无刷直流电机伺服控制系统的研究与设计

1、机电一体化技术无刷直流电机伺服控制系统的研究与设计邱向荣,陈炽坤(华南理工大学,广东广州510640Research and Design of Brushless DC Motor Servo Cont rol SystemQIU Xiang rong ,CHEN Chi kun(South China University of Technology ,Guangzhou 510640,China 摘要:介绍了一种基于DSP 的无刷直流电机伺服控制系统,简述了实现该控制系统的软件和硬件设计方案及控制策略。实验证明,系统高速范围宽,控制性能好,该方案是行之有效的。关键词:无刷直流电机;DSP

2、 ;伺服控制系统中图分类号:TP391.73文献标识码:A文章编号:10012257(200508002802收稿日期:20050401Abstract :This paper p resent s bushless DC mo 2tor servocont rol system based on DSP ,t hen makes a brief about control st rategy and design scheme of software and hardware t hat realizes t his cont rol system.It is p roved by expe

3、riment t hat system has wide high speed range and good cont rol property ,so it is effective.K ey w ords :BLDCM ;DSP ;servocont rol system0引言无刷直流电机具有简单的电压和电流关系式,控制算法和功率放大器都比较简单,同时具有运行效率高和调速性能好等诸多优点。此外,借助于霍尔元件实现换相的无刷直流电机又避免了直流电机因电刷而引起的各种缺陷。其机械特性和调节特性线性度好,高速范围宽,寿命长,维护方便,可靠性高,噪声较小,不存在换向火花,不会产生对无线电信号的干扰

4、。因此,在高性能、高精度伺服控制系统领域,无刷直流电机具有广泛的应用前景。1控制原理无刷直流电机的本体是一个永磁同步电机,定子三相绕组通过交流方波,转子为永磁体。励磁由转子的永磁体提供,定子的三相绕组中的交流电产生旋转磁场。电枢磁势和转子磁势共同作用产生电磁转矩。其运行原理是在一个具有恒定磁通密度分布的磁极下,保证电枢绕组中通过的电流总量恒定,以产生恒定转矩,而且转矩只与电枢电流的大小有关。由于转子的气隙磁通为梯型波,由电机学原理可知,电枢的感应电动势亦为梯形波,大小与转子磁通和转速成正比。BLDC 电机三相电枢绕组的每相电流为120通电型的交流方波,反电动势为120梯形波。只要控制好逆变器各

5、桥臂功率器件的开关时刻就能满足上述要求。 BLDC 三相绕组主回路基本类型有三相半控和三相全控2种。在此采用三相全控式电路,如图1所示。图1三相全控式电路2控制系统软硬件设计2.1硬件结构设计设计采用基于DSP 的伺服控制系统。系统所采用的TMS320L F240x 芯片包含有32K 的Flash EEPROM ,把具有低成本、高性能处理能力的C2XL P 内核CPU 的增强型体系结构设计,与适合于电机控制应用的先进外围设备结合在一起,从而82机械与电子2005(8最适合于数字电机控制应用1。DSP 芯片根据系统外设输入的模拟和数字信号,通过运算处理得出电机所需输出的转矩。DSP 通过调节PW

6、M 波形占空比来达到对电机输出转矩控制的目的。其控制电路如图2所示。在设计过程 图2硬件电路 中,应考虑对输入信号进行采样与滤波,以抑制某一频率防止干扰信号,使得DSP 能接收到精确的输入指令信号。同时,由于电机在运转过程中会使得电路出现过流、过压和欠压等故障,而导致电路中元器件的损坏。这时,一些保护措施是必不可少的。电路中速度、位置和电流反馈提高的控制过程精度,是实现直流无刷电机高精度控制的必要环节。根据无刷直流电机控制原理,功率放大驱动环节采用IR2130三相全控桥功率芯片,经过处理后PWM 信号通过DSP 的PWM 输出端,PWM 1,PWM 2,PWM 3,PWM 4,PWM 5,PW

