（电力电子与电力传动专业论文）基于gprs的无刷直流电机的远程监控系统.pdf

江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h eb l d c mh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，r e l i a b l er u n n i n g ，a n d m a i n t a n e n c ec o n v e n i e n c e i ta l s oh a st h ec h a r a c t e r i s t i c sw h i c hd cm o t o rh a s ，s u c ha s h i g ho p e r a t i n ge f f i c i e n c y , l e s s e x c i t a t i o nl o s s a n de x c e l l e n td r i v ep e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，s i n c ei tw a si n v e n t e d ，i td e v e l o p e dv e r yf a s ta n dw a sp o p u l a r i z e db yp e o p l e a tp r e s e n t , t h eb l d c mi su s e dw i d e l yi nv a r i o u sf i e l d s ，s u c ha sn u m b e rc o n t r o l m a c h i n et o o l s ，r o b o t i c s ，i n s t r u m e n t s ，v e h i c l e s ，c o m p u t e rp e r i p h e r ye q u i p m e n t s ，a n ds oo n t h eb l d c mi so nt h er e s e a r c hc o n d u c t e di nt h ec o n t e x to fo i lf i e l d o i l f i e l dp l a n th a sm a n gc h a r a c t e r i s t i c s f o re g e n v i r o n m e n ti sb a d p e o p l ei sl a c k a n di ti sn o tc o n d u c i v et ow i r i n go c c a s i o n s a l s o ，b e c a u s em o t o ri sp l a c e do u t s i d e ， d e c o r a t e dh i g hc o s to fc o n n e c t i v i t yw i r e di n t e r n e ta n dg o v e r n e db yt h ee x t e r n a l e n v i r o n m e n tm o r e ，a n dn e e d st os p e n dal o to fm a n p o w e ra n dr e s o u r c e s t h e r e f o r e ， w i r e l e s si n t e r n e ta c c e s su s i n gg p r si n s t e a do fw i r e ds u r v e i l l a n c et om o n i t o rt h ew a y a sf e a s i b l e t h i sp a p e ri n t r o d u c e sb l d c mo ft h eb a s i c w o r k i n gp r i n c i p l e ，o p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c s ，a n da n a l y s i so fm a t h e m a t i c a lb l d c mp w mm o d u l a t i o nd e t a i l e d l y t h e nt h ep a p e ri n t r o d u c e dt h em o n i t o r i n gs y s t e md e s i g np r o g r a m c u r r e n t l y , i n t h ef i e l do fm o t o rc o n t r o l l i n g ，t h ep r e f e r r e dc h i pi sd s p t h es y s t e mu s e st lc o m p a n y d e d i c a t e dt ot h em o t i o nc o n t r o ls y s t