（控制科学与工程专业论文）基于dsp的电机控制系统的研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文摘要 摘要 电机在各种电气传动和位置伺服系统中占有极其重要的位置，电机控制的目 标主要是速度控制和位置控制。近年来，随着电力电子技术、微电子技术、材料 技术的飞速发展，电机控制的研究也越来越重要，高性能电机控制系统也在不断 地更新。尤其是将d s p 技术运用到电机控制之后，硬件的统一性与软件的灵活性 可以有机结合，电机的全数字化及集成化控制成了电机控制的发展方向。本课题 以曾经在实际工程项目中使用到的直流无刷电机及直流力矩电机为例，在实现这 两种电机的d s p 控制的基础上，建立电机控制级平台，设计电机控制系统，但并 不局限于对上述两种电机的控制，本系统同样可为其他种类电机控制系统及控制 策略的研究奠定基础。 论文首先分析了电机控制系统的发展现状，指出了电机控制的一般问题及电 机d s p 控制系统的特点。阐述了系统中所用到的直流电机以及无刷直流电动机的 基本构成、工作原理，并研究了电机的数学模型、控制系统的构成及其基本控制 策略，给出了基于d s p 的电机控制系统的设计方案。然后在前期的研究工作及所 取得的阶段性成果的基础之上，以t i 公司的3 2 位定点d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心设 计了硬件系统，并编写了系统软件。硬件系统包括d s p 控制板、电机驱动板、信 号处理板和电源板，在设计上实现了系统硬件电路小型化及模块化。软件采用c 和汇编语言混合编程的方式，根据系统设计的硬件电路及采用的控制策略，编写 了相应的控制系统软件，包括a d c 采样、电流p i 调节器、p w m 输出等模块。 最后对整个电机控制系统进行了调试。给出了部分实测波形并进行了分析， 对系统中出现的问题给予解决，测试结果表明控制系统设计达到了预期效果。该 电机控制系统不仅可以应用于对直流电机及直流无刷电机的控制，还可应用于其 他种类电机的控制中，具有广阔的应用前景。 关键词：d s p ，脉宽调制，电机控制系统 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t m o t o r sp l a ya ne x t r e m e l yi m p o r t a n tr o l ei nm u l t i f a r i o u se l e c t r i cd r i v ea n d p o s i t i o ns e r v os y s t e m s t h ea i m so f m o t o rc o n t r o la r em a i n l ys p e e da n dp o s i t i o n c o n t r 0 1 w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to f p o w e re l e c t r o n i c s ，m i c r o e l e c t r o n i c sa n d m a t e r i a l s ，t h er e s e a r c ho f m o t o rc o n t r o lr e c e n t l yb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t a n dt h em o t o rc o n t r o ls y s t e mw i t hh i g hp e r f o r m a n c ei su p d a t e dc e a s e l e s s l y m o t o r c o n t r o li so nt h ew a yo fd i g i t a la n di n t e g r a t i o ne s p e c i a l l yw h e nt h ed s p t e c h n o l o g i e s w h i c hc a nc o m b i n et h eo n e n e s so fh a r d w a r ew i t ht h ef l e x i b l e n e s so fs o f t w a r ea r e a p p l i e dt oi t t h i st h e s i st a k e sab r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o ra n dad i r e c tc u r r e n t t o r q u em o t o rw h i c hh a v eb e e nu s e db e f o r ei ns o m ep r o j e c t sf o re x a m p l ea n dr e a l i z e s d s ps o l u t i o n sf o rt h em o t o r s m o r e o v e r t h et h e s i sd e s i g n sam o t o rc o n t r o ls y s t e ma n d s e t su pap l a t f o r mf o ri ts