车载冰箱变频调速系统设计和实现论文.pdf

a thesis submitted in partial of fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering the design and application of frequency conversion control system for car refrigerator candidate : wu zhaochun major : microelectronics and solid state electronics supervisor: prof. hao yongde huazhong university of science if (vctemp = vsamplitude cmuchamplitude) = 0) vctemp = 1; if (vsspeedcrnt vsspeedtrgt) /*实际转速比预定值低*/ if (vsspeedcrnt-vsspeedtrgt) (vsspeedtrgt cmuchspeeddif) ) vsamplitude = vsamplitude - vctemp; else vsamplitude = vsamplitude - 1; if (vsamplitude camplimax) vsamplitude = camplimax; else /*实际转速值比预定值高*/ if (vsspeedtrgt-vsspeedcrnt) (vsspeedtrgt cmuchspeeddif) ) vsamplitude = vsamplitude + vctemp; else vsamplitude = vsamplitude + 1; if (vsamplitude 6; ad 转换的精度从下图电压输入量与 ad 转换结果之间的关系30可知： 图 5.3 电压输入量与 ad 转换结果之间的关系 当参考电压为 5v 时，ad 转换可以识别的最小电压为 4.8mv。 50 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 5.2.2 按键开关与按键开关与 led 显示的软件显示的软件实现实现 在本课题中，led 数码管显示的程序相对较为简单，采用的是扫描显示，即在 一个死循环中，不断扫描 led 接口端是否存在高电平，然后控制三极管的基极电压 来决定此时应该点亮的是十位还是各位数字。而在按键开关设置上就需要考虑到消 抖措施。同样，我们在软件设置上仍然采用扫描的方式，判断与按键相连的单片机 引脚端的电平是否为高。按下按键，引脚呈高电平，在放开按键的过程中，可能产 生抖动，这里采用了延迟语句来实现消抖，即按下按键后，单片机延迟一段时间， 这段时间内触发的高电平不认为是有效按键信号，这与实际是相符的。有关程序如 下： while(1) if (p21in = 1) unsigned int k; k=1000; while(k-) ; while(!(p21in) ) ; if(temp=0) +temp; display(temp) ; display(temp) ; display(temp) ; i2c_write(0x00,temp) ; delay10ms() ; temp = i2c_read(0x00) ; else display(temp) ; k=1000; while(-k) ; 51 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 else if (p22in = 1) unsigned int k; k=1000; while(k-) ; while(!(p22in) ) ; if(temp=1) -temp; display(temp) ; display(temp) ; display(temp) ; i2c_write(0x00,temp) ; delay10ms() ; temp = i2c_read(0x00) ; else display(temp) ; k=1000; while(-k) ; else display(rh) 其中含变量 k 的 while 语句是为延时语句，即用来消除抖动影响。系统根据按键 信号对温度设定值进行增减，如无按键信号，则显示 a/d 转换得到的实际温度值。 温度设定值发生改变后，都将被立即存入外接存储器，以保证单片机掉电后数据不 丢失，这个数值就作为下次开机的默认设定温度。 5.2.3 数据存储和串口通信软件实现数据存储和串口通信软件实现 本课题用 atmel 公司生产的 24c01eeprom 作为外部储存器。由于该储存器 采用的是 i2c 总线结构，即有 sda(数据线) 和 scl(时钟线) 两跟线来控制数据的写 入与读出，因此它对时序有严格的要求。它的总线规则具体有：仅当总线不忙时， 52 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 数据传送才能开始；数据传送期间，无论何时时钟线为高，sda 必须保持稳定。