e mf o r t h em o t o rc o n t r o lc h i p - d s pt m s 3 2 0 f 2 812 ， a n dp r e l i m i n a r yd e s i g n e dab l d c ms p e e dc o n t r o ls y s t e m t h es y s t e mh a sr e a l i z e d r e a l t i m ec o n t r o lo fb r u s h l e s sd cm o t o r ，a n dh a sg o o ds p e e dp e r f o r m a n c e f u r t h e r , t h es y s t e mh a si n n o v a t i v ei yu s e da r m 9 a sb a s e dc o n t r o l l e r s ，e m b e d d e d l i n u xo p e r a t i n gs y s t e mt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ef a c t o r y o n ，f o re g c o n t r o l l e r s s i z e ，p o w e rc o n s u m p t i o n ，a n dr e a lt i m er e q u i r e m e n t s s ow ef o r m e dt h ec o n t r o ls y s t e m b a s e da r m + d s pc o n t r o l l e r a r m sr o l ei st oa c h i e v ec o n t r o lo ft h ee n t i r es y s t e m ， i n c l u d i n gt h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ，m o n i t o rt h eo p e r a t i o na n dh i s t o r i c a ld a t a s t o r a g e d s pi sr e s p o n s i b l ef o rc o n t r o l l i n gb r u s h l e s sd cm o t o rs t a r t ，s t o p ，r e s e t ，s e tt h e p a r a m e t e r ss u c ha ss p e e d f i n a l l y , o nt h eb a s i so ft h ea b o v ew er e a l i z e dt h ew i r e l e s sn e t w o r kc o n t r o l s y s t e mo fb l d c mb a s e do ng p r s i tp r o v i d e san e w , v i a b l eo p t i o ni n r e m o t e c o n t r o l i n gf o rm e d i u ma n dl a r g ei n d u s t r i a lf a c t o r y e x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t et h a tt h e c o n t r o ls y s t e m si sg o o d ，s t a b l e ，r e l i a b l e ，e a s yo p e r a t i o n ，a n df r i e n d l yo p r a t a t e d k e y w o r d s ：b l d c m ，g p r s ，a r m ，r e m o t ec o n t r o l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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。 书。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权 不保密一。 学位论文作者签名：上参唬与， 导师签名： 签字日期：沙，。年占月，彩日签字日期：口口年夕月，移日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。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 完全意识剑本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： i 盟脚， 日期：f 。