ot h a ti tr e a l i z e st h ec o n t r o lo fr n o t o r sa n dl a y saf o u n d a t i o n f o ro t h e rv a r i e t i e so fm o t o rc o n t r o ls y s t e m sa n ds t r a t e g i e s f i r s to f a l lt h et h e s i sa n a l y s e st h ed e v e l o p m e n ta n da c t u a l i t yo f m o t o rc o n t r o l s y s t e m ，i n d i c a t e st h ec o m m o ne x i s t i n gp r o b l e m ，a n di n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f d s ps o l u t i o n sf o rm o t o r s s e c o n d l y ，t h eb a s i ce l e m e n t sa n dt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo f t h ed i r e c tc u r r e n tm o t o ra n db r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o ra r ea n a l y z e d t h ed y n a m i c m a t h e m a t i cm o t o rm o d e l t h es t r u c t u r eo fc o n t r o is y s t e ma n di t sc o n t r 0 1s t r a t e g i e sa r e a l s or e s e a r c h e di nt h i st h e s i s ，a tt h es a r r l et i m e ，t h ed e s i g ns c h e m eo f t h es y s t e mb a s e d o nd s pi se x p o u n d e d t h i r d l y o nt h eb a s i so f t h ea n t e r i o rr e s e a r c ha n dp r e s e n t o u t c o m e ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h es y s t e mb a s e do n3 2 b i tf i x e d p o i n t t m s 3 2 0 f 2 812p r o d u c e db yt ic o m p a n ya r ed e s i g n e d i nt h eh a r d w a r eo ft h es y s t e m h a r d w a r ec i r c u i tc o n t r o l l e db yd s p ，m o t o r sd r i v e ，i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gc i r c u i ta n d p o w e rs u p p l yc i r c u i ta r ed i s c u s s e d ，a n di nt h em e a n t i m et h em i n i m u ma n dm o d u l a r d e s i g no f t h eh a r d w a r ec i r c u i ta r er e a l i z e d i nt h es o f t w a r eo f t h es y s t e m t 1 1 ea d c s a m p l ei n t e r r u p ts u b r ) r o g r a m t h ep ic o n t r o la l g o r i t h mo f c u r r e n tl o o pa n dt h ep w m i n t e r r u p ts u b p r o g r a ma r ew r i t t e ni nb o t hc a n da s s e m b l ya c c o r d i n gt oh a r d w a r ec i r c u i t s t r u c t u r ea n dc o n t r 0 1s t r a t e g i e so f t h es y s t e m i nt h ee n do ft h i st h e s i s ，t h em o t o rc o n t r o ls y s t e md e b u g g i n gp r o c e d u r ei s i n t r o d u c e d s o m em e a s u r e ds i g n a l sa r ep r e s e n t e da n da n a l y z e d ，a