基于DSP及轴角数字转换器的直流无刷电机控制系统设计_图文_

1、吨札再控制应用，（）控制与应用技术基于及轴角数字转换器的直流无刷电机控制系统设计郭前岗，崔兵兵（陕西科技大学，陕西西安）摘要：设计了一种基于数字信号处理器（）及轴角数字转换器的高精度直流无刷电机（）控制系统，实现了电机转子位置的精确定位，同时为电机换相提供了准确的位置参考。整个系统集成度高、控制灵活、稳定性好。试验结果表明，该系统运行良好。关键词：直流无刷电机；数字信号处理器；轴角数字转换器中图分类号：文献标识码：文章编号：（）一醌增，（，）：（）（），曲：；引言芯片构成的伺服控制系统。直流无刷电机（）是随着电机控制技控制系统结构术、电力电子技术和微电子技术的发展而出现的以芯片为核心构成的一种

2、新型电机。它的最大特点就是以电子换相器控制模块旧。采用脉宽调制（）调整替代了机械式换相器。既克服了一般直逆变单元的功率开关，以实现各个绕组的流电机由于机械换相带来的缺点，又保持了一般导通与关断状态以及控制电机转子的位置和转直流电机调速方便的优点，因而获得广泛应速。的转子角位置信号通过旋转变压器测得。轴角数字转换器（用。传统的的控制电路，多采用单片机控制，由于受运算速度的限制，难以实现，简为）接口电路将旋转变压器角度位置信号变换成数字信号，。经过电平转换后送入许多复杂的算法。芯片作为闭环控制系统的反世纪年代以来，数字信号处理器馈信号。控制系统结构如图所示。（）技术有了很大的发展，芯片的性能不断提

3、高，应用领域越来越广泛。与传统的微处理系统硬件配置器相比，它能够提供更好的性能价格比，以及更高伺服控制模块由、旋转变压器、智能的运算速度和运算能力。本文介绍了利用高速功率开关模块、接口电路、控制器等单一控制与应用技术嗍强咿零刮扣滩皇剑亘垂耋垂蛩一匿垂垂亘重丑一一无矗鋈机图控制系统原理图元组成。控制器的硬件组成原理框图如图所示。到盖智能功率模块晤钢摧翻型羽直流无刷电机。一旋转变压器图控制系统硬件框图直流电机及功率开关电路本项目所用的为两相导通三相六状态工作方式，电机的三个绕组是型接法，共需要个可控功率开关。其示意图如图所示。卜涟麓臻图电枢电流与母线电压检测电路图中，他，为功率开关，由电机控制器输

4、出控制电机的转子位置、速度以及换相。智能功率输出模块选用公司出产的型模块。该模块内部集成有个的门极驱动功率管，以及每个功率管所对应的续流二极管、智能驱动、温度监测、欠压及过流保护。该模块采用高速型、低导一一迫札与柱制应用，（）通压降绝缘栅双极晶体管（），驱动电路紧贴芯片，驱动延时小、开关速度快、功耗小，且其内部具有快速过流保护和良好过热保护功能；此外，由于优化的门级驱动与集成，使布局更加合理，无外部驱动线，因而体积小、抗干扰能力强。供电电源电压及电枢电流检测模块为了动态控制的需要，分别在电机各绕组以及直流母线上加入霍尔电流传感器测量其电流；在直流母线两端加入霍尔电压传感器，对供电电源质量进行监

5、控。其结构如图所示。电机起动后，传感器检测电路所测量得到的电压信号经片内位转换得到电枢电流及供电电压的大小；再由程序控制输出正确的控制方波，经驱动电路控制相应功率开关的通断，控制电机正确运行。旋转变压器与接口电路在对伺服电机的控制过程中，位置反馈信号通过正余弦旋转变压器测得。旋转变压器由一个定子线圈和两个转子线圈组成，是测量旋转角度的位置传感器。其结构原理如图所示。在定子线圈加上交流电压，转子线圈中由于交链磁通的变化产生感应电压。感应电压和励磁电压之间相关联的耦合系数随转子的转角而改变。因此，根据测得的输出电压，就可以知道转子转角的大小口。（）昆喙啄岖兀）厂两锰正（兀）图旋转变压器的结构原理在

6、本方案中选用的轴角数字转换芯片为公司出产的。是一个集成的电路，通过对外部器件参数的选择和分辨率（、或位）的调整，使其尽可能地满足系统功能要求；其比例跟踪转换模式有效的抑制了参考输入和信号输入上的谐波干扰；通过外部器件的选择还可以调整系统工作带宽、跟踪速度迫札与粒幸应田（）以及速度转换因子，进而确定系统的动态特性。为了得到更精确的转子位置信号，本方案选择的控制与应用技术控制软件可分为接口层、实时中断层等。是最大的位分辨率。电路每。（即转子旋转一圈）产生个数据。电路输接口层包括：接口串行通信；接口用于电流电压检测；接口用于产生逆变器功率开关的开通时序（定时器产生周期）；定时器用于产生电流、位置的出

