图2 2 理想电动机相电流波形图2 3 电动机定转予磁动势波形 ( 2 ) 在制动状态时( 回馈制动和动态刹车) ，只有上下桥臀相应的两个二极管导 通，所有的i g b t 将关闭，电机绕组反电势产生的能量通过二极管回馈给电源。 刹车行为是通过产生一个与电机旋转方向相反的转矩来实现的。 t a = e 。( t ) i 。( t ) u( 2 2 ) 其中：e 。一电机绕组反电势；i 。一电机绕组电流；u 一转予角速度。这意味着刹 车时电枢绕组旱的电流方向。在以上工作过程的分析中，总结了开关管的工作情 况，于是在任一已知的很小的时间段犟，便可知道各开关管的导通情况。 i ，z j 、2 、 i 、 - 3 4 l 图2 4 无刷直流电动机的转速一转矩图 下面进一步讨论无刷直流电动机的力矩产生原理。以一相绕组正向导通的范 围内产生的力矩为例。当电机恒速运转，电流指令为一恒值的情况下，控制电路 基于d s p 的无刷直流电动机数字控制系统 强迫该相电流为某一恒值。电机设计时使每一相绕组的反电动势波形为有平坦顼 部的梯形波，其平顶宽度也尽叮能接近1 2 0 。，根据转子位置传感器的信号，可以 使该相电流导通部分和梯形波反电势的平顶部分在相位上完全重合，如图2 5 所 示。这样，在1 2 0 。范围内，该相电流产生的电磁功率和电磁力矩均为恒值，由于 每相绕组正向导通和反向导通的对称性，以及三相绕组的对称性，吲此总的l 乜磁 力矩为恒值，与转角位置无关。但实际上，出于每相的反电动势梯形波平顶部分 的宽度很难达到l2 0 0 ，平顶部分也不可能做到平坦无纹波，加h 齿稽效应的存在 和换相过渡区的不理想等原因，力矩波动不可能为零。 降旷 兰 = f 喜导兰 i 1 + p f ! ；! 冬 1 + f 兰 。， 式中：u 。，u 。，u 。分别为a ，b ，c 三相绕组相电压，单位为( v ) 。 i 。i 。，i 。分别为a ，b ，c 三相绕组相电流，单位为( a ) 。 r 。，r 。，r 。分别为a ，b ，c 三相绕组相电阻，单位为( q ) 。 e 。e 。，e 。分别为a ，b ，c 三相绕组相反电势，单位为( v ) 。 l 。h ，l 。分别为a ，b ，c 三相绕组自感，单位为( h ) 。 l 。l 。l l 。，l 。，l 。分别为a b ，a c ，b a ，b c ，c a ，c b 相互感，单位为 1 0 - 硕十学位论文 ( h ) 。 。：知 圣 = 臣；1 i 刁+ p 妻兰薹翻+ f l i 。， 耋 = ii ； i + p m 专m 工兰m f i + 兰1 电磁转矩方程可以用如下方程表示 m 。= 丝丝生丝 国 式中u 为电动机的机械角速度。 电动机的运动方程为： d ( m e m 1 一b 、p d tj 式中：m l 为负载转女b ( n m ) b 为粘滞阻尼系数 j 为转子及负载的转动惯量 根据上面的讨论，可以得到电动机的等效电路如图2 6 所示。 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 基- fd s p 的无刷直流电动机数字控制系统 一j 扎之h 一三 片_ | 一 、。一 y y y 、 ? 多一一 一k 各j 圈2 , 6 无刷直流电动机模型等效电路 1 2 硕+ ! 学位论文 3 1 引言 第3 章微处理器t m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p 概述 t m s 3 2 0 家庭包括定点、浮点、多处理器的数字信号处理器( d s p s ) f f 1 定点d s p 控制器。t m s 3 2 0d s p s 有一个专门为实时信号处理设计的结构。t m s 3 2 0 c 2 4 0 d s p t 2 4 1 【2 5 1 是t i 公司专门为电机控制设计的第一个标准器件，它确定了单片数字电 机控制器的标准。本章首先对d s p 发展及应用作了详细的介绍，接下了刈 t m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p 的结构和功能特点进行了简要的介绍，并对系统中所涉及的主 要功能模块进行了详细介绍，从中可以看出作为新一代电机数字化控制的 t m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p 芯片在电机和运动控制方面比通用微处理器具有更全面、更高 速、更有效的控制能力。 3 2d s p 的发展及应用 世界上第一个单片d s p 芯片应当是1 9 7 8 年a m i 公司发布的$ 2 8 1 1 ，1 9 7 9 年 美国i n t e l 公司发布的商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的一个主要单程碑。这两 种芯片内部都没有现代d s p 芯片所必须有的单周期乘法器。1 9 8 0 年，日本n e c 公司推出的p d 7 7 2 0 是第一个具有乘法器的商用d s p 芯片。在这之后，最成功 的d s p 芯片为美国德州仪器公司( t e x e si n s t r u m e n t s ，简称t i ) 的一系列产品。 自1 9 8 0 年以来，d s p 芯片得到了突飞猛进的发展，d s p 芯片的应用越来越 广泛。从运算速度来看，m a c ( 一次乘法加一次加法) 时间已经从2 0 世纪8 0 年代 初的4 0 0 n s ( o ht m $ 3 2 0 1 0 ) 降低到1 0 n s 以下( 如t m s 3 2 0 c 5 4 x 、t m s 3 2 0 c 6 2 x 6 7 x 等) ，处理能力提高了几十倍。d s p 芯片内部关键的乘法器部件从1 9 8 0 年的占模 片区f d i ea r e a ) 的4 0 左右下降到5 以下，片内r a m 数量增加一个数量级以上。 从制造工艺来看，1 9 8 0 来采用4um 的n 沟道m o s ( n m o s ) 工艺，而现在则普遍 采用亚微米( m i c r o n ) c m o s 工艺。d s p 芯片的引脚数量从1 9 8 0 年的晟多6 4 个增 加到现在的2 0 0 个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加，如外部存 储器的扩展和处理器问的通信等。 基_ rd s p 的无刷直流电动机数字控制系统 图3 1t i 数字信号处理器的发展过程 此外，d s p 芯片的发展使d s p 系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度 的下降。