（电力电子与电力传动专业论文）智能电动执行器驱动系统的研究.pdf

r e s e a r c h0 nd r i v es y s t e m o f i n t e l l i g e n te l e c t r i ca c t u a o r a b s t r a c t e l e c t r i ca c t u a t o ri so n eo ft h ei m p o r t a n te q u i p m e n ti np r o c e s sc o n t r 0 1 a t p r e s e n tm a n yd o m e s t i ce l e c t r i c a c t u a t o r sa r ec o n t r o l l e db ya n a l o gc i r c u i t s ，s o t h e i rp r e c i s i o ni sl o w e r t h e i rp r o t e c t i o ni s m o s t l yd e p e n d e do nd e l a y sa n d m e c h a n i s m s ，t h u st h e i rr e l i a b i l i t yi sp o o r m o s to fd o m e s t i cp r o d u c t sc a no n l y r e c e i v ea n a l o gc o n t r o ls i g n a l ，s ot h e yc a nn o tb eu s e di nm o d e mc o n t r o ls y s t e m t h e i rs y s t e mi n t e g r a t i o ni sl o w e rs oi ti sm o r ed i f f i c u l tt om a i n t a i nt h e m s o m e o v e r s e a se l e c t r i ca c t u a t o r sh a v eo c c u p i e do u rm a r k e tb e c a u s eo ft h e i r h i g h p e r f o r m a n c e i ti si m p o r t a n tt or e s e a r c ho u rn e wh i g hp e r f o r m a n c ep r o d u c t s t h e p a p e rp r o p o s e d ad r i v e s y s t e m o fi n t e l l i g e n ta c t u a t o rb a s e do n t m s 3 2 0 f 2 4 0 d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ，b r u s h l e s sd c m o t o r i th a sc h a r a c t e r i s t i co f h i g hp e r f o r m a n c e a n d r e l i a b i l i t y f i r s tt h e p a p e r o f f e r st h e b a c k g r o u n do ft h ep r o j e c t t h e nt h e p a p e r i n t r o d u e e st h es t r u c t u r e ，c o n t r o lm e t h o d ，m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eb r u s h l e s s d cm o t o r t h e nt h ep a p e rg i v e st h ed e s i g no ft h eh a r d w a r e i n c l u d et h ed e s i g n o ft h em a i nc i r c u i ta n dc o n t r o l c i r c u i t t h e p a p e r a l s oo f f e r st h e c o n t r o l a l g o r i t h m ，i n c l u d es t a r t 、p h a s ec h a n g ea n ds p e e dr e g u l a t i o n 、m i n i m i z a t i o no f t o r q u er i p p l ei nb r u s h l e s sd c m o t o rd r i v e sa n d c l o s e d 1 0 0 pp o s i t i o nc o n t r 0 1 t h e p o s i t i o nc o n t r o lu s e sb i - m o d ec o n t r o la l g o r i t h m f i n a l l y , t h ep a