年 6 月，6 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早三百下匕 1 1 永磁无刷直流电机简介 科学技术的飞速发展推动了世界工业化进程，社会发展速度不断加快，人民 生活质量逐步提高，随之而来的能源危机成为人类生存和发展所需要解决的紧迫 问题。电机作为当今世界应用最为广泛的机电能量转换装置，约消耗电能总量的 6 0 。因而，提高其运行效率能够有效缓解全球能源短缺、确保世界经济持续稳 定发展。同时，国民经济的发展、科学技术的进步对电机的运行性能及控制精度 提出了更高的要求，传统类型电机已不能满足社会发展的需求，开发节能高效、 运行可靠的新型电机逐渐成为科研人员的研究热点。与其它类型电机相比，永磁 类电机依靠永磁体建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场，不需外加能量实现 励磁，省去了励磁装置、简化了电机结构、减轻了电机重量，在节约能源、降低 损耗方面具有明显优势。永磁类电机的开发研制对于提高能源利用效率、缓解能 源危机具有重要意义。此外，永磁类电机还具有电磁干扰小、运行可靠、维护方 便、形状和尺寸灵活多样等诸多优点，在家用电器和工业生产领域拥有广阔的应 用空间和良好的发展前剥1 l 【2 l 。 永磁无刷直流电机是永磁类电机中应用最为广泛的机型，永磁无刷直流电机 涉及材料科学、电力电子技术、计算机技术等多门学科领域，是一种典型的机电 一体化产品。相关行业的技术进步为无刷直流电机性能的提高提供了强大支持， 使永磁无刷直流电机朝着数字化、智能化及多功能一体化的方向发展，其应用领 域也不断拓宽。近十年来，其应用范围已扩展到计算机系统、家用电器、工业过 程控制等诸多领域。 在工业控制领域，由于永磁无刷直流电机具有良好的控制性能，而且随着稀 土永磁材料和电力电子技术的发展，其性价比不断提高，非常适合现代工业中自 动化生产线等方面的需要。针对工业领域的实际需要，众多电机制造厂商争相推 出永磁无刷直流电机相关产品，加快了永磁无刷直流电机的推广进程，也展示出 了该电机广阔的发展前景【3 】【4 】1 5 1 。 江苏大学硕士学位论文 1 2 本课题的应用背景 因为在工控领域无刷直流电机的广泛应用，无刷直流电机也大量应用与油田 行业。油田是一个以油气生产为主，集勘探、开发、施工作业、后勤辅助生产、 多种经营、社会化服务为一体的，专业门类齐全的特殊领域。油田的勘探、钻井、 测井、录井等是野外作业，流动性强，点多、分散、距离长，施工现场与公司之 间的信息交流长期以来没有好的解决方案。目前，国内各大油田的管理层十分重 视油田信息化建设，纷纷提出未来一个时期油田信息化建设的具体目标。抽油机 是油田主要的连续运行设备，需要2 4 小时不问断运行，但由于其分白范围广且 处于野外，工作人员对于它的运行状况很难及时了解，以前，采油测试工要到每 个现场进行测试，费时费力不说，对每口井的工作状态也很难把握，有时一口井 发生故障，往往许多天后才发现。在一定程度上影响了采油单位的正常生产。当 油田内部信息化达到一定程度后，如何将众多分散的开发生产单元和信息单元纳 入整体信息化进程是目前一个亟待的问题。比如众多的油井( 抽油机井、注水井、 电泵井、螺杆泵井) 、计量站、配水站、注聚站、转油站、联合站、水源井、锅 炉房、易燃易爆重点监控场所、输油、供水、供电的诸如电流、电压、电量、温 度、压力、液位、流量、含水、示功图等重要生产参数的采集、监控、上传、网 上共享等。 。 目前采油队主要采取的故障解决方法还是定检法，就是采油工定期、定时对 抽油机进行巡检，可目测的己知故障进行上报处理；人工采用机械方式对未知情 况的抽油机各项参数进行录取，录取后的数据进行人工计算分析，诊断出问题后 再到现场进行处理，费时、费力、问题发现的周期长，准确性差。 随着油田工业的发展、现代工业自动化水平的提高和因特网技术的迅速发 展，实现采油井自动化监控已是采油井科学管理的必然趋势，如何进行投资少、 见效快的技术改造是整个石油行业非常关心的问题。于是远程监控技术应用于油 田监控领域成为一种趋势。 1 3 远程监控方案的选择 对于监控技术，国内外的监控技术多样化，目前常用的远程监控方法主要分 2 江苏大学硕士学位论文 为有线监控和无线监控。 有线监控包括：利用网络芯片与i n t e m e t 网络相结合的有线监控( 例如a d s l ) 等利用有线进行监控f 6 】1 7 j 【s j ，例如a d s l ，系统利用c s 8 9 0 0 等网络芯片，通过标 准r j 4 5 接口与i n t e m e t 相连。然而对于本系统所应用的背景来说，系统受地域 的影响较大，不但不易布网线，而且即使能够布网线，线路也需要经常维护。这 样不仅使系统的稳定性、可靠性大大降低，这样也会带来系统附加成本的上升。 所以无论是从成本的角度还是系统可靠性的角度来讲，采用有线监控具有明显的 缺点。 无线监控具有以下优点： l 、综合成本低，只需一次性投资，无须挖沟埋管，特别适合室外距离较远及已 装修好的场合；在许多情况下，用户往往由于受到地理环境和工作内容的限制， 例如山地、港口和开阔地等特殊地理环境，对有线网络、有线传输的布线工程带 来极大的不便，采用有线的施工周期将很长，甚至根本无法实现。