7、数据与角度的对应关系为：凡（。）×。电路输出数据用于计算转子角由于输出的数字信号为的度、速度和作为电机换相的位置参考。采样周期；定时器，用于测量电机转子位置。实时中断层包括定时器眩实时中断、转换中断。在定时器他实时中断程序中，进行软件换相、电流与转速数字调节等。他实时中断程序的流程图如图（）所示。转换中断实现电流电压检测。其程序流程图如图（）所电平，所以的输出信号必须经过电平转换后才能送人。芯片外围电路参数的设计可参考的数据手册。控制系统软件设计图（）为系统软件的主程序流程图。整个示。通过转换后得到的当前相电流和母线电流的值，进行电流环调节。每经过设定次数的控制系统软件由主程序和中断

8、服务子程序组成。主程序完成初始化系统、系统参数设置、初始化中断子程序及等待中断等。电流环调节，再进行一次速度和位置调节，以保证系统按要求运行口。电流调节是通过调节载频为的时器中断程序磊焘忑（垒！里主堑保护现场。广二保护现场启动转换计算当前电流与设定电流的误差进行电流环调节限幅设定占空比恢复现场退出中断程序（）主程序流程图（）定时器中断子程序转换完二正保护数据匿噩面堡墨翌垫（退出中断程翩一图系统软件流程图信号的脉冲宽度（即占空比）来实现的。的占空比可通过以下方法进行调节：卜调节器的增益。一，。删一一×如果。，贝。如果。，则。试验结果采用上述硬件电路及控制方案进行了试验研究。试验选用的的

9、额定参数如下：。；。在频率为其中，设定的参考相电流；。实测相电流；。需要调节的电流误差；。一定时器的定时周期；，电机稳态运行时，试验波形如图所示。输出到功率管的波形如图（）所示。试验表明，系统工作性能良好。（下转第页）一】一电札再宜刮应用，（）运行与保护眦障时特征值差异的相对值均超过，因此，能，够实现较正确的故障诊断。（）：唐晓初小波分析及其应用重庆：重庆大学出结语版社，采用小波包提取故障特征信号，利用各频段马秀红，曹继平，董晟飞小波分析及其应用的能量变化分析异步电动机故障，是一种切实可微机发展，（）：，印行的方法。为了完善电机故障诊断，接下来的工作是：在提取不同信号波形的基础上建立诊断网，实

10、现故障的综合诊断，使诊断结果更加精确，珀，智能化。：张俊，刘永长，黄强基于小波分析的柴油机故障【参考文献】信号特征的提取小型内燃机与摩托车，汤红诚，李著信小波变换在故障诊断中应用（）：仪器仪表学报，（）：口蒋建东，蔡泽祥电动机故障诊断的网方法，继电器，（）：收稿日期：（上接第页）现。选用旋转变压器作为转子的位置传感器，以轴角数字转换器（）为旋转变压器的解码芯片，实现了转子位置的精确定位，同时为电机换相提供了准确的位置参考。采用功率模块简化了硬件电路设计，同时也大大提高了系统可靠性。通过试验表明，本系统的运行效果比较满意。【参考文献】张琛无刷直流电动机原理与应用版北京：机械工业出版社，心苏奎峰，

11、吕强，耿庆锋，等原理与开发北京：电子工业出版社，口姜燕平旋转变压器原理及其应用电气时代，（）：图试验波形 邹向阳，陈家斌，王宏瑞定位定向导航系统轴角数字转换的设计火力与指挥控制，结语（）：随张晓红，丁吉占基于的方波无刷直流电动机本系统以为控制平台。其（）控制系统的设计矿山机械，高速运算能力和丰富的片上外设使得复杂的控制（）：斟算法及快速的电压电流采样和实时运算得以实收稿日期： 基于DSP及轴角数字转换器的直流无刷电机控制系统设计作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期：引用次数：郭前岗， 崔兵兵， GUO Qian-Gang， CUI Bing-Bing陕西科技大学,陕西,西安,710021

12、电机与控制应用ELECTRIC MACHINES & CONTROL APPLICATION2008，35(11次参考文献(5条1. 张琛 无刷直流电动机原理与应用 20032. 苏奎峰. 吕强. 耿庆锋 TMS320F2812原理与开发 20053. 姜燕平 旋转变压器原理及其应用期刊论文-电气时代 2005(104. 邹向阳. 陈家斌. 王宏瑞 定位定向导航系统轴角数字转换的设计期刊论文-火力与指挥控制 2005(035. 张晓红. 丁喆 基于DSP的方波无刷直流电动机(BLDCM控制系统的设计期刊论文-矿山机械 2005(11相似文献(10条1.学位论文 王廷奇 基于DSP技术的