p e ro f f e r st h e r e s u l to ft h ee x p e r i m e n ta n da n a l y s i s t h er e s u l to f e x p e r i m e n ts h o w st h a tt h e d e s i g no f d r i v es y s t e mo f t h ei n t e l l i g e n ta c t u a t o ri ss u c c e s s f u l k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n t e l e c t r i c a c t u a t o r , d r i v e s y s t e m ，b r u s h l e s sd c m o t o r , d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 符号说明 说明 直流无刷电动机定子a 相绕组反电动势 直流无刷电动机定子两相绕组串联反乜动辨 直流无刷电动机定子a 桐绕组 直流母线电流 直流无刷电动机定子a 相绕组电感 直流无刷电动机定子两相绕组串联电感 直流无刷电动机起动电流 系统转动贯量 直流无刷电动机定子绕组互感 直流无刷电动机的额定转速 直流无刷电动机定子荫相绕组串联电阻 p w m 载波周期 a 相电流产生的转矩 a 。c 相电流合成转矩 直流无刷电动机电磁转矩 负载转矩 直流无刷电动机启动转矩 直流母线电压 理想空载角速度 电机电角度 位置信号 位置偏差 允许偏差 i 卫 m m m m m m b 剃 v v a a h h a 岖h 釉q 。 v 砌删 m m m ! 】褂 0 k 0 j m r t乙e瓦p 占 如占 、 智能电动执行器驱动系统的研究 第一章绪论 第一章绪论 1 1电动执行器当前国内外发展的情况 电动执行器是过程控制的重要设 备，是构成过程控制系统不可缺少的 基本单元。过程控制系统的一般结构 如图1 1 所示，对于模拟控制系统( 比 如d d z i i 型，d d z i i i 型仪表) ，电 动执行器接受调节器输出的电流信 号；对于数字控制系统( 比如集散控 图t - 1 过程控制系统的框图 f i g1 1 b l o c kd i a g r a mo f t h ep r o c e s sc o n t r o ls y s t e m 制系统) ，执行器要能够接受分散控制单元( d p u ) 的控制。然后电动执行器根据指令值 的大小，调节过程参数( 如温度、压力、流量、液位等) 。 当前国内生产的电动执行器多由模拟器件控制，精度差：保护措施使用继电器和 机械装置，可靠性差；很多电动执行器只能接受模拟信号( 4 2 0 m a 、l 5 v ) ，不能与计 算机进行通信；系统集成度低、维护困难。国际上一些著名大公司推出了性能优越的 智能电动执行器，他们的产品具有如下特点； 密封性好：采用双层密封结构、非贯穿式开关等措施，以确保执行器能够完全防尘 和防潮 可靠性高：几乎没有机械开关，用可靠、坚固的电子测量装置取代了弹簧、机械扭 矩连锁及微型开关，由于运动部件减少使得执行器更可靠；采用专用的a s i c 控制 芯片，元器件数目减少，可靠性进一步提高；自动保护功能更加完善。 使用方便：对参数的设置采用无线遥控等方式，丰富的当前状态信息显示 智能化的通讯：可直接将计算机与执行器内的用于诊断的p c b 板连接起来，并可将 与m o v 有关的操作历史数据下载到通讯单元的内存中，然后将数据传到计算机。从 而建立统计记录，并可发现工作状态的变化。 它们的产品已迅速占领了相当一部分国内市场。研制我国自己的具有自主知识产权 的智能电动执行器具有非常重要的意义，可以节约大量外汇，提高我国的工业技术水 平，使我国在过程控制领域的国际竞争中占有一席之地。本文要研究的就是智能电动 执行器中的驱动系统部分。 1 2 智能电动执行器的结构和功能 一般的智能电动执行器的框图如图l 一2 所示。它可以接受模拟位置设定信号r 通过 a d ) 或数字位置设定信号( 通过通信接口或i o ) 。控制器根据位置设定信号，控制电机 1 智能i 乜动执行器驱动系统的研究 第一章绪论 带动涡轮涡杆转 动把阀门等机构 运动到到指定的 位置。来自装在 终端机构的位置 传感器的信号反 馈给控制器实现 闭环控制。同时 实际位置信号还 必须反馈给调节 器f 经d a 转化为 图1 2智能电动执行器的结构框图 f i g l 2 s t r u c t u r eo f i n t e l l i g e n ta c t u a t o r 模拟信号) 或控制计算机( 数字信号经过通信接口。在某些紧急场合下，过程控制系统 的执行功能由手动完成，因此执行器还必须有手自动切换功能。 j i l # t , ，智能电动执行器还必须完成的功能有： 参数设定要设定的参数主要有：位置上下限、力矩上下限、故障时保护方式等 为了方便用户使用，采用无线遥控等措施。由于参数设定装置没有放在执行器上， 不需要有导线连到执行器外部，这样就给系统的密封性提供更可靠的保证 状态显示保存显示当前的位置、力矩等信息。