当 scl 为高时，sda 的变化将认为是传送的开始或停止；当 sda 和 scl 保持高时， 代表总线不忙；当 scl 为高，sda 由高到低的变化代表开始数据传送；当 scl 为 高，sda 由低到高的变化代表终止数据传送；在开始条件以后，scl 高电平周期期 间，当 sda 稳定时，sda 的状态表示数据有效。在 scl 低电平周期期间，sda 上 的数据必须改变，每位数据需要一个时钟脉冲；每次数据的传送在开始条件下启动， 在停止条件下结束，在开始和停止条件之间传送的数据字节由主器件决定，并且在 理论上是无限制的；在接受到每一个字节后，当寻址时，每一接收器件必须产生一 个确认位，主器件必须产生一个与此确认位相关的额外时钟脉冲。下图 5.444为 at24c01 数据传输时序。 图 5.4 at24c01 数据传输时序 其中 data stable 表示在 scl 高电平期间，sda 必须保持稳定；data change 表示在 scl 低电平期间，sda 必须改变。 其有关程序如下： unsigned char i2c_receive8bit(void) char bitcounter; unsigned char databuf,lastbyte; sdao=1; for(bitcounter=0,databuf=0;bitcounter8;bitcounter+) scl=0; iicdelay5us() ; 53 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 scl=1; iicdelay5us() ; databuf*=2; databuf+=sdai; scl=0; if (lastbyte=ctrue) sdao=1; else sdao=0; iicdelay5us() ; scl=1; iicdelay5us() ; scl=0; sdao=0; iicdelay5us() ; return(databuf) ; 此程序是单片机接收从 at24c01 发送过来的数据的子程序。 其中 iicdelay5us() ; 代表延时 5s，这是因为，无论 sda 还是 scl，当它们处于一种状态时，需要保证 此状态能被单片机识别，所以需要有一定的电平维持时间。for 循环语句表示此时传 送的是 8 位的数据格式。将接受到的数据 databuf 返回到另一个函数中进行处理。 在串口通信中， 使用的是异步串行通信(asynchronous serial interface， uart) 接 口。将 tmp88ch40 芯片与 tmp86c807 芯片的串行数据发送端(txd) 和串行数据 接收端(rxd) 交叉相连，通过程序即可实现两者的通信。两个芯片中的 uart 具有 如下一些特点：全双工异步串行接口，可同时发送接收数据；标准的不归零制格式， 1 位起始位，8 位或 9 位数据位，1 位或 2 位停止位；可程控为无校验位的 8 位数据 格式和带奇校验或偶校验的 9 位数据格式；可以选择多种常用波特率，波特率可选 范围大；具有独立的发送接收允许位；具有独立的发送接收中断向量。在 uart 中 对用户开放的特殊功能寄存器有控制寄存器(uartcra、uartcrb) ，状态寄存器 54 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 (uartsr) ，以及接收数据缓冲器(rdbuf) ，发送数据缓冲器(tdbuf) 。在控制 寄存器中，本课题将数据格式设为 1 位起始位，8 位数据格式，1 位停止位，波特率 选择的是 9600bit/s。程序部分包括端口初始化、系统初始化、串口初始化、发送单 字节子程序、接收中断服务程序等。软件是采用查询发送和中断接收的方法。这样 做比都用查询方式的串口通信效率高。其有关程序如下： void send_char(unsigned char ch) while(uartsr if(uartsr while(uartsr 这是一个单字节发送子程序， 其中第一个 while 语句是用来判断是否有数据存入 了 tdbuf，如果没有则等待，第二个 while 语句则是保证 tdbuf 中的数据已经发 送成功，如果没有发送出去，则等待，一直到发送出去。 5.3 本章小结本章小结 本章主要分析了电机驱动和温度控制的各软件的具体实现，列举了相关程序并 做了简要说明。 55 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 6 实验结果分析实验结果分析 本课题经过理论和控制系统研究制成了控制模块， 电机驱动模块以 tmp88ph40 为控制核心，温度反馈控制模块以 tmp86c807 为控制核心，结合外围硬件电路，解 决了电机驱动和温度控制问题，实现了电机的启动、位置检测和速度调节，并实现 了温度的模糊控制策略。 实验目的主要是设计用于车载冰箱的变频调速系统，分为电机驱动模块和温度 反馈控制模块。实验中，电机驱动模块供电为 12v 直流电，温度反馈控制模块供电 5v 直流电。电动机为车载冰箱用无位置传感器直流无刷电动机，转速范围为 2000 3500 转/分,磁极对数为 2,电机处于空载状态,示波器为 tektronix 公司的 tds1002。 