n dt h ep r o b l e m sa r e a l s os o l v e d t h em e a s u r e m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mm e e t st h ea n t i c i p a t e d p e r f o r m a n c ei n d e x t h i sm o t o rc o n t r o ls y s t e mc a nn o to n l yb eu s e di nt h em o t o r s d i s c u s s e di nt h ep r o j e c tb u ta l s oi no t h e rk i n d s ，s oi th a sa ne x t e n s i v ep r o s p e c t k e y w o r d s ：d s p , p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n m o t o rc o n t r o ls y s t e m i i i 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论 文被查阅和借阅。学校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。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的 文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：施塑争丰匕导教师签名锱 神年月。名画手m 了年3 月砧目 f 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈 交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。 尽我所知，除文中己经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本 人或他人己申请学位或其它用途使用过的成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：；迹三灿 扣参) 月w 日 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及背景 在各种传动系统和伺服控制系统中，我们常会使用到各种各样的驱动电机， 由此也产生了各种电机控制系统。不难发现，一部分电机的控制系统在硬件结构 上有很多相似之处，只是在具体控制方法和策略的软件实现上有所不同。如在三 相无刷直流电机、永磁同步电机及三相感应电机甚至是直流电机的控制系统中， 它们的基本功率逆变电路、母线电压及电流的检测、模数转换等都可以利用相同 的硬件电路，而在针对不同的电机进行控制时，则可以在软件中通过调用不同的 模块程序来实现；厨对，即使在同一个工程项目中使用的电机可能有几个或几种， 如果单独来设计控制器，则不仅会使工作量加大，控制系统也变的更复杂，可靠 性也会降低。基于此，我们有必要构建一个电机控制级平台，使其可以同时实现 对几个或几种电机的控制，也可以以此平台为基础，为电机的控制系统及其控制 策略的深入研究奠定基础。 1 2 电机控制系统的发展和现状 1 2 1 电机控制系统的发展 电机控制系统的发展从主传动机电能量转换角度来讲，由机械控制系统( 如 齿轮箱变速) 、机械和电气联合控制系统( 如感应电机电磁离合器调速) 发展到 全电气控制系统( 基于电力电子电源变换器的电机控制系统) ；从控制电路来讲， 由模拟电路、数字和模拟混合电路发展全数字电路控制系统；从控制策略来讲， 从最初的低效有级控制发展到现在的高性能智能型控制，如神经元和神经网络控 制、模糊逻辑控制等。从电力电子控制器结构来讲，由体积庞大的晶体管控制系 统发展至全控型电力电子器件构成的控制系统。仅用于电机控制系统的各种电源 变换器就有a c d c 可控整流器、d c d c 斩波器、d c a c 逆变桥、a c a c 循环 变换器和矩阵变换器等【1 l 【2 】。 就电机控制的目标来讲，主要有速度控制和位置控制两大类。电机的速度控 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 制系统也可称为电机调速系统，它广泛地应用于机械、冶金、化工、纺织、矿山 和交通等工业部门。电机的位置控制系统或位置伺服系统也称为电机的运动控制 ( m o t o rc o n t r 0 1 ) 系统。电机的运动控制系统是通过电机伺服驱动装置将给定的 位置指令变成期望的机构运动，一般系统功率不大，但有定位精度要求，并具有 频繁启动和制动的特点，在雷达、导航、数控机床、机器人、磁盘驱动器和自动 洗衣机等领域得到广泛应用。 随着电力电子技术、微电子技术和稀土永磁材料的飞速发展，高性能电机控 制系统技术不断地更新，成本不断降低，新型电机不断出现。交流电机驱动系统 正不断地取代直流电机控制。