此外还要把当前的所有状态信息保 存下来，以保证过程控制系统参量的连续性。 报警输出当执行器发生故障、位置、力矩到达上下限的时候必须通知控制计算机， 通常以触点的形式输出，并进行故障时的声光报警。 通信功能中央计算机必须对执行器统一协调控制，同时执行器要反馈状态信息( 比 如位置、力矩、故障次数等) 给中央计算机进行统计纪录。 1 3 本文研究的智能电动执行器驱动系统的结构和特点 本文研究的智能电动执行器的结构如图1 3 所示。驱动系统主要包括控制电路、 j e 电路、电机等，不包括机械装置。 图中的电机采用无刷直流电动机。驱动系统的动力核心一电机的选型最为重要。 无刷直流电动机具有体积小、重量轻、效率高、惯量d 、+ l l 响应快的特点。同时还保留 有普通直流电动机优良的机械特性。由于这种电机采用电予换向器代替了机械换向装 置，因而克服了电刷和换向器所带来的一系列缺点，如噪声、电磁干扰、换向火花、 i o , j $ l j 磨损和可靠性差等。 图中的t m s 3 2 0 f 2 4 0 为t i 公司于1 9 9 7 年推出了基于电机和丌关电源控制的数字信 号处理器芯片，可以为高性能传动控制提供先进可靠高效的信号处理与控制的硬件。 f 2 4 0 将数字信号处理的运算能力与面向电机的高效控制能力集于一体，可以实现用软 塑堕坐垫垫堑璺翌垫墨堕塑型塑塑二兰堕笙一 8 0 v 图1 3 本文研究的智能电动执行器框图 f i g l - 3 b l o c k d i a g r a mo f i n t e l l i g e n ta c t u a t o rp r e s e n t e db y t h ep a p e r 件取代模拟器件，方便地修改控制策略，修正控制参数，兼具故障检测、自诊断和与 上位机通信等功能。f 2 4 0 包含有一般的d s p ：枣片所没有的双1 0 位模数转换器、基于p w m 控制的管理器( 9 个比较单元、1 2 路p w m 输出、2 路光电编码器接 1 的编码单元) 。其p w m 波形生成单元包含可编程死区控制，可输出非对称p w m 波形、对称p w m 波形和空间矢 量p w m 波形。 图中的i p m 为智能功率模块( i n t e l li g e n tp o w e rm o d u l e ) 。i p m 不仅把功率开关 器件和驱动电路集成在一起，而且还内藏有过电压、过电流和过热等故障检测电路， 并可将检测信号送c p u 。即使发生负载事故或使用不当，也可保证i p m 自身不受损坏。 目前的i p d 一般采用i g b t 作为功率开关器件，并内藏电流传感器及驱动电路的集成结 构。i p m 正以其可靠性高、用户使用方便的特点赢得越来越大的市场，尤其适合制作驱 动电机的变频器，是一种理想的电力电子器件。 1 4 本论文的主要内容 本论文主要研究的是智能电动执行器的驱动系统部分，包括电机选型，主电路、 控制电路设计。 本文第二章主要介绍无刷直流电动机的结构、控制方式以及数学模型；第三章主 要介绍执行器的硬件电路的设计，包括主电路设计、控制电路设计；第四章主要介绍 控制算法，包括起动、换相与调速，低速直流无刷电动机转矩脉动的抑制，闭环位置 控制。第五章给出了实验结果及分析，包括实验数据、图表曲线。第六章为结论。 塑堂皇垫垫! ! 塑矍垫墨竺竺堕塞 笙三望至! 些塑史塑塑 第二章无刷直流电动机 2 1无刷直流电机的结构和工作原理 2 1 1无刷直流电动机的结构l n - r 作原理 无刷直流电动机( b r u s h l e s sd cm o t o r ，以下简称b l d c m ) 具有体积小、重量轻、 效率高、惯量小和响应快等特点，同时还保留有普通直流电动机优良的机械特性。由 于这种电机采用电子换向器代替了机械换向装置，因而克服了电刷和换向器所带来的 一系列缺点，如噪声、电磁干扰、换向火花、电刷磨损和可靠性差等。近几年，随着 稀土永磁材料和电力电子器件性能价格比的不断提高，稀土永磁无刷直流电动机作为 中小功率高性能调速电机和军民用伺服控制电机应用越来越广泛，大有逐步取代普通 直流有刷伺服电动机的趋势。 无刷直流电动机的电机本体由多相( 三帽、四相、五相不等) 定子绕组和一定极对 数的永磁转子所组成，结构如同常规的永磁同步电动机，这些绕组分别与开关器件连 接。电枢绕组的电流随着转子位置的变化按一定规律换流，功率开关器件的导通与截 止是与转角同步变化的。而通过改变加在绕组上的直流电压就可实现调速，因此无刷 直流电动机具有普通直流电机的特性。 图2 1 是无刷直流电动机的原理图。图中p s 是位置检测器，常称为转子位置传感 器，用于检测磁极的位置并发出信号去触发f n 子丌关线路中相应的功率| 丌关器件，使 之严格同步。 + 图2 1无刷直流电动机的结构原理图 f i 9 2 - 1 s t r u c t u r eo f b l d c m 一般的永磁式直流电动机的定予由永久磁钢组成，其主要的作用是在电动机气隙 中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场，由于电刷的换向作用，使得这两个磁 场的方向在直流电动机运行过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩。无刷直流 电动机为了实现无刷换向，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永 磁磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构一好相反。但仅这样做还是不行 的，因为用一般的直流电源给定子上各绕组供r 乜，只能产，i ! 固定磁场，它不能与运动 中转子磁钢所产生永磁磁场相互作用，以产生单方向的转矩来驱动转子转动。所以 4 塑堂皇垫垫堑壁翌垫墨堕塑婴窒 笙三兰重型皇亟皇垫! ! 一 无刷直流电动机除了由定子和转子组成电动机的本体以外，还要由转子位置传感器、 控制电路以及功率逻辑开关共同构成的换相装置，使得无刷直流电动机在运行过程中 定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场在空间上始终保持n 2 的 电角度。 一般来说，相数越多，电动机启动特性及低速运转平稳行就越好，但控制线路就 越复杂。每周期内各相绕组通电的时间越长，电机绕组的利用率就越高，电机的体积 就可以越小。鉴于此，本系统采用星形三相六状态控制无刷直流电动机，每种状态导 通的相数为两相。 无刷直流电动机气隙中的磁场分布和绕组中的感应电动势的波形可接近于正弦 波、矩形波或梯形波。借助于控制电路，可以使电动机绕组中通过的电流为与电动势 同相的正弦波电流或波顶宽为1 2 0 0 电角度的矩形波电流。如果电动机气隙中磁场的分 布呈矩形波且其波顶宽为1 2 0 0 电角度( 简称方波) ，而电动机绕组中的感应电动势和流过 绕组的电流随时间变化的规律也为方波，则这种电动机称为方波电动机。方波电机具 彳下列特缸： 方波电动机的电磁转矩表达式与普通直流电动机的电磁转矩表达式相同，即电磁转 矩与电动机每极磁通和电流成正比。所以，控制电动机的电流即可控制电动机的转 矩 方波电动机只有两相绕组同时通电，而直流电动机电枢绕组所有的绕组同时通电， 故方波电动机铜耗小另外，方波电动机无电刷和换向器，故效率高 只有当送入1 2 0 。宽的方波电流且电流与电动势同相位时，方波电动机的电磁转矩 才无脉动 然而，在一般电动机中，要使电动机气隙磁场的分前i 真正成为方波较为困难，但 对于采用稀土材料的永磁瓦形磁钢直接而向气隙目为径向结构的高磁场永磁式电动 机，通过合理设计磁路可以得到十分接近方波的磁场，与1 2 0 0 导通型逆变器配合运行。 使电动机绕组中流过交流方波电流，可获得优良的电动机性能。 2 1 2 无刷直流电动机的控制 一换相逻辑与力矩矢量图 本系统采用的控制方式为二相导通三 相六状态，主电路的简图( 第三章有详 细的介绍) 如图2 2 所示。功率器件的排 列顺序采用如图所示的上桥臂1 ，3 ，5 ，下 桥臂4 , 6 ，2 的顺序。按照一定的逻辑关系 打丌六个功率器件，即可实现电机的正 图2 - 2 主电路 f i 9 2 2d i a g r a mo f m a i nc i r c u i t 智能电动执行器驱动系统的研究 第二章无刷直流电动机 反转。 换相的逻辑如图2 3 所示，图中的0 a 为电角度，按照图中的顺序打开相应的开 关器件，即可实现无刷直流电动机的逆时 针旋转，反之，可实现无刷直流电动机的c 顺时针旋转。图中的a ，b ，c 为无刷直流 电动机的转子位置传感器的波形，它们为 互差1 2 0 。的方波。对于任何一个时刻， a ，b ，c 要么为低，要么为高，一共有六种 组合状态( a ，b ，c 没有全高或全低的状1 3 态) ，每种状态对应一种六个功率器件的，。 丌关状态。比如当a 为低、b 为高、c 为低的时候，功率器件t l 和t 2 导通。 t 5 当功率器件t l 和t 2 导通时，电流从电 源正极出发，经过t 1 管流入a 相绕组， 再从c 相绕组流出，经t 2 管流回电源。 如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为 正，那么从绕组流出的电流所产生的转矩 0 t i 0 i 一 一 0 l ， ；1 0 一 ， l 0 i ， 0 ， o ， 0 il | o 。 图2 - 3 换相逻辑 f i 9 2 - 3 p h a s e c h a n g el o g i c 则为负，它们合成的转矩疋如图2 - 4 a 所示，其大小为以t ，方向在瓦和一瓦的角平 分线上。当电机转过6 0 。后，这时候a 为低、b 为高、c 为高，由换相逻辑有t 1 。1 2 导 通变成t 2 ，t 3 导通。这肘，电流从t 3 管流入b 婀绕组，再从c 相绕组流出，经7 2 管 流回电源，此时的合成的转矩民如图2 - 4 b 所示，其大小同样为玩，但合成转矩瓦。 