这时，采用无 线监控可以摆脱线缆的束缚，有安装周期短、维护方便、扩容能力强，迅速收回 成本的优点。 2 、组网灵活，可扩展性好，即插即用，管理人员可以迅速将新的无线监控点加 入到现有网络中，不需要为新建传输铺设网络、增加设备，轻而易举地实现远程 无线监控。 3 、维护费用低，无线监控维护由网络提供商维护，前端设备是即插即用、免维 护系统。 目前的无线监控主要包括：蓝牙监控，红外监控，利用g p s 监控，以及利用 g p r s 网络的无线远程控制。利用无线进行监控，蓝牙监控基本实现原理为蓝牙 设备依靠专用的蓝牙微芯片能使设备在短距离范围内发送无线电信号，来寻找另 一个蓝牙设备。一旦找到，相互之间便开始通信，交换信息。蓝牙工作频率为 2 4 g h z 频段，开放性高，采用跳频技术，受干扰小。在数据传输过程中对收发 器的位置状态没有特别要求，并且可以移动，只要不超过信号有效距离即可，不 要求苛刻的传输条件，实用性高。它主要应用在短距离无线应用的场合，例如无 线终端，医疗设备等。对于远距离的数据传输是不适用的【9 】【1 0 j 【l l l 。油田领域具有 很大的离散型，需要远距离控制，所以采用蓝牙进行远程监控不可行。 3 江苏大学硕士学位论文 g p s 是g l o b a lp o s t i o n i n gs y s t e m 的简称，即全球卫星定位系统。g p s 最初只 是运用于军事领域，目前g p s 己被广泛应用于交通行业，它利用g p s 的定位技 术结合无线通信技术( g s m 或c d m a ) 、地理信息管理系统( g i s ) 等高新技术，实 现对车辆的监控，经过g s m 网络的数字通道，将信号输送到车辆监控中心，监 控中心通过差分技术换算位置信息，然后通过g i s 将位置信号用地图语言显示出 来，最终可通过服务中心实现车辆的定位导航、防盗反劫、服务救援、远程监控、 轨迹记录等功能。由于g p s 主要用于定位，而不适宜数据和参数的传输，所以 也不能用于本系统。 g p r s 技术是在现有的g s m 系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务， 其最大优势在于它的数据传输速度大大提高，目前已达到了l1 5 k b p s ，其次g p r s 是按g s m 标准定义的封包交换协议，可快速接入数据网络。它在移动终端和网 络之问实现了“永远在线”的连接，网络容量只有在实际进行传输时在被占用， 基于这些优势，g p r s 技术适合进行数据传输，同时由于其可靠性，可以进行远 程控制的设计。利用g p r s 无线传输，也要借助i n t e m e t 公网作为传输媒介，但系 统移放便利，受地域的影响较小，只要是有移动网络的地方都可以使用，而且成 本低，可以替代有线的监控系统，因此是一种有效的远程监控系统。 作为移动数据业务最主要的承载方式，与其他无线通讯方式相比，g p r s 业 务具有实时传输、运营费用低、网络覆盖范围广等优点。因此，基于g p r s 数据 传输业务在多种行业中得到了广泛应用，如用于监控、金融等。作为2 5 g 网络， g p r s 技术是g s m 网络由2 g 向3 g 平滑过渡的必由之路【1 2 l 【1 3 l f l 4 j 。与2 g 相比较， 其具有以下技术优势： ( 1 ) 资源利用率高 g p r s 引入了分组交换的传输模式，使得原来采用电路交换模式的g s m 传 输数据方式发生了根本性变化，这在无线资源稀缺的情况下显得尤为重要。按电 路交换模式来说，在整个连接期内，用户无论是否传送数据都将独自占有无线信 道。而对于分组交换模式，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味 着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源利用率。 ( 2 ) 实时传输 g p r s 理论上可提供最高值为171 2 k b i t s 的传输速率，这意味着g p r s 用户 4 江苏大学硕士学位论文 能和i s d n 用户一样快速地上网浏览，同时也使一些对传输速率敏感的移动多媒 体应用成为可能。 ( 3 ) 运营费用低 g p r s 用户的计费以通信的数据量为主要依据，体现了“得到多少、支付多 少 的原则。通常，传输1 k 字节的数据需0 0 1 , 0 0 3 元，相对于短消息( s m s ) 、 拨号上网等方式而言，采用g p r s 方式能够有效降低运营费用。 ( 4 ) 支持l p 协议和x 2 5 协议 g p r s 支持因特网上应用最广泛的l p 协议和x 2 5 协议。而且由于g s m 网 络覆盖面广，使得g p r s 能提供i n t e r n e t 和其它分组网络的全球性无线接入。 1 4 本系统研究的主要内容 根据油田的实际情况和特点，系统将立足于整个油田的管理体系，构建一个 合理的管理框架，这个框架就是能够实现企业管理层面、功能管理层面、应用管 理层面、物理管理层面的信息平台。