电气工程课程设计-无刷直流电机控制系统.doc

东 北 石 油 大 学 课 程 设 计 2012 年 7 月 18 日 课 程 电气工程课程设计 题 目 基于 TMS320F2812 的无刷直流 电机控制系统 院 系 电气信息工程学院电气工程系 专业班级 电气 学生姓名 学生学号 指导教师 东北石油大学课程设计任务书 课程 电气工程课程设计 题目 基于 TMS320F2812 的无刷直流电机控制系统 专业 电气工程及其自动化 姓名 学号 主要内容、基本要求、主要参考资料等 主要内容：设计一个电动汽车无刷直流电机控制系统。 基本要求：无刷直流电机选用的为内置位置检测传感器，控制系统核心为 TI 的 DSPTMS320F2812。无刷直流电机位置传感器获得的信号通过光耦隔离后送入 DSP。DSP 通过 SCI 接口与上位 PC 机相接，上位机控制电机转速和正反转。系统采用 闭环增量式 PID 控制，速度检测由位置检测传感器获得 参考资料： 1高翠云.李岳民.通用低频测试系统软硬件平台及可测试性研究J.北京:中国仪仪表.2007 2苏奎峰等编著.TMS320F2812 原理与开发M.北京:电子工业出版社.2005 3Texas Instruments , TMS320F281x ADC Calibration Reference Guide (Rev.A).2004 4TPS3307-18.datasheetZ,2005 5 彭超,基于 DSP 的高速数据采集系统的研究.吉林大学，2009 完成期限 2012.7.10 至 2012.7.18 指导教师 专业负责人 2012 年 7 月 9 日 目 录 1、设计简介.1 2、系统设计方案.1 3、无刷直流电机的 MATLAB 仿真.2 3.1 稳态参数的计算.2 3.2 有静差的单闭环调速系统.4 3.3 反馈控制调速系统的主要部件和稳态参数计算.6 3.4 建模仿真参数的设定.6 3.5 PID 参数设定 .7 4、 无刷直流电机控制系统硬件设计.7 4.1 DSP 模块 .7 4.2 调速技术.7 4.3 系统的软件设计.8 4.4 硬件设计电路图（见附录）.8 4.5 驱动电路.8 5、实验结果与分析.9 5.1 位置信号检测.9 5.2 MOSFET 控制信号检测 9 5.3 端电压检测.9 6、总结.10 参考文献.11 电气工程课程设计（报告） 1 1、设计简介 设计一个电动汽车无刷直流电机控制系统。 无刷直流电机选用的为内置位置检测传感器，三相八极星形绕组接线，电压 24v,功率 52w。控制系统核心为 TI 的 DSPTMS320F2812，产生 6 路 PWM 波控 制信号送入驱动模块，驱动模块由 IR 的 IR2130 芯片构成，驱动芯片接收到控制 信号后，驱动三相全桥电路，全桥电路采用集成块 FB4710。无刷直流电机位置 传感器获得的信号通过光耦隔离后送入 DSP。 DSP 通过 SCI 接口与上位 PC 机相接，上位机控制电机转速和正反转。系统 采用闭环增量式 PID 控制，速度检测由位置检测传感器获得。 2、系统设计方案 该系统设计采用三相 Y 型永磁方波无刷电机 PWM 控制方案，通电方式为两 两通电。图 1 给出控制系统原理框图。它采用全数字三闭环控制。其中，电流环 采用 PI 调节器，速度环采用遇限削弱积分的积分分离 PID 控制算法，它的输出 极性决定了正反转方向，从而可实现电机的四象限运行。位置环采用 PI 调节器。 逆变器采用全桥型 PWM 调制。 控制系统原理框图 图 2 为系统硬件结构图。无刷直流电机控制器由 DSP 模块、驱动器模块、功 率变换模块、位置传感器模块、电源模块和上位机组成。 本设计中使用 DSP 的六路 PWM 发生器和 CAP 捕获单元，选用 TI 公司的 TMS320F2812，在与上位机通信时使用 SCI 接口，驱动模块采用 IR 公司的 IR2130 高性能三相桥式驱动器。