提高电机控制系统性能地研究工作主要有以下几个 方面： ( 1 ) 新型功率控制器件和p w m 技术的应用 可控型功率器件的不断进步为电机控制系统的完善提供了硬件保证，如大功 率晶体管( g t r ) 、绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 、绝缘栅可换向晶体管( i g c t ) 等的实用化，使得高频、高压、大功率p w m 控制技术成为可能。电机控制的基 本手段是如何控制p w m 波形使得功率控制器件输出的电压和电流波形能满足电 机高性能运行的要求。现代电机控制系统都是依靠电力电子器件构成变流装置 的，即采用以强电为动力、以弱点控制强电，强弱电结合这一关键技术。典型的 功率控制器有直流斩波器、交直交电流型或电压型变换器、交交循环变换器和矩 阵变换器等。直流斩波器主要优点是可以将直流电压升高或降低，它广泛应用于 开关电源。交直交电流型变换器的优点在于可实现自然换相，并且容量可以做的 很大，但是平波电抗器比较笨重，当电源存在干扰时会造成换相失败。对于绝大 多数中小型电机来说，主要是采用交直交电压型变换器。目前已经有许多采用 m o s f e t 和i g b t 器件做成的变频器产品，开关频率可达2 0 k h z ，实现无噪声驱 动。值得注意的是，国外正在加紧研制新型变频器，如矩阵变换器，高功率因数 可控补偿变换器，中性点嵌位、级联式和飞跨电容式多电平变换器，电机控制系 统将得到新的发展。 ( 2 ) 矢量变换控制技术与现代控制理论的应用 矢量变换控制主要研究感应电机的动态控制过程，不但控制电流和磁通等变 量的幅值，同时也控制这些交量的相位。并利用现代线性系统控制中状态重构和 估计的概念，巧妙地实现了感应电机磁通和转矩在等效两相正交绕组状态下的重 构和解耦控制，从而促进了感应电机矢量控制系统的实用化。矢量变换控制方法 已经从最初的感应电机推广到了同步电机的控制，并出现了基于矢量变换的各种 控制技术。 ( 3 ) 微机、微处理器和数字信号处理器( d s p ) 的应用 2 西北 业大学硕士学位论文 第一章绪论 随着电子技术的发展，微机和数字控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很 大提高，以单片机为核心的全数字化控制系统正不断地取代传统的模拟器件控制 系统。但是单片机只能处理信息量不大的简单系统，而对于交流电机等较为复杂 的系统就需要存储多种数据、实时处理能力，此时就可采用微处理器或d s p 芯片 的嵌入式解决方案。这样就可以将系统控制、故障监视、诊断和保护、人机交互 界面等功能集成一体，实现高性能复杂算法的控制系统。 ( 4 ) 新型电机和无传感器控制技术研究 各种电机控制系统的发展对电机本身提出了更高的要求，需要研究新型电机 设计、动态建模和控制策略。高性能的控制系统利用位置传感器或速度传感器检 测位置或速度，而这类传感器使系统体积增大，可靠性降低。为此，无传感器的 控制系统成为新的研究热点。通常无传感器系统的算法复杂，计算量大，需要采 用具有高速计算能力的d s p 芯片，因此，研究d s p 芯片硬件和软件，实现电机 控制复杂的算法成为无传感器电机控制系统的关键 2 1 。 1 2 2 电机控制系统的类型 在电气传动系统和位置伺服系统中，经常需要使用各种各样的驱动电机，如 直流电机、感应电机、无刷直流电机、永磁同步电机、步进电机等。由此产生的 电机控制系统主要有以下几种： ( 1 ) 直流电机控制系统直流电机由于励磁磁场和电枢磁场完全解耦，可 以独立控制，具备良好的调速性能，出力大，调速范围宽和易于控制，广泛用于 拖动系统中，目前在各种推进系统中也仍有着广泛的应用。 ( 2 ) 感应电机控制系统感应电机定子一般为多对称多相绕组，转子可以 是绕线式，也可以式鼠笼式绕组。由于转子结构的不同而有不同的控制策略。如 绕线式感应电机可以实现转子串电阻调速、串级调速等，而鼠笼式感应电机可以 实现电子变频、变极调速等。现代交流感电机控制系统主要有以下几种：矢量交 换控制系统、转差频率控制系统、直接转矩控制系统、空间矢量调制控制系统、 智能控制系统等。 ( 3 ) 同步电机控制系统永磁交流电机的驱动电源波形分为方波和正弦波。 前者称为直流无刷永磁电机，而后者称为永磁同步电机。永磁无刷直流电机的特 点是磁极位置检测与无换向器电机一样比较简单，通常为磁敏式霍尔传感器，驱 动控制易于实现，主要用于恒速驱动、调速驱动和精度要求不很高的位置伺服系 统。而正弦波驱动永磁同步电机的控制系统，电机转子采用永磁材料，电子绕组 于普通同步电机一样为对称多相正弦分布绕组。主要用于恒速、调速驱动以及精 度要求较高的位置伺服系统。目前研究的重点主要是削弱齿谐波、转矩脉动和消 西北 业大学硕士学位论文第一章绪论 除位置传感器技术。 ( 4 ) 变磁阻电机控制系统变磁阻电机主要有同步磁阻电机、反应式步进 电机和开关磁阻电机等。步进电机是一种电磁式增量运动执行元件，它将输入的 电脉冲信号转换成机械角位移或线位移信号，因此步进电机又称脉冲电动机或数 字电动机，主要用作数字控制装置的执行元件，电机旋转角度只与输入脉冲数成 正比，因此电机转速与输入脉冲频率成比例。步进电机的控制可不用反馈控制， 一般采用开环控制，使控制系统简单并具有很高的精度。可以改变绕组的励磁顺 序实现步进电机的正反转控制。开关磁阻电机直到2 0 世纪6 0 年代大功率晶闸管 得到广泛应用后才得以深入研究。它同样具有宽范围的调速性能，性能要优于同 类异步电机驱动系统1 2 1 。【4 】。 1 2 3 电机d s p 控制的一般问题 在电机控制系统中，根据控制电路的器件构成可分为模拟电路、模拟数字混 合电路和全数字电路。