在这个信息平台上，完成油田生产的各种自 动化管理，从而达到进的管理水平。 目前本系统解决的问题仅仅是整体管理中的一部分，抽油机的自动化监控就 是其中的一个实际应用。 借助“基于g p r s 的无刷直流电机的监控系统”，管理人员足不出户就可以 通过该系统随时观测到油井的生产状况。基于g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的抽油机井参数实时监测可以方便快捷的为油田架构一个远程测控系统，实现数 据的采集、远传、接收、数据信息的处理分析、远程控制等功能【1 5 l f l 6 l 【1 7 】。该系 统以公网资源g p r s 移动通信网为基本数据通道，在每个需要数据采集的分散业 务单元端，安装具有g p r s 无线数据通讯能力的远程测控终端。同时在控制中心 通过专线或使用配有若干g p r s 无线通讯模块管理的计算机，进行各种设备的远 程数据采集，采集的数据自动进入控制中心，便捷地实现从单井( 抽油机井) 、单 站( 计量站、转油站、水站、联合站、注聚站) 、采油队、油矿、采油厂、分公司 和股份公司之间的网络链接。该系统由监控中心、远程测控终端及各种现场测试 仪器组成【1 8 】【1 9 】【2 0 】。监控中心可以配置服务器、工控机、打印机、u p s 电源、接 收机等设备，主要是通过对井口参数的实时检测，采用轮询应答的通信方式， 5 江苏大学硕士学位论文 将检n - n 的油井状态，现场数据通过g p r s 方式发送到监控中心，传送给采油二 厂实时数据库服务器，与油田局域网连接，并以c s 模式使生产管理的各个部 门能够及时掌握油井工作状态，一旦出现故障，操作界面就会出现提示，维护人 员就能够在最短的时间内赶到现场，进行现场控制及时排除故障。缩短油井故障 处理时问，提高开井时率，增加原油产量，提高工作效率。 本系统是以p c 为上位机即服务器端，a r m + d s p 为远程控制器( 即客户端) 控制电机和进行数据采集。当油f f l 中多台电机同时开机工作时，他们会首先运行 移植的l i n u x 操作系统进行各部件的初始化，然后通过g p r s 模块登陆i n t e r n e t 公网并与服务器端连接。此时在服务器端会出现v b 控制界面，电机的运行状况 也会实时在界面上显示。操作人员可以根据情况设定电机转速，启停，复位等参 数进行设定，并可以将有用的的数据存入数据库便于以后的查询。 6 江苏大学硕士学位论丈 第二章无刷直流电机的运行原理和控制方法 2 1 无刷直流电机的运行原理及运行特性 以二相导通星形三相六状态无刷直流电机为例来说明其工作原理。 当转子稀土永磁体位于图2 1 ( a ) 所示位置时，转子位置传感器输出磁极位置 信号，经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开关管v 1 、v 2 导通，即绕 组a 、b 通电，a 进b 出，电枢绕组在空问的合成磁势。此时定转子磁场相 互作用拖动转子顺时针方向转动。电流流通路径为：电源正极_ v l 管_ a 相绕 组_ b 相绕组_ v 6 管一电源负极。当转子转过6 0 度电角度，到达图2 一l ( b ) 中位 置时，位置传感器输出信号，经逻辑变换后使开关管v 6 截止，v 2 导通，此时 v 1 仍导通。则绕组a 、c 通电，a 进c 出，电枢绕组在空间合成磁场如图2 1 ( b ) 中只。此时定转子磁场相互作用使转子继续沿顺时针方向转动。电流流通路径 为：电源正极_ v l 管_ a 相绕组一c 相绕组_ v 2 管- 电源负极，依次类推。当 转子继续沿顺时针每转过6 0 度电角度时，功率开关管的导通逻辑为 v 3 v 2 一v 3 v 4 _ v 5 v 4 一v 5 v 6 _ v l v 6 ，则转子磁场始终受到定子合成磁场 的作用并沿顺时针方向连续转动。 a o x n ) 图2 - 1 稀土永磁无刷直流电机工作原理示意图 在图2 - 1 ( a ) 到( b ) 的6 0 度电角范围内，转子磁场顺时针连续转动，而定子合 成磁场在空问保持图2 1 ( a ) 中f o 的位置不动，只有当转子磁场转够6 0 度电角度 到达图2 一l ( b ) 中的位置时，定子合成磁场才从图2 - l ( a ) q hr o 位置顺时针跃变至 7 江苏大学硕士学位论文 ( b ) 中e 的位置。可见定子磁场在空间不是连续旋转的磁场，而是一种跳跃式旋 转磁场，每个步进角是6 0 度电角度。 当转子每转过6 0 度电角度时，逆变器开关管之问就进行一次换流，定子磁 状态就改变一次。可见，电机有6 个磁状态，每一状态都是两相导通，每相绕组 中流过电流的时间相当于转子旋转1 2 0 度电角，每个开关管的导通角为1 2 0 度， 故该逆变器为1 2 0 度导通型。 无刷直流电动机的运行特性与传统有刷电动机相似，在不考虑开关管动作过 程和电枢绕组电感，可采用基于直流电机平均值的概念分析和计算电磁参数。本 文给出了无刷直流电机运行时的转速特性、机械特性、转矩特性和效率特性。 