图2 - 4 星型连接绕组两两通电时的合成转矩矢量图( 电角度) ( a ) t l ，t 2 导通时的合成转矩( b ) t 2 ，t 3 导通时的合成转矩 ( c ) 两两通电时合成转矩矢量图 f i 9 2 4 c o m p o s i t em o m e n tv e c t o ro fb l d c m ( a ) c o m p o s i t em o m e n tw h e nt 1 & t 2a r ec o n d u c t e d ( b ) c o m p o s i t em o m e n tw h e nt 2 & t 3a r ec o n d u c t e d ( c ) a l lt h ec o m p o s i t em o m e n t 6 塑丝! ! 堡垫堑堂翌垫墨竺竺生塑 塑三堡墨型皇盟塑塑一 的方向转过了6 0 。的电角度。图2 - 4 c 示f _ 了全部合成转矩的方向。幽图可见，绕组产 生了一个旋转转矩。 二启动与调速 由于无刷直流电动机具有类似普通直流电动机的机械特性，因而启动的时候的注意 事项与直流电动机类似。 如果直接起动，由于电枢电感一般很小，拖动系统的机械惯性较大，则在通电瞬间 转速为0 ，反电动势为0 ，起动电流将迅速上升到最大值 小半a 鲁 ( 2 一1 ) n 式中，。为起动电流，u 。，为经整流后的直流电 压，e 。为反电动势，尺。，为电枢绕组的电阻。对于 一般的电机，由于矗。很小，。很大。比如本系统 ( ，。，= 5 1 3 v ，电机r 。= 3 2 5 q ，起动电流将超过1 0 0 7 , ， 远远超出额定电流4 5 a 。这样大的起动转矩产生的 机械冲击将损伤传动机构的涡轮、涡杆、齿轮等部 件。 o l 芝 、二? 、二 、j 、 、j _ ： 图2 - 5 降压起动的机械特性 f i 9 2 - 5 m e c h a n i s mc h a r a c t e r i s t i c o fs t a r tb yr e d u c i n g v o l t a g e 为了限制起动电流，一种办法是起动时在电枢回路内串入起动电阻。起动电阻是 一个多级切换的可变电阻，一般在转速上升过程中逐级短接切换。但是串阻起动要增 加电阻、检测和切换设备，同时电阻也要消耗大量的功率。还有一种方法是降压起动， 起动电流将随着电枢电压降的程度成比例地减小，随着转速的上升，可相应提高电压， 以获得需要的加速转矩。降压起动的机械特性如陶2 5 所示。 无刷直流电动机类似于一般的永磁直流电动机，它靠改变电枢两端直流电压的大小 来改变电动机的转速。考虑到无刷直流电动机的特殊情况，又有两种改变电压的方法。 其一是每相导通的时间维持不变，改变每相导通时加在线圈上的电压幅度大小来实现 调速。这种通过调幅来实现调速的方法，其调速线性度好，但损耗大。为减少损耗， 可采用直流电压变换器供电，以实现调压，但这又增加了线路成本。另一种方法是保 持每相导通时加在电枢线圈上的电压幅度大小不变，而改变每相导通时间的长短，实 质上就是改变了加在线圈上的平均电压的大小，从而也能实现调速。 采用基于d s p 的p w m 控制可方便地改变电椒两端的电压的大小，实现电枢电压的 无级改变，起动、调速方便。 三双运行状态控制方式 无刷直流电动机的控制方法，通常是用转子位置传感器测出电动机转子位置的信 号来控制功率变换器中的逆变器换流，以保证电动机的转予磁场和定子磁场始终保持 7 塑丝生垫垫堑壁望塑墨竺竺婴塑 塑三童垄型曼塑垫塑一 9 0 。的相角差，使其具有一般直流电动机的良好运行性能，故通常称之为无刷直流电动 机。然而，就电动机结构方面而言，无刷直流电动机与永磁式同步电动机有很多类似 之处。变频控制的同步电动机具有良好的调速性能和在突加( 或突卸) 负载时动态速降很 小，但电动机起、制动性能较差和拉入同步时的电流很大。因此，利用无刷直流电动 机结构上的特点，可以采用双运行状态以充分发挥同步电动机的稳态高精度和直流电 动机的动态快速性。 双运行状态控制器如图2 一 6 所示。当无刷直流电动机以 直流电动机方式运行时，控制 器可根据转予位置检测装置所 检测到的转子位置信号去控制 逆变器的换流，即逆变器的换 流方式完全取决于电动机转子 的位置，故称为位越换柏。l 叮 当无刷电动机以同步电动机方 图2 - 6 双运行状态控制框图 f i 9 2 6 b l o c kd i a g r a mo f b i m o t i o n s t a t ec o n t r o l 式运行时，控制器只需准时地控制逆变器换流，以保证能产生稳频的三相正弦电源使 同步电动机能保持在该频率下同步运行，故称为时间换相。 当无刷电动机在位置换相方式运行时，其电磁转矩的大小主要由定予电流决定。 当无刷电动机以同步电动机方式运行时，如果电动机定子电流一定，则电动机定、转 予磁动势的夹角( 电动机功率角) 与负载的大小有关。例如，负载增大时，为使电动机电 磁转矩与负载转矩相平衡，将使电动机功率角增大：反之，则电动机功率角将减小。 2 2 无刷直流电机的数学模型 这里直接利用电动机的相变量( 电压、电流) ，进行无刷直流电机的数学模型的建立， 方法比较简单，且可以获得较为精确的结果。在此，对无刷直流电机作如下的假设： 电机定子绕组为三相y 形连接； 忽略齿槽效应，定子绕组均匀分布于光滑定予的内表面； 忽略磁路饱和效应，不计涡流和磁滞损耗： 不考虑电枢反应，气隙磁场分布近似为矩形波，平顶宽度为1 20 0 电角度； 转子( 永磁体) 没有阻尼作用； 忽略功率器件的导通压降 由该模型可以实现功率器件的电压、电流和损耗波形分析，为功率变换电路的设 计提供依据；电机电流、转矩及转速的波形分析，实现电机系统的动、稳态性能的优 化设计。