未来电机控制系统的发展将会主要以数字控制为主导。在 电机的d s p 控制中主要有以下几个方面的问题： ( 1 ) 控制系统结构电动机作为主要动力执行元件之一，在实际工作中承 担的主要任务是拖动机械负载实现位置伺服、速度调节、转矩或力的控制。从机 械运动的角度来看，电机的转矩或力是最基本的控制量。对于一般的闭环( 位置 环、速度环和电流环) 电机控制系统，可以看成是机械运动正向控制，信号检测、 传感，机电耦合关系与电气控制这几个部分。机械运动控制根据外部给定的位置 信号与转子位置传感器检测的位置信号相比较，获得位置误差信号。信号检测、 传感主要指转子位置检测，电流与电压检测等。例如用霍尔传感器或光电编码器 检测转子位置，获取转子实际位置角信号。电机内部的机电耦合关系是通过磁场 作为媒体。首先要解决的问题是如何利用检测到的电机转子位置、电流和电压信 号观测电机内部磁场的变化。其次是如何反映电机产生的电磁转矩大小，以便有 效地控制电机的电磁转矩。电机控制离不开电源，包括强电部分的供电电源和弱 电部分的驱动电源。驱动电机主要靠供给逆变器的动力电，逆变器由滞环比较器 输出的控制信号按一定规律触发导通，将动力电加到电机绕组上控制电机拖动负 载运行【5 1 。 ( 2 ) d s p 控制的硬件基础以d s p 为基础构建电机控制系统，其硬件资源 包括：信号检测与转换、系统接口、p w m 控制器等。控制系统中信号检测是必 不可少的，尤其是在闭环控制系统中，状态信息的检测更加重要。检测信号分为 电量和非电量两类。电量信号有电流、电压和电功率等。非电量信号包括位置、 速度、力或转矩、温度等。它们的检测过程通常根据物理学原理利用传感器将非 4 西北 业大学硕士学位论文第一章绪论 电量信号转换成电信号再来检测。系统接口部分配置包括时钟信号、上电复位电 路、存储器扩展接口、控制信号输入输出接口等。电机的控制离不开驱动系统， 例如直流电机控制系统的可逆p w m 系统，无刷直流电机的三相全控桥系统等。 系统桥路中的功率管是采用脉宽控制方式。由d s p 输出脉宽波来决定功率管的导 通时间、方式与顺序，从而实现对电机的控制。 1 3 设计电机d s p 控制系统的必要性及可行性 电机控制系统中，通常存在模拟信号和数字信号，既有连续信号，也有离散 信号，多种信号的处理比较复杂。同时在一些控制系统中，执行机构或是驱动电 机并不是只有一种电机，如果单独设计控制器，就需要更多的元器件，从而整个 系统变的复杂，可靠性降低。比如在以前的许多工程项目中，我们需要控制的电 机就不是一种，有直流无刷电机、直流力矩电机等。单独设计的控制器也可以满 足系统的要求，但是这样会使影响系统性能的来源增加，对系统的安装、测试等 就造成了诸多不便。同样在一些更加复杂的系统中，如果使用的电机种类更多， 则对电机控制的要求也越高。为此，有必要设计电机控制系统平台，可以同时实 现对多个或多种电机进行控制，从而使控制系统更简单、可靠。 传统的数字控制系统通常以单片机或微机为核心，而以d s p 为核心的电机控 制系统则具有更高的精度和速度、具有逻辑控制功能和各种中断处理等更强大的 处理及计算能力。随着大规模和超大规模集成电路技术的发展，d s p 芯片的功能 将会越来越强。在d s p 应用到电机控制中后，全数字控制系统成了当前电机控制 的发展方向。同时以d s p 为核心的控制系统的以下特点也使设计电机的d s p 控 制系统更加可行了。 d s p 采用哈佛结构或改进的哈佛结构，使数据和程序相互独立的总线结构 提高了计算能力。因此可以实现比较复杂的控制规律，如优化控制、智能控制等 现代控制理论和算法的应用。 可简化电机控制器的硬件设计，重量低，体积小，能耗低。 d s p 芯片内部设计保证元器件的稳定性和可靠性，从而会使整个系统的可 靠性提高。 硬件的统一性和软件的灵活性可以有机结合，d s p 电机控制电路可以统一， 如d s p 控制三相逆变器驱动相应的感应电机、无刷直流电机、永磁同步电机或用 改进后的逆变器驱动直流电机等，其硬件电路的结构基本相同，针对不同的电机 只需设计和编写不同的控制规律即可，从而使系统具有很强的灵活性【2 】。 西北 业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 论文的主要内容 在介绍本论文内容之前，首先简要说明一下前期在类似的电机控制系统中所 做的一些工作及取得的成果。 ( 1 ) 直流力矩电机控制器该控制器以s t 公司的直流马达驱动芯片l 2 9 2 为核心来设计的【6 】，采用单电源供电，其最大驱动能力可达2 a 3 6 v ，频率可达 3 0 k h z 。该芯片内部的的基本功能框图如下图l l 所示。 该控制器在实际系统中得到了很好的应用，但是其缺点是输出电流还是比较 小，驱动能力不足，同时电机的h 型驱动桥臂也集成在芯片中，散热问题也不容 易解决，在长时间大电流输出工作时也出现了烧毁芯片现象。 图1 1 直流力矩电机控制器功能框图 ( 2 ) 基于s g 3 5 2 5 的电机控制系统该系统采用全硬件电路组成，包括给定 控制信号及方向电路、p w m 产生电路、逻辑处理电路、驱动电路等。该系统功 能框图如下图l 一2 所示。 图l 一2 基于s g 3 5 2 5 的电机控制器框图 该控制系统也在实际项目中得到了很好的应用，其驱动能力也比前一个系统 有所提高。