转速特性： 刀= 厂( l )( 2 - 1 ) 打= 警 ( 2 ：2 ) 其中，为外加额定电压。 电机空载时，电枢电流很小，l 也近似为零，所以空载转速可近似为 = 等。 倍3 ， 。为空载时的每极磁通( w b ) 。 电机的转速变化率玎为 知：堡二塑1 0 0 ( 2 - 4 ) n n 对于永磁无刷电机，血通常很小。 电机转矩特性： 乙= 厂( l )( 2 5 ) 乙：婴：g l ( 2 - 6 ) z 7 r 口 随着电枢电流的增加，每极磁通随电枢电流的增加略有减小，所以电磁转矩 8 江苏大学硕士学位论文 的增加比电流增加略慢。 电机机械特性： ，= 厂( l ) 肛警c o= 訾一南乙 c qc c t q y 。 ( 2 忉 ( 2 8 ) 机械特性是一条下降的曲线。由于电枢电阻较小，机械特性的斜率很小，特 性硬。 电机效率特性： i = f ( p 2 ) 7 72 p _ _ c _ 2 x1 0 0 = + p 参2 1 0 。 其中，p 为电动机的总损耗。 2 2 无刷电机的数学模型 ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 无刷直流电机的特征是反电动势为方波或梯形波【2 2 1 。方波反电动势意味着 定子和转子问的互感是非正弦的，其中包含着较多的高次谐波，由于方波永磁无 三； = 三； 茎 + 考兰錾 弓； 芝 + 圣 c 2 一， 式中、定子相绕组电压( v ) ；乞、定子相绕 9 江苏犬学硕十学位论文 组电流( a ) ：e a 、巳一定子相绕组电动势( v ) ；r _ 每相绕组的电 又由于三相绕组对称，有乞+ 蠢+ = o ，代入上式可得： 三； = 三兰习 蔓 + 三 - 三 - 呈m 丢 + 三i c 2 - t 2 ， 电压平衡方程 图2 - 2 无刷直流电机等效电路模型 u = e o + id r 。+ 2 u t ( 2 - 1 3 ) 其中，u 为外加电压( v ) ；l 为电枢电流；兄为电楸绕组电阻( q ) ；u ，为开 关器件的管压降；e 为电枢绕组内的感应电动势( v ) 。 感应电动势 e = 篆锄= e n ( 2 - 1 4 ) 其中，p 为电机极对数；n 为电枢绕组总导体数；为每极气隙磁通( w b ) ； a 为电枢绕组的并联支路数；1 1 为转速( r m ) ；e 为电动势常数。 电磁转矩 乙：9 - 关- ( 1 ) i o ：g ，。( 2 - 1 5 ) 其中，g 为转矩常数。 电磁功率 l o 江苏大学硕士学位论文 匕= 乙q = 筹吡瓷= 篆酬。= e ( 2 - 1 6 ) q 为转子机械角速度( r a d s ) 。 功率平衡方程 u i o = e 8 l 。+ 1 2r o + 2 u f l dq 1 7 ) 即只= 匕+ 洳+ b ( 2 18 ) 其中，为电机输入功率；匕为电磁功率；段锄为电枢绕组铜耗；p ，为开 关器件损耗功率。 匕= b + 名+ 厶 ( 2 一l9 ) 其中，昱为电机的输出功率；如为铁耗；p 伟为机械摩擦损耗。 转矩平衡方程 乙= 互+ 瓦 ( 2 2 0 ) 其中，疋= 鲁为电机轴上机械负载转矩( n m ) ；瓦= 垦挚为空载阻尼转 矩( n m ) 。 2 3 无刷直流电机转速控制方法 p w m ( p u l s ew i d t hm e d u l a t i o n ，脉宽调制) 是利用半导体开关器件的导通与关 断把直流电压变为电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到改变电 压的目的，或控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期以达到变压变频的目的。 无刷直流电机的转速调节是通过脉宽调制( p w m ) 技术来实现的。对于其功率 逆变器为桥式电路结构的三相无刷直流电动机而言，p w m 信号实现调压调速的 调制方式有两种：半桥调制和全桥调制。对功率逆变桥的所有开关元件t 1 t 6 进 行脉宽调制，即“全桥调制”。在任意时刻，只对功率逆变桥的上半桥t l ，t 3 ， t s ( 或下半桥t z ，t 4 ，t 6 ) 进行脉宽调制，即“半桥调制”。对于半桥调制，又分 为“对称半桥调制 和“不对称半桥调制”。对称半桥调制是指将每一个功率管 的开关状态分为两个不同阶段，前6 0 0 保持全通( 或调制) ，后6 0 0 进行调制( 或全 通) ，即上下桥臂对称调制。不对称半桥调制是指在1 2 0 0 区间内要么只对上半桥 江苏大学硕士学位论文 调制，要么只对下半桥调制。 对于方波无刷直流电动机而言，其理想的反电势、相电流波形如图2 3 所示。 图中的e 。、e b 、e c 波形分别为电机三相绕组的反电势，i 。、i b 、i 。分别为三相绕组 的电流。 。；t i 乜 一 l | |厂、 a i ! 陡；厂弋? 图2 - 3 无刷直流电机电动势、电流的理想波形 不同的调制方式对电枢电流的影响是不同的，进而对转矩的影响也不同。以 t i ，t 6 导通的6 0 “电角度时问为例，此时a ，b 两相为导通相，c 相为截止相， e 。