从而使无刷直流电动机系统与功率电路的一体化分析与设计成为可能。 无刷直流电动机中永磁同步电机常设计成梯形波，电机电压方程为 8 智能也动执行器驱动系统的研究 鹅二章无刷直流电动机 0 0 皿 式中p = d d t ，心、r c 分别为电机a b c 三相绕组电阻，oi pt 为相电流， l 矿l 、已，为定予绕组的自感，m 为绕组互感e 。、e 。、e 。分别为王相绕组的反电动 势。式( 2 2 ) 可用等效电路模型表示，如图2 7 所示。 无刷直流电机的电磁转矩方程脚1 为： d t = 2 = ( g 。i 。+ e b i b + e c i 。) ( 2 3 ) 国 其中，t 为电机的电磁转矩 速度。电机的运动方程为： t = ，丝d t + b t o + 咒 得 为电机转子角 a ( 2 4 ) b 要：一口号+ 专( 瓦一t ) ( 2 - 5 ) d tjj 、l 1 其中，瓦为负载转矩，为转子与负载的转动 惯量，b 为机械阻尼系数。 c n 圉2 - 7 无刷直流电动机的等效电路 f i 9 2 7e q u i v a l e n tc i r c u i to f b l d c m ) 2 _ 2 ( 1，j 6 c p p p 。l + 1，j kk 。l p 1， m o 0 一 t m 0 一o b l m 一0 o d l h，。，l + 1_rrr_f_1tj_f 0 b t 。l1j o o 疋o o p。l f f l，j 6 c 一 一 。1 塑堕鱼垫垫堑墨矍垫墨堕塑婴塑 丝兰童塑! 些塑堂堕型堂塑型塑墅墨塑羔! i l 第三章智能电动执行器驱动系统的设计 3 1 主电路设计 3 1 1主电路的结构设计 一主电路的拓扑结构 主电路主要由整流电路、滤波电路、逆变器以及些保护电路构成，本系统采用 的主电路的拓扑结构如图3 - 1 所示。 恤。 f c 止 t 罩 】r 2 n 酗” 图3 - l 主电路拓扑结构图 f i 9 3 - 1t o p o l o g yd i a g r a mo f m a i nc i r c u i t 结构图的左边为整流模块，采用三相交流电整流获得的直流电的纹波要比单相交流 电整流得到的直流电的纹波来得小，滤波用的电容可以减小，因此本系统采用三相3 8 0 v 供电。为减小系统的体积，使之易于安装，采用三相整流桥模块。 图中的c 2 为滤波电容，它需要有较大的耐压值和较大的电容值。由于刚上电的时 候，电容c 2 两端的电压为0 ，没有电荷，这样将产生很大的充电电流( 相当于瞬间短 路) ，因此在直流母线滤波电容前面加上电阻r i ，防止过高的充电电流。随着电容两 端的电压逐渐升高，充电电流越来越小，这时可采用继电器j 1 把充电电阻r 1 短接。 继电器的打开可由软件控制或由硬件电路控制。并联在c 2 两端的电阻r 2 提供滤波电 容c 2 的放电回路。 右边的虚线框是智能功率模块i p m ，它罩而含有大功率丌关器件t 1 。t 6 和与之相 并联的续流二极管d 1 d 6 ，并且具有其它的自动保护电路，具体的内容下- - , j , 节详述。 原则上，每个开关器件的两端都必须并接阻容吸收电路，以保护开关器件，但在小电 流( 2f 3 - 1 2 ) 其中l = 1 1 1 m h ，r = 3 2 5 q ，把= 2 z 5 t 代入( 3 1 2 ) ，并计算得c 1 0 1 9 ，实 取c = 1 1 0 0 f 。因为直流电压u u = 6 1 5 v ，而现在3 3 0 u f 4 5 0 v 的电解电容体积相对 比较小。故选用两只2 2 0 0uf 4 5 0 v 进行两电容进行串联，以提高耐压。 四散热器的要求 智能电动执行器工作的环境条件恶劣，特别是环境温度较高。整流模块、逆变模块 之所以发热是由于较大电流通过具有一定不向压降的管予，耗散一定功率而产生的， 其耗散功率随整流、逆变功率的大小而有差别。同时，功率器件丌通关断的时候还有 丌关损耗。所生成的热量若能及时散发，则极板温度就不会过高，整流器、逆变器就 可稳定、可靠地工作。否则，极板温度就会上升，影响它们稳定、可靠地工作。 器件温升7 1 与热功率只、p n 结到介质的热阻胄。有如下关系1 ： a t = l 一瓦= r t t l a 。只= ( 尺肌+ 月m + r 酗) p( 3 1 3 ) 式中乃、分别为结温和环境温度，r 。为p n 结到外壳的热阻即内热阻，r 。为 外壳到散热器的热阻即接触热阻，r 。为散热器到介质的热阻即散热器热阻。器件散热 塑丝皇垡垫堡楚矍垫墨堕塑婴塞 丝兰里塑堂皇垫垫! i 型墨竺堕望! ! 一 时的总热阻r 。就是上面三部分热阻的和。内热阻r 。由器件的结构、工艺和材料所决 定，减小内热阻是器件设计者的任务，在实际应用中，电路设计者应力求减少外热阻 r 。和尺。，以达到良好的散热目的。 器件封装形式不同接触热阻冠。则不同。此外接触热阻还与器件与散热器之间是否 有批圈，是否涂硅导热脂有关。接触而涂以含有氧化锌的硅导热脂，可以保护接触面 并填补接触的低洼空隙，增加传热面积。