13、直流无刷电机控制系统的研究 2007直流无刷电机是功率半导体和永磁材料一体化的新型电机，它既具有直流电机优良的调速性能，又具有交流电机结构简单、易于控制、运行效率高、运行可靠、维护方便等一系列优点。目前，在工业控制领域尤其在调速和伺服领域中得到了越来越广泛的应用。 本文论述了基于DSF技术的直流无刷电机控制系统的设计原理和设计过程。首先，论文分析了直流无刷电机控制系统基本构成、工作原理，建立了直流无刷电机的数学模型。分析了直流无刷电机的换相过程和PWM信号的分配情况。其次，结合本系统的特点设计了自整定模糊-PID控制器，建立了基于自整定模糊-PID控制器的直流无刷电机的控制系统仿真模型。进行起

14、动、运行、突加负载、突减负载等过程的仿真研究，得到了系统在自整定模糊-PID控制器作用下的转速、转矩、电流、反电动势波形曲线，并对其进行了分析。同时对系统在自整定模糊-PID与普通PID两种情况下的转速曲线进行了对比分析。仿真结果验证了该控制系统的可行性。最后，对系统进行了软、硬件的设计。硬件部分先做了整体设计的论述，详细论述了DSP接口电路、功率驱动电路、三相逆变电路、逻辑控制电路及保护电路等几个主要电路的设计，并且对电路的(EML电磁干扰情况进行了分析，给出了解决电磁干扰的方法。软件部分也首先论述了整体设计，给出了主流程图，对启动模块、中断模块、位置检测模块、换相控制模块、转速调节模块、电

15、流调节模块等主要模块的编程思想和具体实施手段进行了说明。最后对软件进行了可靠性设计。2.期刊论文 王海峰. 江汉红. 陈少昌. WANG Hai-feng. JIANG Han-hong. CHEN Shao-chang 直流无刷电机系统的最佳控制器设计 -电机与控制应用2005,32(7将适应性基因演算法搜寻最佳化的模糊滑动控制模式参数,应用于直流无刷电机系统,以期达到位置控制的目的.由于传统计算机仿真的最佳控制器通常经手调才能应用于实际系统,为此用数字信号处理器建立计算机与无刷电动机之间的数据传输机构,根据实际响应来进行最佳控制器的设计,实现了最佳控制参数的搜寻.3.学位论文 谭成 基于D

16、SP工业缝纫机运行控制研究 2007通过控制直流无刷电机完成工业缝纫机相关性能，使服装生产半自动化或全自动化，这有利于提高生产效率。本文利用智能控制器对直流无刷电机进行转速、电流双闭环控制，完成工业缝纫机稳速功能；利用改进型固定力矩调预置位移法进行制动停机，实现精确停机位置。这两个重要功能的实现为进一步研究提供了重要基础。本文在以前研究成功基础上，做了如下研究和探讨：首先分析了直流无刷电机与其他电机的异同，指出直流无刷电机具有惯量小、启动快、寿命长等特点。文章进一步指出三相六状态控制模式是直流无刷电机的主要运行模式。依据不同绕组接法和导通模式，本文对直流无刷电机的运行特点进行了分析。结合实际，

17、本课题采用了三相星型接法、二二导通模式。其次本文建立直流无刷电机的数学模型，为双闭环控制奠定了基础；文章着重分析其运行机理及H/L-PWM-ON 策略，指出此种策略同属三相六状态运行模式。H/L-PWM-ON控制策略在不增加开关损耗的基础上，具有换相时转矩脉动小、能量反馈迅速、停机速度快的特点。为进一步减小换相转矩脉动，文章在H/L-PWM-ON基础上嵌入延迟换相策略。实验验证了延迟换相策略能减小换相转矩脉动的正确性。再次本文在数学模型和数学计算的基础上，通过在线调试设计一组参数，进行速度、电流PI双闭环控制，实现直流无刷电机良好的启动、跟随和抗扰动等目标。针对20 mm停机位置，此文在仔细分

18、析缝纫机制动停机过程基础上，实验采用四种方法进行制动停机。其中方法一为固定占空比调时间法，方法二为延迟换相补偿法，方法三为固定力矩调预置位移法，方法四为改进型固定力矩调预置位移法。最后得出结论：方法四实现停机目标精度。本文还简单介绍了数字控制和DSP处理器的特点。实验采用TI公司生产的T1320LF2407A芯片，此款芯片具有资源丰富、功能强大、适合控制电机的特点。文末还对全文的工作进行了总结和展望。4.期刊论文 曹宏伟. 邓泽生. 邬伟杨 DSP用于无传感器的直流无刷电机的控制 -半导体技术2001,26(5介绍了由数字信号处理器(DSPTMS320C240组成的电机控制系统的结构、特点,描述了无位置传感器的直流无刷电机(BLDC motor的控制方案和逆变器的硬件电路,给出了控制算法、软件结构和试验结果.5.学位论文 都