、e b 、e 。波形见图2 3 所示。电机运行时，设e 为相反电势幅值，e u d ，所以t s 的反并联二极管d s 正偏，从而 导致c 相导通，这就是非换向期间的截止相导通现象。同理，设t 6 接受导通信 号，t l 接受p w m 信号，经过分析可知，当t l 截止时，u c 0 ，二极管d 2 正偏， c 相仍然会导通。由于电机运行当中，截止相也续流导通，导致电机此时处于三 相同时导通状态，这将引起电机电枢绕组内电流发生较大的波动，从而也使电机 1 2 江苏大学硕士学位论文 转矩脉动增大。无论是不对称半桥调制还是对称半桥调制，p w m 信号只对导通 周期内的一对元件的一个起作用，所以不对称半桥调制方式和对称半桥调制方式 在t 1 t 3 时间内对截止相的影响作用其实是相同的。也就是说，在对称半桥调制 时仍然会出现截止相续流导通的现象。但是由于对称半桥调制时上下桥臂的调制 是对称的，电压和电流对称，所以电流和转矩的脉动比不对称半桥调制时要小。 全桥调制时，仍以t 1 一t 3 时间为例，p w m 信号对t l 及t 6 都起作用，t i 、t 6 导通时的电流与半桥调制时相同，此时，中点o 的电位u 萨u 0 2 ；当t i 、t 6 同时 截止时，电机a ，b 两相的电流通过d 4 、d 3 及电容构成回路，中点。的电位仍 然有u o - - u 9 2 。所以c 相端电压在u o 2 + e 到u a 2 一e 间变化，即6 0 0 电角度内， 都有0 u 。 u d ，所以d 2 与d 5 均处于反偏状态，从而c 相不会导通，也就是说 全桥调制时不存在非换向期间的截止相导通现象。同时由于在电机运行期间，中 点o 的电位不会发生变化，所以电流波动较小，电机转矩脉动也较小。 通过以上对电路的分析可知，如要避免截止相导通，就必须使截止相的端电 压不要超过直流母线电压，也不要低于零电压。这样，连接在该相上的上下桥臂 二极管均不会正向导通，从而杜绝了续流电流的产生。 总的来说，半桥调制截止相会产生续流，导致其余两相电流产生波动。电流 波动的频率与斩波频率一致，且电机转速越高，电流波动越大。如果采用全桥调 制，则始终是两相导通，截止相不会产生续流，并且电机中性点电压在电机运行 期间始终不会改变，电流波动小，转矩脉动也较小。但在相同的带宽以及运行工 况下，全桥斩波的斩波频率远远高于前两种斩波方式，损耗也较大。 2 4 本章小结 本章主要介绍了无刷直流电机的运行及运行特性，无刷直流电机的数学模型 以及转速控制方法。 江苏大学硕士学位论文 第三章系统总体设计 3 1 系统整体设计介绍 内核源码开放的l i n u x 与a r m 体系处理器相结合，可以发挥l i n u x 系统支 持各种协议及存在多进程调度机制的优点，从而使开发周期缩短，扩展性增强。 作为数字处理专用电路，d s p 的数字信号处理能力十分强大，但对诸如任务管理、 通信、人机交互等功能的实现较为困难。 如果将这三者结合起来，a r m 作为主控芯片，控制整个系统f 2 3 1 2 4 j 【2 5 j ；d s p 作为从处理器，进行对电机的信息采样和对电机的控制：l i n u x 操作系统移植到 a r m 中，实现多任务处理，而且可以大大提高整个系统的性能。最后通过提供 形化友好的人机交互环境完成数据分析和网络传输等功能，就会最大限度的发挥 三者所长。 本系统以a r m + d s p 为核心，通过串口与g p r s 模块相连接。上位机在v b 图形界面下通过g p r s 网络远程控制电机启停、转速，并得到电机当前的运行状 况。如图3 1 。d s p 从控制器主要负责对电机的控制和信号的采集，a r m 主控 制器主要实现对整个系统的控制。在a r m 中通过移植l i n u x 操作系统，可以更 好的实现对系统的控制。同时，为了防止g p r s 网络连接不畅的情况下导致无法 进行远程控制，并且会带来大量的数据遗漏或丢失，我们外接了按键和l e d ， 实现了现场控制电机，增加了s d 卡，可以对电机运行状况进行备份，防止数据 丢失。 1 4 江苏大学硕士学位论文 广一一一1f 一一一一一一一一一一一一一一广一一i il l 一一一一ll 一一一一一一一一一一一一一一jl 一一i 图3 1 基于g p r s 的无刷直流电机的远程控制系统整体设计框图 3 2 主控模块$ 3 c 2 4 1 0 3 2 1 $ 3 c 2 4 1 0 介绍 $ 3 c 2 4 1 0 是a r m 9 系列的主流控制器，且技术成熟，价格合理，功能强大， 适合本系统的使用。 s 3 c 2 4 1 0 a 是一款基于a r m 9 2 0 t 内核的，采用0 1 8 u m 工艺制造的16 3 2 位 r i s c 嵌入式微处理器【2 6 】【2 7 1 。主频：2 0 3 m h z 。它采用五级流水线和哈佛结构， 可提供1 1m i p s m h z 的性能，是高性能和低功耗方面最佳的硬宏单元。 a r m 9 2 0 t 具有全性能的m m u 、指令和数据c a c h e 以及高速a m b a 总线接口。 