此外，器件与散热器接触表面要平整，其不 平整度不应超过o 0 0 1 m m m m ；器件与散热器要压紧。 散热器热阻只。与散热器的材质、结构、表面颜色、安装位置以及环境冷却方式等 因素有关。散热器的材质有紫铜和工业铝两种。铜散热器表面需进行电镀、涂漆或钝 化，铝散热器表面可涂漆或进行阳极氧化。自冷散热器表面最好是黑色，借以提高辐 射系数，黑色散热器比光亮散热器可减少1 0 1 5 的热阻。散热器多为翼片形状以增加 散热面积。因为热气流向上流动，散热器要垂直安放，故产生所谓烟囱效应。垂直位 胃比水平位置可减少热阻1 5 - 2 0 。散热器的常用冷却方式分为四种：自冷、风冷、液 冷和沸腾冷却，本系统由于功率较小，因此采用自冷方式。 3 2 控制电路的设计 3 2 1 控制电路的结构设计 本系统的控制电路由d s p 和其它外围电路完成。主要包括t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 芯片、 i o 接口电路、电流电压测量电路、光耦及驱动电路、d a 转换器、继电器线圈驱动电 路等。控制电路的框图如图3 - 5 所示。 t m s 3 2 0 f 2 4 0 片内的时钟电路有锁相环，具有倍频功能，加i o m 的晶振可以产生2 0 m 的c p 脉冲。电压传感器测量的是滤波电容两端的电压，电流传感器测量的流过电机的 i 乜掂传 感器 t 乜流传 感 l t m $ 3 2 0 f 2 4 0 系统 总线 a d d iq e pi p w m 驱础 d a 驱动 驱动 参数、一自动切换k 红外遥控 拉i u 阻k ：二 转子位置传感器 位置缩号( 数字量) 叫输入1 j 门 图3 - 5 控制电路框图 f i 9 3 5 b l o c k d i a g r a mo f c o n t r o lc i r c u i t 光耦 光 | ； 薰 韦鲨淼 塑些! ! 垫垫! ! 塑墨型墨竺塑婴壅 笙三童塑堂坐苎垫堑堡矍塑墨竺苎望盐一 相电流。电压、电流的测量信号和调节器送来的模拟位置信号转化为0 5 v 的电压信号 后可以直接送d s p 的a d 输入端。位置传感器的正交脉冲信号送d s p 的正交脉冲编 码单元( q e p ) 。d s p 的p w m 信号经反相器、驱动电路、光耦送i p m 。i p m 的四个保护 信号经光耦、与门送到i o 接口电路。此外显示、报警、参数设定、手自动切换这些 功能由i 0 端i l l 实现。 3 2 2t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 的结构和功能 数字信号处理技术是以数字滤波器和快速傅立叶变换( f f t ) 为核一i l , ，包含有调制、 滤波、正交变换、信号监测等各种功能的数字化信号处理。数字信号处理器( d s p ) 是一 种高速专用微处理器( m c u ) ，运算功能强大，能实现高速输入和高速率传输数据。他专 门处理以运算为主不允许延迟的实时信号，高效进行快速傅立叶变换运算。它包含有 灵活可变的i 0 接口和片内i o 管理，高速并行数据处理算法的优化指令集。t i 公司 于1 9 9 7 年推出了基于电机和开关电源控制的数字信号处理器芯片t m s 3 2 0 c 2 4 x ，可以 为高性能传动控制提供先进可靠 高效的信号处理与控制的硬件。 c 2 4 x 将数字信号处理的运算能 力与面向电机和开关电源的高效 控制能力集于一体。 一t m s 3 2 0 f 2 4 0 的组成 本系统采用的d s p 芯片为 t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，它与t m s 3 2 0 c 2 4 0 类似，由闪速存储器取代e p r o m ， 系统结构如图3 6 所示，主要有 三个组成部分：中央处理单元 ( c p u ) 、存储器和片内外围。 1 中央处理单元( c p u ) t m s 3 2 0 f 2 4 0 的c p u 山3 2 位 中央算术逻辑单元( c a l u ) 、3 2 d a r a m ( b 0 ) 带锁相环的时钟 系统 d a r a m ( b 1 ) 模块 两个1 0 位a d d a r a m ( b 2 ) c 2 x x闪存 s c i c p u ( 1 6 k 字) 地址数据总线 s p i 控制线 看门狗 p w m ，定时器 i o 端口 l l 交脉冲编码单元 仿真器接口 图3 - 6t m s 3 20 f 2 40 的系统结构 f i 9 3 - 6s y s t e ms t r u c t u r eo f t m s 3 2 0 f 2 4 0 位累加器( a c c u m u l a t o r ) 、用于c a l u 的输入和输出数据定标移位器、1 6 位1 6 位输入 结果为3 2 位的并行乘法器( p a r a l l e lm u l t i p l i e l ) 、乘积定标移位器、一个辅助寄存 器算术单元( a r a l u ) 的8 个辅助寄存器组成。 