6.1 转转子位置检测信号波形分析子位置检测信号波形分析 图 6.1 相电压反电动势检测波形与位置信号检测波形 以相端电压波形检测为例，相端电压直接经由电阻组成电压分配器按比例缩小， 产生一个输出端电压反电动势检测信号。 如图 6.1 所示， 电动机相端电压反电动势检测 波形和位置信号检测波形。1 路为相电压的反电势检测波形，2 路为位置检测电路输出 的位置信号数字波形。 从图 6.1 中所示波形， 本文可以判定系统检测到相端电压反电动 56 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 势波形信号后，通过位置检测电路处理，转化为 mcu 可识别的数字信号，并且准确地 反应电动机转子所在位置。图 6.2 为图 6.1 中选取的一个周期中放大后的一段波形。 图 6.2 一个周期内的相电压反电动势检测波形与位置信号检测波形 由图 6.1 和图 6.2，本文可以得出以下结论：变频调速控制系统很好的实现了转 子位置检测功能。 6.2 电动机驱动电压波形相位分析电动机驱动电压波形相位分析 u、v、w 为电动机输入的驱动波的输入端。由图 6.3 可知，电动机三相输入为 梯形波，并且两两相位差为 120 。这表明控制系统给出正确次序的驱动波形。 图 6.3 u 和 v 相的输入驱动波形 57 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 6.3 at24c01 数据读写波形数据读写波形 单片机 tmp86c807 通过与 at24c01 相连，将温度预设值存储到 eeprom 中， 并在按键动作时将所存储的数据调出来，供进一步处理。下图为外部储存器与单片 机通信时的波形。其中 1 通道为 sda 数据线，2 通道为 scl 时钟线。 图 6.4 at24c01 与 tmp86c807 通信波形 6.4 直流无刷电动机变频调速波形分析直流无刷电动机变频调速波形分析 电动机是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值(即占空比) 来控制 电机转速波形的。由于实验条件所限，本文无法测到电动机实际转速。通过电动机 驱动波形本文可以间接出转速的变化。为观察到占空比的变化，调整示波器的采样 频率，采集了一个周期的局部波形，实验效果如图 6.5 所示。 图 6.5 不同转速下电机的驱动波形 58 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 从图中可以看出，所测相电压波形幅值为 48 v，通过 mcu 程序中 pwm 调制， 电动机的输入端电压波形占空比由 60逐渐增大到 80，电机转速随之上升，调速 效果明显。 通过实验波形，验证本文提出的相端电压反电动势检测法的正确性。证明了整 个控制系统的合理性，该系统实现了电动机的正常启动和调速运行。 6.5 模糊控制仿真结果模糊控制仿真结果 图 6.6为对文中设计的模糊控制器用 matlab 模糊控制工具箱进行仿真后的结果， 横坐标为时间，单位为分，纵坐标为温度，初始温度为 0，设定温度为1.5。 从图中可以看出，控制器很好地抑制了温度的波动，温度波动0.5，达到了很好 的控制效果。 图 6.6 模糊控制器仿真结果 6.6 本本章小结章小结 本章通过对实验和仿真结果的分析，实现了电机的驱动和调速，实现了温度的 精确控制，达到了将温差波动抑制在 0.5范围内的目标。 59 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 7 总结与展望总结与展望 论文讨论了车载冰箱压缩机的无刷直流电机(bldcm) 无位置传感器控制技术 和模糊控制理论，并将其应用到温度控制中。设计了基于微控制芯片 tmp88ph40 的电机驱动系统和以 tmp86c807 芯片为核心的温度反馈控制系统， 并通过系统测试 和仿真验证了方案的有效性和可行性。 在分析、综合以往的研究成果的基础上，本文针对无位置传感器无刷直流电动 机控制的若干关键技术讨论了基于 tmp88ph40 芯片的电机驱动模块和基于 tmp86c807 芯片的温度反馈控制模块，采用模糊控制技术进行温度控制。论文优化 了电机驱动模块和温度反馈控制模块的相关硬件和软件，设计了用于温度控制的模 糊控制器，最后得到如下结论： (1) 对按键设置、led 显示等子程序进行了优化，使程序运行更稳定，效率更高。 (2) 基于模糊控制相关理论，采用较为高效的模糊控制方式，实现了温度的精确 控制，从仿真结果可以看出，温度波动0.5。 (3) 在实验板的基础上，对硬件进行了修改，添加了续流二极管、制动电阻等保 护环节，制成了变频调速系统的硬件样品，并通过实验验证了文中相关方案的正确 性与可行性。 该系统的无负载损耗电流为 0.1 a， 压缩机空载最小运行电流约为 0.4 a。 实验证明，该变频调速系统能够实现无位置传感器直流无刷电动机平稳的起动， 正确切换至自同步运行，能够驱动电机平稳运行；采用模糊控制方式，系统能自动 根据外界温度的变化和变化趋势以及相关的温度控制规则进行温度控制。 