7、M 6到IR2130,从而驱动无刷直流电机。电流反馈环节采用电阻作为电流传感器,将其安放在电源对地端,实现电流反馈。电流反馈输出经滤波放大电路连接到DSP 的ADC 输入端AD 2CIN00,在每一个PWM 周期都对电流进行1次采样,以速度(PWM 占空比进行控制。位置检测环节采用3个霍尔传感器。每1个霍尔传感器都产生180脉宽的输出信号。3个霍尔传感器的输出信号互差120相位差。在每个机械转中共有6个上升或下降沿,正好对应无刷直流电机的6个换相时刻。通过DSP 中CA P 1/IPOA 1,CA P 2/IPOA 2,CA P 3/IPOA 3输入,触发DSP 捕捉中断功能从而获得这6个时刻

8、。2.2控制方案直流无刷电机的反电动势大小可表示为如下等式2:E =2N l rB 力矩等式可表示为2:T =(12i 2d L d -(12B 2d R d +(4NB rl i 式中N每相线圈圈数l 转子的长度r 转子内半径B 转子的磁场密度电机的角速度i 相电流L 相电感转子位置R 相电阻力矩表达式中前2项是寄生的磁阻转矩因子,第3项产生相互转矩,此转矩产生直流无刷电机的有效转矩。由上述关系式确定直流无刷电机的控制方案,如图3所示。图3控制原理在控制方案中,某一时刻,电机的三相中只有两相通过电流,从而产生力矩,在反电动势过零点则不产生力矩。这种控制结构具有只需1个电流传感器,使用低成本的

9、分流电阻,且每一时刻只需要控制一个电流的优点。控制方案有3个控制环路:最内部的1个环路获得转子的位置从而正确进行换相;第2个控制环路调节定子磁场的大小,定子磁场的大小正比于流过定子线圈的电流,控制定子线圈的电流即可控制定子磁场的大小;最外部的环路是速度控制环路。2.3控制系统的软件结构整个控制系统软件由主程序和中断服务子程序所组成。主程序主要完成事件管理系统的初始化、变量的初始化以及IR2130器件的初始化。中断程序主要包括捕获中断、ADC 转换结束的中断等几个部分。捕获中断、ADC 转换中断的流程如图4所示。92机械与电子2005(8 图4程序流程3结束语基于DSP 的无刷直流电机控制系统的

10、软硬件设计方案和控制策略,满足了对直流无刷电机的输出转矩和转速控制,实践证明,以TMS320L F240x 芯片为核心的控制系统能实时、有效地控制电机的运转。参考文献:1刘和平,等.TMS320L F240XDSP 结构、原理及应用M .北京:北京航空航天大学出版社,2002.2Texas Instruments Inc.DSP solutions for BLDC motorZ.Literature Number :BPRA057,1997.作者简介:邱向荣(1976-,男,福建漳州人,华南理工大学机械工程学院硕士研究生,研究方向为机械设计及理论。基于MCS51单片机的功率闭环控制单元的设计

11、李代金,党建军,罗凯,赵彩科(西北工业大学,陕西西安,710072Design of Power Clo sed Loop Control U nit Based on MCS 51Microcont rollerL I Dai jin ,DANG Jianjun ,L U O K ai ,ZHAO C aike(Northwestern Polytechnical University ,Xi an 710072,China 摘要:介绍一种由MCS51单片机构成的功率闭环控制单元。对功率控制系统的工作原理、控制系统硬件设计、系统控制软件及中断处理软件设计进行了详细介绍。数字试验台试验证明该系

12、统具有良好的实用性和可靠性。关键词:功率闭环控制;水下热动力推进系统;MCS51单片机8032中图分类号:TP273文献标识码:A文章编号:10012257(200508003003收稿日期:20050330Abstract :A power clo sed loop cont rol unit u 2sing MCS51microcont roller is developed in t his pa 2per.This paper elaborates on t he system principle ,cont rolling system ,which include t he hardware and software design.The dependability and practicabili 2ty of t he hydraulic testbed was proved by test.K ey w ords :power closed loop cont rol ;under 2water heat engine propeller system ;MCS51micro 2cont roller 80320引言目前对于水下热动力系统的控制方式多属于开环形式,仅使用压力调节阀或流量调节阀对于航深进行补偿1,已不能