但该控制系统使用分立元件较多，对系统的可靠性及稳定性影响较大， 体积相对也比较大，在整个系统中的安装也不是很方便，同时在控制系统中与上 位机的通信相对也比较复杂。 在以上两个电机控制器的设计中，无论是以l 2 9 2 为核心的直流力矩电机驱 6 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 动器还是以s g 3 5 2 5 为核心、利用分立器件设计的电机控制器，它们都只能称为 电机驱动器或控制器，功能都比较单一，应用范围都具有比较大的局限性，并不 能成为一个真正的控制系统。针对其不足之处，本论文将在前期研究工作以及实 际工程项目的基础上，积极总结取得的成果并针对其不足之处，构建一个电机的 d s p 控制系统，除了完成对直流力矩电机和直流无刷电机的控制之外，并在后续 研究工作中，以此为平台，实现对永磁同步电机、感应电机等其他种类电机的控 制。为此，本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 实现直流电机的d s p 调速控制。首先建立直流电机的数学模型，并构 建其可逆p w m 驱动系统，在系统控制中以部分软件替代硬件，从而使直流电机 的控制系统更加可靠、简单。 ( 2 ) 实现直流无刷电机的控制。d s p 芯片的出现为无刷直流电机复杂控制 算法的实现提供了软硬件基础。本论文将给出三相直流无刷电机的工作原理，并 导出三相电机星型接法的数学模型以及两两导通三相六状态工作方式的原理，最 后对有位置传感器和无位置传感器的控制策略、接1 2 技术进行探讨。 ( 3 ) 电机控制系统的硬件电路的实现。包括以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心的主控 制器电路( 包括处理器以及各种外围电路) ；供电电源电路，主要将给定的+ 2 7 v 电源转换成系统其他部分所需的各种电源，包括+ 1 5 v 、+ 5 v 等；直流电机的h 桥驱动电路以及三相全控桥电路；各种模拟量信号的处理电路；直流无刷电机的 位置检测电路；各种保护电路以及控制信号接口电路等。 ( 4 ) 控制系统的软件设计。软件设计采用模块化程序设计。主要包括系统 初始化模块；信号采集模块；主控制程序模块( 直流电机主要采用电流环控制， 无刷直流电机采用电流环、位置环双闭环控制) ；p w m 输出模块；与上位机的通 信模块等。 在各种模块电路以及程序设计完成的基础上，进行硬件测试、软件调试，并 进行系统的联调，满足系统要求。为完善电机控制系统的进一步研究工作建立一 个基础平台，做好铺垫，打下坚实的基础。 7 西北工业大学硕士学位论文第二章直流电机与无刷直流电机的控制 第二章直流电机与无刷直流电机 的控制 直流电机是最早实现调速的电机，在电机的调速系统中具有代表性；在电机 控制的硬件电路上，三相直流无刷电机与永磁同步电机、三相感应电机等具有统 一的硬件结构：这些都为构建一个具有通用性的电机控制系统提供了基本条件。 在以前的工程项目中，我们主要使用过直流力矩电机、直流无刷电机等，也设计 了相应的控制器并对其控制策略有了相应的研究j 本章将以直流电机及直流无刷 电机为例，详细分析直流电机以及三相直流无刷电机的结构、工作原理、控制方 法及控制策略，为实现对它们的控制奠定坚实的理论基础。也为后面设计电机控 制系统的硬件平台、软件结构奠定基础。 2 1p w m 调速控制原理 对电机的控制离不开半导体功率器件。半导体功率器件的使用又分为两种方 式：线性放大驱动方式和开关驱动方式。 线性驱动方式是使半导体功率器件工作在线性区。这种方式的优点是：控制 原理简单、输出波动小、线性好、对邻近电路干扰小。但是功率器件在线性区会 将大部分电功率用于产生热量，效率和散热问题严重，因此这种方式只用于数瓦 以下的微小功率的电机的驱动i l l 。 下面以直流电机为例来说明p w m 实现调速的原理。绝大部分的直流电机都 采用开关驱动方式。开关驱动方式使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽 调制( p w m ) 来控制电动机电枢电压，实现调速。 下图2 - - l 是利用开关管对直流电机进行p w m 调速控制的原理图和输入输出 电压波形。在图2 一l ( a ) 中，当开关管m o s f e t 栅极输入高电平电压时，开关管 导通，直流电机电枢绕组两端有电压u s 。t 时问后，栅极输入变为低电平，开关 管截止，电机电枢两端电压为零。t ，时间后，栅极输入重新变为高电平，开关管 的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电机电枢绕组两端 的电压波形如图2 一l ( 6 ) 所示，电动机电枢绕组两端的电压平均值 9 西北工业大学硕士学位论文第二章直流电机与无刷直流电机的控制 u 。：盟竺：生= c t u s ( 2 1 ) 4 r + t ，t 口= 二l( 2 2 ) 2 。 式中口一占空比。 占空比口表示了在一个周期t 里，开关管导通的时间长短与周期的比值。口 的变化范围为0 口s i 。由式( 2 一1 ) 可知，当电源电压氓不变时，电枢的端电 压的平均值吮取决于占空比口的大小。改变口的值极可以改变端电压的平均值， 从而达到调速的目的，这就是p w m 调速原理【7 j 【1 0 1 。 ( a ) 原理图( b ) 输入输出电压波形 图2 1p w m 调速控制原理和电压波形图 在p w m 调速时，改变占空比口值的方法有以下三种： ( 1 ) 定宽调频法：这种方法是保持t ，不变，只改变t ：，这样使周期( 或频率) 也随之改变。 ( 2 ) 调宽调频法：这种方法是保持t ，不变，只改变t 。，这样使周期( 或频率) 也随之改变。 ( 3 ) 定频调宽法：这种方法是保持周期t ( 或频率) 保持不变，而同时改变 和t 2 。 前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期( 或频率) ，当控制脉冲的 频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法使用比较少。且 前在真流电机控制系统中，主要是使用定频调宽, 法t 9 1 。 1 0 西北 业大学硕士学位论文第二章直流电机与无刷直流电机的控制 2 2 直流电机的调速控制 直流电机是最早出现的电动机，也是最早能够实现调速的电动机。长期以来， 直流电动机一直占据着速度控制和位置控制的统治地位。它具有良好的线性调节 特性、简单的控帝4 性能、高质高效平滑运转的特性。近年来，直流电动机的结构 和控制方式都发生了很大变化，随着计算机进入控制领域以及新型电力电子功率 器件的不断出现，使采用全控型的开关功率器件进行脉宽调制控制方式已成为绝 对主流，这种控制方式已成为电动机数字控制的基础。 在直流调速控制中，可以采用各种控制器，d s p 是其中一种选择。由于d s p 具有高速运算性能，因此可以实现诸如模糊控制等复杂的控制算法，另外它可以 自己产生带有死区的p w m 输出，所以可以使外围硬件最少。本节针对系统中用 到的直流力矩的电机特性及其要求，对直流电机的控制原理以及控制策略作了详 细的介绍。 2 2 1 直流电动机的数学模型 下图2 2 为他励直流电动机的等效电路。 c o ( n ) 图2 2 直流电动机等效电路 由上图我们可以得到直流电动机的数学模型7 1 1 】。 电压平衡方程如下： u o ：e + r j o + l o 譬 ( 2 _ 3 ) “l 式中虬一电枢电压； l 一电枢电流； 孟。一电枢电路总电阻o e 一感应电动势； 工。一电枢电路总电感。 电流通过电枢绕组产生电磁力以及电磁转矩，这只是电磁现象的一个方面， 西北 业大学硕士学位论文 第二章直流电机与无刷直流电机的控制 另一方面，当电枢在电磁转矩作用下一旦转动后，电枢导体还要切割磁力线，从 而产生感应电动势，其中感应电动势与电枢电流方向相反，它有阻止电流流入电 枢绕组的作用，因此，电动机中的感应电动势是一种反电动势【7 】【1 0 l 。 感应电动势为： e=k。on(2-4) 式中e 一感应电动势计算常数； m 一每极磁通； ，l 一电动机转速。 因为q = 罢，所以e = k , 3 石0 n = 9 5 4 9 k , d o ，故感j 邑- j 5 e 。在磁通 不变时与电机的转速成正比【1 2 1 。 将式( 2 - - 4 ) 代入到式( 2 - - 3 ) 可以得到： 玎：业：兰：型。2 嘲 k 。m 直流电动机的电磁转矩为： k = c f 0 1 0 = k r l 4 ( 2 - - 6 ) 式中c r 一电机的转矩常数，c ，：罢； p 一电机的极对数5 一电枢绕组的有效导体数5 a 一电枢绕组支路对数； 瞄一电机的转动常数，为电机连续堵转转矩与电流之比。 转矩平衡方程为： = 瓦“警 q 1 ) 式中j 一折算到电动机轴上的转动惯量； 一电动机的电磁转矩； 正一负载转矩： 一电动机角速度； b 一电动机转矩常数。 2 2 2 直流电机的调速控制方法 由上节中式( 2 5 ) 可知，直流电动机的转速控制方法有三种：对励磁磁通 西北工业大学硕士学位论文 第二章直流电机与无刷直流电机的控制 。进行控制的励磁控制法、改变电枢回路电阻的方法以及对电机进行控制的电枢 电压控制法【7 】【1 3 】 15 1 。 ( 1 ) 励磁控制法这种方法是在电动机的电枢电压保持不变时，通过调整 励磁电流来改变励磁磁通，从而实现调速的，属恒功率调速方法。但是这种调速 方法的调速范围比较小，在低速的时候受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花 和换向器结构强度的限制。并且励磁线圈电感比较大，动态响应较差，所以这种 控制方法在实际中应用的比较少。 ( 2 ) 改变电枢回路电阻这种方法是在电动机电枢回路外串电阻进行调速 的，设备简单，操作方便。但只能是有级调速，调速平滑性差，机械特性较软， 空载时几乎没有什么调速作用，同时也在调速电阻上消耗了大量电能。 ( 3 ) 电枢电压控制法这种方法是在保持励磁磁通不变的情况下，通过调 整电枢电压来实现调速的，属恒转矩调速方法。在调速时，保持电枢电流不变， 即保持电动机的输出转矩不变，可以得到具有恒转矩特性的宽调速范围。 改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等 调速性能要求不高或低速运转事件不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大， 往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。