可输出 6 路驱动信号，拥有完善的保护功能， IR2130 可在不高于 600V 的电路中工作，输出的上桥臂驱动电流峰值为 250mA， 下桥臂驱 电气工程课程设计（报告） 2 图 2 系统硬件结构图 动电流峰值为 500mA。 功率变换电路采用 6 个 MOSFET 构成三相全桥电路，MOSFET 采用 IR 公司 的 N 沟道 MOSFET FB4710，其最大电压为 100v，电流 75A。电机采用的是 42BLF02,电源使用的 HH1713 双路直流稳压电源电压范围为（0V-30V） 。 3、无刷直流电机的 MATLAB 仿真 本课程设计选用 MATLAB 进行仿真模拟设计，其中 SIMULINK 电力系统工 具箱是以 SIMULINK 为运行环境，涵盖了电路、电力电子、电气系统等电工学中 常用的基本元件和系统仿真模型。他有以下的模块库组成：电源模块 Electric Source、基本元件库 Elements、电力电子模块库 Power Electronic、电机模块库 Machines、连接模块库 Connects、测量模块库 Measurements、一个附加模块库 Extra Lib。可利用以上几个模块中的元件为基础，搭建单闭环直流调速模型。 3.1 稳态参数的计算 根据已知数据计算静态参数系统为满足调速范围和静差率的要求，则必须组 成转速闭环，并设置放大器。所以闭环系统稳态参数计算主要是计算检测环节和 运算放大器的有关参数。 电气工程课程设计（报告） 3 了满足静态调速指标要求，额定负载时调速系统的稳态速降应为 min/67.16 ) 1 . 01 (10 1 . 01500 )1 ( r sD sn n nom cl 根据静态速降，计算系统的开环放 K 14.151 67.16138 . 0 32 . 0 116 1 cle nom nC RI K rV n RIU C nom anome e min/14 . 0 1500 112 . 0 116220 计算测速反馈系数 及有关参数 测速反馈电压,其中测速反馈系数 。 nomcygnomtgx nCnEU etg C 为电位器 RP2的分压系数。Cetg为测速发电机的电势系数。 从测速发电机数据可知 rV r V Cetgmin/058 . 0 min)/(1900 )(110 试取分压系数，如果测速发电机与主电动机直接传动，这样电动机最1 . 0 高转速 1500r/min 下反馈电压为 VCnU etgnomx 7 . 81 . 03058 . 0 1500 一般最大给定电压约 10V 左右，本系统选用直流稳压电源为15V，可以满 足要求，分压系数试取合适，于是测速反馈系数为 电位器 RP2的选择方法如下：考虑测速发电机输出最高电压时，其电流约为 额定值的 20%，这样，测速机电枢电压降对检测信号的线性度影响较小，于是 此时 RP2 所消耗的功率为： 53.2071 21 . 0 2 . 0 1500058 . 0 %20 2 nom nometg RP I nC R WInCP nomnometgRP 65 . 3 21 . 0 2 . 01500058 . 0 %20 2 为使电位器温度不要很高，实选瓦数应为消耗功率的一倍以上，故选 RP2 为 10W，2.2k 可调电位器。 晶闸管整流与触发装置放大系数 Ks 计算： 0.1 0.0580.0058min/ etg CVr 电气工程课程设计（报告） 4 可近似取为 33 7 230 p K 计算运算放大器的放大系数和参数 实取 Kp =12，工程上一般取 R0=20k 或 40 k，若 R0=20k 则 KRKR P 2401220 01 3.2 有静差的单闭环调速系统 以下用自动控制理论中的反馈控制原理改善系统的性能。利用此原理,需要 在电机轴上安装一测速发电机 TG,其输出电压 U 与转速成正比,把 U 作为负反馈 电压与转速给定电压 U 相比较,构成了速度负反馈调速系统如图 1 (a) 所示。 因为采用了速度负反馈,所以可以提高运行的稳态精度。