由于时间有限，尚有些问题未能解决。对温度的控制效果是用 matlab 模糊控制 工具箱进行仿真进行验证，相关的控制规则也是根据仿真结果进行调整的，尚未进 行实际的带负载实验。 相信随着永磁无刷电动机转子位置检测技术及相关技术的进一步发展，电力电 子技术的发展，会使得永磁直流无刷电动机进一步向全数字化方向发展。 60 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 致致 谢谢 当我落下论文的最后一笔，回首近两年的求学生涯，感慨良多，没有众多良师 益友对我研究生学习生活的帮助，我就不会在这紧凑的两年时间里能按时完成我的 毕业论文。 首先我最感谢的是我的导师郝永德教授，郝老师学识渊博、治学严谨、儒雅、 谦逊，不但教给我学问，更引导着我做人。郝老师平常工作特别繁忙，晚上总是连 吃饭的时间都没有，每次看到郝老师略显疲惫的眼神，我都为他的精神打动。在论 文的选题、撰写过程中，我得到了郝老师的精心指导和许多启发，使我的论文能够 按时而又有质量的完成。在此谨向郝永德教授表示我最诚挚的感谢。同时，希望郝 老师永远身体健康。 感谢宋皎皎高工对我的实验的大力支持和协助。此外，宋老师还特别关心我们 的生活，而且经常交我们做人的道理，这让我非常受益。 感谢周东祥教授、龚树萍教授、吕文中教授、姜胜林教授、张道礼教授、黎步 银教授、曾亦可教授、胡作启副教授、汪小红讲师在做学问、做人上给我的帮助。 感谢熊炫师兄在这两年多的时间来给我的帮助和鼓励。 感谢雷浩硕士生、任静硕士生、谢斌硕士生、许小龙硕士生和张俊凡硕士生在 课题中给予我的帮助和支持。感谢温琳硕士生、杨高洁硕士生、高进硕士生、刘俨 硕士生给予我的帮助。 感谢我的父亲、母亲以及所有亲人和朋友，他们在我身上寄予的殷切期望，常 让我不敢有所懈怠。 最后，我仅以此篇论文报答你们的无私奉献。再次感谢在研究生生涯中，给予 我帮助的人。 61 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 参考文献参考文献 1 邸敏艳. 变频技术在家用电器中的应用. 河北农机, 2001(3) : 27 2 唐晨辉. 变频技术及其应用. 江西科技师范学院学报, 2002(3) : 57-59 3 成剑, 周德馨. 何谓“直流变频”. 江西科技师范学院学报, 2000(6) : 9-10 4 申小海, 宁欣, 张立华. 变频调速技术及其应用. 河南职业技术师范学院学报, 2004, 32(3) : 134, 140 5 张燕宾. 变频调速应用实践. 北京: 机械工业出版社, 2002. 3-4 6 李兰. 变频技术的发展和普及前景. 现代技能开发, 2002(5) : 58-59 7 林钢. 模糊控制及其在家用电器中的应用. 北京: 机械工业出版社, 2006. 1, 18-73 8 陆嘉韵. 模糊家电新品迭出. 电子科技, 2000(15) : 44 9 肖健华, 经顺林. 模糊控制在家电产品中的应用与展望. 五邑大学学报(自然科 学版) , 2001, 15(2) : 18-23 10 吴金友, 李艳丽， 范蟠果. 无刷直流电机控制系统在电动自行车上的应用. 电机 与控制, 2008, 35(1) : 63-65 11 陶可妍，闫英敏. 基于 matlab 无刷直流电机伺服系统的仿真. 微计算机信息, 2007(28) : 214-216 12 周宏坤, 俞诚民. 浅谈直流变频空调器的工作原理. 电机电器技术, 2000(1) : 25-28 13 huang qingxin, liang hui. dsp control system of brushless dc motor without position sensor. electrical machines and systems, 2005, 1(9) : 371-375 14 kuang-yao cheng, ying-yu tzou. design of a sensorless commutation ic for bldc motors， ieee trans. power electron, 2003, 18(11) : 1365-1375 15 zhigan wu, jin wang, jianping ying et al. sensorless brushless dc motor drive for air-conditioner compressor. electrical machines and systems，2001, 2(8) : 968-971 16 王宏伟, 梁晖无位置传感器无刷直流电机的 dsp 控制电力电子技术, 2005, 62 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 39(6) : 102-119 17 冈田隆夫, 大西和夫, 仁田旦三等. 电机学. 洪纯一. 北京: 科学出版社, 2003. 87 18 史琴, 庄圣贤, 董行健. 基于dsp的异步电机vvvf调速系统仿真与实现研究. 微电机, 2007, 40(4)