图3 1 是t i 公司数字信号处理器的发展过程。 表3 1 是t i 公司d s p ：吝片1 9 8 2 年、1 9 9 2 年和1 9 9 9 年的比较表。 年贽1 9 哎堆l q 年1 9 9 9 印 制盗t ；! =4 u r an m o s0 s 曲c m o so j u r ac m o s m l 陈5 m l p s4 0 m l p s l o o m i p s m h z2 0 m h z8 0 m h z i m h = 内昂r a mi ：；：l k 宰3 2 k r - 内滞r o mi 5 k 毕4 l c 毕1 6 k 半 价惭l l 如c 0$ 1 5 m瓴0 0 $ 2 5 0 0 功牦2 ，o 鼬w 肿i 掩l25 m w ，m i p s0 _ 4 5 m w , m i i 陈 兜j 莲i 体蒋段5 0 k，k 表3 1t i 公司d s p 芯片发展比较表( 典型值) 目前t i 公司是全球最大的d s p 芯片供应商，其d s p 市场份额占全世界份额 近5 0 ，国内达7 0 以上。t i 公司从8 2 年开始一直从事d s p 芯片的丌发，现有 产品几十种，其常用的d s p 芯片归纳为三大系列，即：t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列( 包括 t m s 3 2 0 c 2 x c 2 x x ) 、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x c 5 5 x ) 、 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列( t m s 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x ) 。 d s p 芯片的高速发展，一方面得益子集成电路技术的发展，另一方面也得益 于巨大的市场。在近2 0 年的时间里，d s p 芯片已经在信号处理、通信、雷达等 坝e 学位论文 许多领域得到广泛的应用。目前，d s p 芯片的价格越来越低，性能价格比f 益提 高，具有巨大的应用潜力。d s p 芯片的应用主要有： ( 1 ) 信号处理一如数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算、谱 分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等； ( 2 ) 通信一如润制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵消、 多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、可视电话等： ( 3 ) 语音一如语音编码、语音合成、语音以别、语音增强、 兑话人辨认、说 话人确认、语音邮件、语音存储等； ( 4 ) 图形图像一如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、动画、 机器人视觉等； ( 5 ) 军事一如保密通信、雷达处理、声纳处理、导航、导弹制导等； ( 6 ) 仪器仪表如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等： ( 7 ) 自动控制一如引擎控制、声控、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等； ( 8 ) 医疗一如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等： ( 9 ) 家用电器一如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数字电 话电视等。 随着d s p 芯片性能价格比的不断提高，可以预d s p 芯片将会在更多的领域 内得到更为广泛的应用。 3 3t m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p 的特点与结构 3 3 1t m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p 的主要特点 t m s 3 2 0 f 2 4 0 是t i 公司近年来推出的面向新一代数字电机控制( d m c ) 的1 6 位定点型数字信号处理器。它具有高速信号处理和数字控制所必需的体系结构特 点，而且有为电机控制应用提供单片解决方案所必需的外围设备【2 6 i 2 9 1 【】。1 1 3 i i ( 32 1 。作 为一个系统的管理者，d s p 必须具有强大的片内i o 端口和其它外围设备。f 2 4 0 的事件管理器与其它任何d s p 均不同，这个应用优化的外围设备单元与高性能的 d s p 内核一起，使所有类型电机的高精度、高效、全变速控制中使用先进的控制 技术成为可能。作为一个系统的管理者，d s p 必须具有强大的片内i o 端口和其 他外围设备。c 2 4 0 的事件管理器与其他任何d s p 均不同，这个应用优化的外围 设备单元与高性能的d s p 内核一起，使在所有类型电枫的高精度、高效、全变速 控制中使用先进的控制技术成为可能。事件管理器中包括一些专用的脉宽调制 ( p w m ) 发生函数，例如：一个可编程的死区函数和一个用于三相电机的空间向是 p w m 状态机，它们可以在功率三极管开关过程中提供最大效率。三个独立的双 向定时器，每一个都有单独的比较寄存器，可以用来支持产生不对称的p w m 波 基于d s p 的无刷直流电动机数字控制系统 形。四个捕获输入中的两个可直接连接来自光学编码器的难交编码脉冲信号。 t m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p 的主要特点概括如一卜： ( 1 ) t m $ 3 2 0 f 2 4 0 核心c p u 3 2 位的中央算术逻辑单元( c a l u ) 3 2 位加法器 1 6 位x 1 6 位并行乘法器，3 2 位乘积 3 个定标移位寄存器 8 个1 6 位辅助寄存器，带有一个专用的算术单元，用来作数据存储器 的间接寻址 ( 2 ) 存储器 片内5 4 4 字x 1 6 位的双端口数据程序r a m 1 6 k 字x 1 6 位的片内p r o m 或闪速e e p r o m 2 2 4 k 字x 1 6 位的最大可寻址存储器空间( 6 4 k 字的程序空间，6 4 k 字 的数据空间，6 4 k 字的i 0 空间和