根据自动控制原理,推导 出如图 1 (b) 所示的闭环调速系统的稳态结构图。其闭环特性为: n=KNKSUn/Ce(1+k)-PId/Ce(1+k)=n0-n。其中: K = Kp Kx /Ce 为闭环系统的开 环放大系数; n 为理想转速。 电气工程课程设计（报告） 5 速度负反馈闭环调速系统 如果断开反馈回路,可以得到系统的开环机械特性 n=KpKsUn/Ce-(Rid/Ce)=n0-n (2) 以下对开环特性和闭环特性进行比较: 开环 转 速 降:n=Rid/Ce, 闭 环 转 速 降:n=Rid/Ce(1+k), 二者的关系 是:n=n/(1+K), 可以看出闭环系统的特性要硬的多。 开环的静差率: s=n/n0 闭环的静差率: s =n/n0；闭环系统的静差率要小 的多。 当静差率相等时,闭环系统的调速范围也大大提高。如果取 nmax 为理想空载 转速,则开环时：D= n/n(1-s); 闭时环:D = n0s/n(1-s).当 s=s，则 D=(1+K)D 可以看出闭环系统的稳态性能要比开环系统高的多,而闭环系统有高的稳态性 能的前提是闭环系统的开环放大系数 K 要足够大。如前所提的高精度系统,要满 足 D = 20, S 5% 的要求,则转速降需要在 n = 112.4 r/min 以下,所以系统的开放 放大系数必须满足 K n/n-1=42 虽然单闭环调速系统有较好的稳态性能,但仍然存在稳态速差,其稳态速差为: n =RId/Ce(1+k) 。只有当 K = 时,才能使速差 n = 0,这是不可能实现的。所以该 调速系统称为有静差调速系统。 闭环调速系统的动态结构图 在有静差调速系统中, K 越大,系统的稳定性就越好,稳态速差也就越小。但是 K 太大时,会影响系统的动态稳动性, 图 2 是系统的动态结构图,根据动态结构图 电气工程课程设计（报告） 6 可以得到系统的传(S) : )1(1 11 )( 1 / )( 2131 KS K TT S K TTT S K TTT CKK SW smsMsm csn （3） 系统的特征方程： （4） 01 11 )( 1 2131 S K TT S K TTT S K TTT smsmsm 根据劳斯 - 吉乐维茨判断,该系统动态的稳定条件为: TT TTTT K ssm 2 1 )( 可以看出为了提高系统的稳态精度而增加开环的放大系数,有可能导致系统的 不稳定。在该调速系统中,系统的稳态精度和动态稳定性是一对矛盾。对一个自动 控制系统来说,系统的稳定性是正常工作的首要条件,必须得到保证。所以该系统 的稳态精度不会太高,这是系统面临的第一个问题。系统面临的第二个问题:直流 电机起动时,由于反馈电压 U = 0,直流电机处于全压起动状态,此时电机电流过大, 会影响安全运行。要解决这个问题,需要对系统进行改进。 3.3 反馈控制调速系统的主要部件和稳态参数计算 运算放大器：运算放大器用作比例放大器（也称比例调节器、P 调节器）时， 注意比例调节器的输出电压与输入电压成反比。其输出量能立即响应输入量的变 化。当放大器上需要综合好几个信号时,可以用并联输入的方法来实现，当和 * x U Ux的极性相反时，由于 A 电的，可得0 i 10201 * R U R U R U exxx ex U)( 0201 02 01* 01 11*1 xxxx U R R U R R U R R U R R 令，则得 p K R R 01 1 )( 02 01* xxpex U R R UKU 它的意义是：放大系数只按给定输入回路的电阻计算，其它信号则应按输 p K 入回路电阻比折合到给定回路上。 电气工程课程设计（报告） 7 晶闸管整流与触发装置：。若初步估算，即在)( CLd UfU 条件下，用两个量的设计最大值估算，即。