t m s 3 2 0 f 2 4 0 有3 个3 2 b i t 的定标移位器，用于定标、位提取、扩展运算和防溢出 等操作： 输入数据定标移位器( 输入移位器) ：该移位器使1 6 b it 的输入数据左移0 1 6 位， 塑丝生垫垫堡壁望垫墨竺些型塑 笙兰空塑丝! ! 垫垫堡竖翌垫墨竺堕望生一 以使1 6 b it 输入数据与c a l u 的3 2 b it 输入数据对齐 输出数据定标移位器( 输出移位器) ：该移位器可以左移累加器的输出0 7 位之后， 输出被存储于数据存储器中，而累加器的内容保持不变。 乘积定标移位器( 乘积移位器) ：乘积移位器( p r e g ) 接收乘法器的输出。该移位器在 它的输出被作为输入送入c a i u 之前先执行移位操作，乘积移位器有四种乘积移位 方式( 不移位、左移一位，左移4 位和左移6 位) 。这些移位方式有助于执行乘加 操作，完成带小数的运算，或调整带小数的乘积。 t m s 3 2 0 f 2 4 0 片内乘法器执行1 6 h i t 1 6 b i t 二进制码乘法运算，并产生一个3 2 b i t 乘积。为了与乘法器协调，t m s 3 2 0 f 2 4 0 使用1 6 位的暂存寄存器( t r e g ) 和3 2 位的乘积 寄存器( p r e g ) 。t r e g 通常提供其中一个被乘数。乘积寄存器接收每次的乘积。使用乘 法器、t r e g 和p r e g ，t m s 3 2 0 c 2 4 x 能有效地执行诸如卷积、滤波等基本的d s p 操作。每 次乘法指令的有效执行时间可以是一个c p u 周期。 当一条指令采用间接寻址方式访问数据存储器时，a r a l u 就产生数据存储器地址。 a r a i ，u 具有8 个辅助寄存器( 从a r o 到a r 7 ) 。每个辅助寄存器均可装入数据存储器的( 或 直接从一个指令字装入) 一个1 6 b i t 数据，数据存储器可存储每个辅助寄存器的数据。 通过对状态寄存器s t o 内的一个3 b i t 辅助寄存器指针( a r p ) 编程可访问a r o a r 7 中的 仟一辅助寄存器。 2 存储器和i 0 空间 t m s 3 2 0 f 2 4 0 存储器由4 个可独立选择的空间组成：程序、本地数据、全局数据和 i 0 空间。这4 个空间构成了一个总共2 2 4 k 字的地址范围。 t w s 3 2 0 f 2 4 0 含有5 4 4 字1 6 b i t 的片内d a r a m 。每个机器周期可对片内d a r a m 存储器 进行两次存取，因此c p u 的速度得到了提高。这种存储器主要用于保存数据，但是， 在需要时也可以保存程序。通常，c p u 操作在一个4 周期的流水线内，在这个具有4 周 期的流水线中，c p u 在第3 周期读数据，在第4 周期写数据。但d a r a m 允许c p u 在一个 周期内读、写数据。c p u 在周期的正相向d a r a m 存储器写数据，在周期的负相从d a r a m 读数据。例如，假定两个指令( a 和b ) 要在d a r a m 中存储累加器值，并将d a r a m 的一个 新值装入累加器，指令a 在c p u 周期的正相期内存储累加器值，而指令b 则在负相对 累加器装入新值，可在一个周期内完成。出于部分双存取操作是写操作，所以它只用 于r a m 存储器。 t m s 3 2 0 f 2 4 0 片内具有4 k1 6 b i t 的单存取r a m ( s a r a m ) 存储器。与s a r a m 对应的地 址可用于数据存储器和程序存储器，并且根掘器件的不同，利用软件或硬件配置为外 部存储器或内部s a r a m 。当配置成外部存储器时，这些地址可用于片外数据和程序存储 器。当配置成内部s a r a m 时，程序代码可以从片外r o m 调入，并且，一旦代码装入片 内s a r a m ，它就被全速执行。由于s a r a m 被分配了程序和或数据存储器空间。因此， 与d a r a m 块相比，s a r a m 允许更灵活的地址分配。每个c p u 周期仅能访问一次s a r a m 存 塑墼皇塑垫堡塑翌垫墨堕塑婴塞 笙三兰塑! 塑堑塑墅型塑墅塑墅塑型! ! ! 一 储器。如果c p u 请求多次存取，则s a r a m 将作出多存取安排。其方法是向c p u 提供一 个未就绪( n o tr e a d y ) 状态，然后再按每周期执行存取操作。例如，假定指令要求存储 累加器值然后再向累加器装入一个值，则在s a r a m 中完成该操作需要2 个周期，而 在d a r a m 中仅需1 个周期。 t i d s 3 2 0 f 2 4 0 包括片内闪速存储器块。它具有可擦除、可编程和非易失电等特点。 每个闪速存储器块含有一组控制寄存器，它们允许对存储器进行擦除、编程和检测。 在复位期间，通过将m p m c 设置为低电平可以选择闪速存储器。如果未选择闪速存储 器，则从片外存储器开始执行操作。 3 片内外围电路 t m s 3 2 0 f 2 4 0 的片内外围包括如下几部分：带锁相环的时钟电路、事件管理器( e v e n t m a n a g e r ) 、两个1 0 位8 通道选1 的a d 转换器、串行i - t 。下而介绍一下