因此在直流电机 的调速系统中通常以调压调速为主。 2 2 3 直流电机的驱动系统 直流电机通常要工作在正反转场合，这时就需要可逆p w m 系统，可逆p w m 系统分为单极性和双极性驱动。在本小节中将详细介绍这两种驱动可逆p w m 系 统的工作原理。如下图2 3 所示是直流电机的h 型可逆p w m 驱动系统。 图2 3h 型可逆p w m 驱动系统 西北工业大学硕士学位论文第二章直流电机与无刷直流电机的控制 2 2 3 1 单极性驱动系统 单极性驱动是指在一个p w m 周期中，电机电枢的电压极性呈单一( 或者正、 或者负) 变化。双极性驱动是指在一个p w m 周期中，电枢电压极性呈正负变化。 单极性驱动有两种，一种为t 型，它由两个开关管组成，采用正负电源，相当于 两个不可逆系统的组合，由于形状像横放的“t ”字，所以称为t 型。t 型单极 性驱动由于电流不能反向，并且两个开关管动态切换( 正反转切换) 的工作条件 是电枢电流等于零，因此动态性能比较差，用的也比较少。另一种称为“h ”型， 也称桥式电路。这种方式驱动的电流波动较小，可以实现四个象限运行，在使用 中要注意的是“死区问题”，避免同一桥臂的开关管发生直通短路现象。 由上图可知桥式驱动电路由4 个开关管和4 个续流二极管组成，单电源供电。 当电动机正转时，k 开关管根据p w m 控制信号同步导通或关断，而k 开关管则 受p w m 反相控制信号控制，巧保持常闭，保持常开。当电动机反转时，k 开 关管根据p w m 控制信号同步导通或关断，而圪开关管则受p w m 反相控制信号 控制，k 保持常闭，k 保持常开。单极性驱动时系统的p w m 占空比仍用上节中 的式( 2 2 ) 计算。下面以电机在大负载情况下正转时为例说明电枢绕组电流的 波形情况。 当电动机在较大负载情况下正转工作时，平均电压乩大于感应电动势e 。 在每个p w m 周期的0 区间，k 导通，k 截至，电流1 0 经过k 、由a 到b 流过绕组。在每个p w m 周期的t ，岛区间，k 导通，k 截至，电源断开，在自 感应电动势作用下，电流由二极管，和开关管圪进行续流，使电枢中仍有电流 流过。方向同样是从a 到b ，这时由于二极管：的箝位作用，k 实际不能导通， 电流波形如下图2 4 所示。 k d 图2 4h 型单极可逆p w m 驱动电流波形 1 4 西北工业大学硕士学位论文第二章直流电机与无刷直流电机的控制 2 2 3 2 双极性驱动系统 双极性驱动也有t 型和h 型两种。t 型双极性驱动由于开关管要承受较高的 反向电压，在实际中应用的较少。h 型双极性驱动系统的硬件结构与上图2 3 一样，4 个开关管分成两组，k 、为一组，k 、巧为一组。同一组的开关管是 同步导通和关断的，不同组的开关管的导通与关断正好相反。 在每个p w m 周期中，当k 的控制信号为高电平( 当然的控制信号也为高 电平) 时，巧、k 导通，此时，开关管、k 截至，电枢绕组的电流从a 到b 正向流动，当k 的控制信号为低电平时，则的控制信号为高电平( 巧的控制信 号也必为高电平) 时，k 、巧导通，开关管巧、k 截至，此时，电枢绕组承受 从b 到a 的反向电压，这即称为“双极”。 由于在一个p w m 周期中，电枢电压经历了两次正反两次变化，因此其平均 电压计算公式如下： 虬= 争孚) 以= ( 等- l l u s 也一z 炽 c 2 叫 根据上面的式子我们可以看出，双极性驱动时，电枢绕组所承受的平均电压 取决于占空比口的大小。当口= 0 时，u o = 一u s ，电机反转，且转速最大。当口= l 时，u 。= u s ，电机正转且转速最大。当口= 时，u o = 0 ，电机不转。虽然此 时电机不转，但是电枢绕组中仍然有交变电流流过，使电机产生高频振荡，这种 振荡有利于克服电机负载的静摩擦，提高动态性能。 同样以电机在较大负载情况下正转时为例说明电枢电流的波动情况。在这种 情况下，平均电压u 。大于感应电动势e 。在每个p w m 周期的0 区间，开关 管k 、导通，、蚝截至，电枢电流的方向是从a 到b ，在r l t ：区间，吃、 巧导通，k 、乃截至，虽然电枢绕组加反向电压，但是由于绕组的负载电流较大， 电流的方向仍然不变，只不过电流幅值的下降速率比在单极性驱动系统中大，因 此电流的波动较大o 。其电流波形如下图2 - - 5 所示。 双极性驱动时，电动机可在4 个象限工作，低速时的高频振荡有利于消除负 载的静摩擦，低速平稳性好。但在工作的过程中，由于4 个开关都处在开关状态， 功率损耗比较大，因此双极性驱动主要用在较小功率的电机驱动中。所以相对于 单极性驱动而言，双极性驱动系统的散热问题更难解决。 西北工业大学硕士学位论文第二章直流电机与无刷直流电机的控制 图2 5h 型双极可逆p w m 驱动电流波形 上面分析了直流电机单极性和双极性可逆p w m 驱动系统的工作原理，并举 例说明了在不同的驱动系统中一个p w m 周期内电枢绕组中电流的流向以及电流 的波动情况。综合考虑各种影响直流电机控制系统性能的各种因素以及实际应用 情况，在本系统中，我们采用h 型单极可逆p w m 驱动系统。 2 3 无刷直流电机的控制 无刷直流电机利用电子换向器取代了机械电刷和机械换向器，因此使这种电 动机不仅保留了直流电机的优点，而且又具有了交流电动机的结构简单、运行可 靠、维护方便等优点，使它一经出现就以极快的速度得到了发展和普及【16 1