也可估算，0, 0 0 dCL UU clm md s U U K 0 例如，当 Uct的调节范围是 010V，对应的变化范围是 0220V 时，可取 3.4 建模仿真参数的设定 电机定子相绕组电阻 R2.8750 定子相绕组自感与自感之差 L-M0.02 转动惯量 J0.005kgm2 阻尼系数 B=0.0002Nms/rad 额定转速 n1000r/min 直流电源供电电压为 220V 4、设计方案的设定 3.5 PID 参数设定 比例系数 Kp=3 积分系数 Ki=0.02 微分系数 Kd=0 4、无刷直流电机控制系统硬件设计 无刷直流电机控制中存在的转矩脉动问题，一直是影响系统性能的关键问题 之一。引起转矩脉动的因数主要有三个方面：电势、电流波形的影响，定子绕组 换流引起 的转矩脉动，以及齿槽效应引起的转矩脉动。 由于现在的 DSP 集成了大量的外设，可以更方便实现更多的功能，充分利用 数字信号处理器 DSP 的高速数字运算功能，控制策略可尝试采用其它智能策略， 诸如模糊与神经网络结合、遗传算法与模糊推理神经网络相结合的方案，实 现 系统的控制模式更加灵活多样。无位置传感器技术是当前无刷直流电机控制的趋 势。应用反电势过零点法进行 无位置传感器的控制方案，具有一定的可行性和 很大的实用性。 4.1 DSP 模块 DSP 选用 TI 公司的 TMS320F2812，采用的是合肥零零电子生产的开发板。 本设计中使用 DSP 的六路 PWM 发生器和 CAP 捕获单元，在与上位机通信时使 用 SCI 接口。 4.2 调速技术 电气工程课程设计（报告） 8 本系统通过 PWM 调速方式，通过控制开关管的 PWM 触发信号来改变占空 比，从而改变端电压 U 来实现对无刷直流电机的调速。 PWM 技术主要有两种：单极性 PWM 控制和双极性 PWM 控制。图 1 所示为 单极性 PWM 控制的控制信号，六个开关管分别在 60。电角度的区域内处于导通 状态，另一个开关管处于 PWM 状态；图 2 所示为双极性 PWM 控制的控制信号， 两个工作的开关管在每个 60。电角度区域内或者导通或者关断。 通常情况下，为了减小电流脉动和开关管的损耗，电机控制系统都采用单极 性的 PWM 控制技术 4.3 系统的软件设计 软件设计采用 CCS3.3 调试仿真软件进行开发调试。本设计使用 C 语言编程， 程序模块具体分为六大部分： 主程序及初始化程序 位置检测、转向检测程序 PID 算法程序 定时测速子程序 捕获中断子程 串口接收中断子程序 4.4 硬件设计电路图（见附录） 4.5 驱动电路 驱动模块采用 IR 公司的 IR2130。 电气工程课程设计（报告） 9 IR2130 是高性能三相桥式驱动器。可输出 6 路驱动信号，拥有完善的保护功 能，IR2130 可在不高于 600V 的电路中工作，输出的上桥臂驱动电流峰值为 250mA，下桥臂驱动电流峰值为 500mA。下图为 IR2130 驱动电路示意图。 IR2130 驱动电路示意图 5、实验结果与分析 5.1 位置信号检测 电机转子位置信号的正确检测，是无刷直流电机正常工作的基础。 5.2 MOSFET 控制信号检测 通过观察控制信号的波形，判断控制是否正确。 5.3 端电压检测 电气工程课程设计（报告） 10 本部分对电机端电压、端电压与位置信号的对应以及端电压与控制信号的对 应进行测试，以验证驱动过程中换相的正确性 HALL 信号图 电气工程课程设计（报告） 11 DSP 输出 PWM 波上三管图 DSP 输出 PWM 波下三管图 6、总结 采用 TMS320F2812 为核心设计的数字伺服系统，解决了伺服系统中 PWM 信号的生成、电机速度反馈及电机电流反馈问题，方便地实现了保护功能，极大 地简化了系统硬件设计，提高了系统的可靠性，减小了伺服系统的体积。降低了 成本(降低约 20)。通过各路观察 HALL 信号和 PWM 波得波形图，得出电路的 软硬件都没有问题，可以正常工作，实验结果验证了该方法的有效性。 电气工程课程设计（报告） 12 参考文献 1高翠云.李岳民.通用低频测试系统软硬件平台及可测试性研究J.北京:中国 仪仪表.2007 2苏奎峰等编著.TMS320F2812