a i 洲9 2 0 t 核由a r m 9 t d m i 、存储管理单元m m u 和高速缓存三部分组成。其 中，m m u 可以管理虚拟内存：高速缓存由独立的1 6 k b 地址和1 6 k b 数据高速 c a c h e 组成。m 蝴9 2 0 t 内有两个内部协处理器：c p l 4 和c p l 5 。c p l 4 用于调试 控制，c p l 5 用于存储系统控制以及测试控制。内核结构如图3 2 所示 江苏大学硕士学位论文 指令m m i j 敏箍t ：m m i j 指令c a c h e c p1 5 数i l l ：c a c h e 圉 图3 2 a r m 9 内核结构图 $ 3 c 2 4 1 0 a 集成了一个l c d 控制器( 支持s t n 和t f t 带有触摸屏的液晶显示 屏) 、s d r a m 控制器、3 个通道的u a b t 、4 个通道的d m a 、4 个具有p w m 功 能的计时器和一个内部时钟、8 通道的1 0 位a d c 。$ 3 c 2 4 1 0 a 还有很多丰富的 外部接口，例如触摸屏接口、i i c 总线接口、两个u s b 主机接口、一个u s b 设 备接口、两个s p i 接口、s d 接口和m m c 卡接口。$ 3 c 2 4 1 0 a 对于片内外设的 结构图如图3 0 所示。 $ 3 c 2 4 1 0 a 对于片内的各个部件采用了独立的电源供给：内核采用1 8 v 供电； 存储单元采用3 3 v 独立供电。 匿圈 l删a ；糖l 乍令 广零鬲雹祸 | 愀d 翌：溯| i 。o 酝f l 图3 - 3 $ 3 c 2 4 1 0 a 片内外设结构框图 1 6 一一一一 一一一一一四 江苏大学硕士学位论文 3 2 2 主控制器要实现的功能 ( 1 ) 接受d s p 采集的信号并进行处理。 ( 2 ) 向电机发送调速，启停控制信号。 ( 3 ) 控制g p r s 模块，实现拨号上网等功能。 ( 4 ) 将电机的运行数据保存在s d 卡中。 ( 5 ) 响应键盘对电机的现场控制和l e d 的显示功能。 ( 6 ) 移植并运行l i n u x 操作系统。 3 2 3s 3 c 2 4 l o a 存储空间的分配 $ 3 c 2 4 1 0 a 使用线性地址空划2 8 l ，空问大小为4 g b ，存储空间被映射到地址 空间的低地址部分。存储空问分成8 个组( b a n k ) ，每个b a n k 的大小是1 2 8 m 字节， 共1 g b 。b a n k 0 到b a n k 5 的开始地址是固定的，用于r o m 或s r a m 。b a n k 6 和 b a n k 7 用于r o m 、s r a m 或s d r a m ，这两个b a n k 可编程，且大小相同。b a n k 7 的开始地址是b a n k 6 的结束地址，灵活可变。所有内存块的访问周期都可编程， 通过w a i t 信号可扩展访问周期。$ 3 c 2 4 1 0 a 采用n g c s 7 ：o 8 个通用片选线来选 择8 个b a n k 区。本系统对$ 3 c 2 4 1 0 a 的存储空间作如下分配，如表3 1 所示： 表3 - 1 $ 3 c 2 4 1 0的存储空间分配情况 引脚 b a n k 使用情况 n g c s 0 0n a n df l a s h n g c s l1 保留 n g c s 22 保留 n g c s 3 3 保留 n g c s 4 4 d s p h p i o n g c s 55 保留 n g c s 6 6s d r a m n g c s 77保留 1 7 江苏大学硕士学位论文 3 3d s p 控制模块 3 3 1 芯片概述 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是由德州仪器公司生产的，工业界首批3 2 位的控制专用、内 含闪存以及高达1 5 0 m i p s 的数字信号处理器，专门为工业自动化及自动化控制 等应用而设计。其内核是当今世界上在数字控制应用方面性能最高的d s p 内核， 能够实时地处理许多复杂的控制算法，如无位置传感器控制、随机p w m 的生成、 功率因数校正等算法。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 同时也是世界上程序代码效率最高的d s p ， 且与目前所有的c 2 0 0 0 d s p 的程序代码兼容。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 与t i 的另一款专用 电机芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的性能比较见表3 2 。 表3 - 2t l d s 3 2 0 f 2 8 1 2 与t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 性能比较 芯片名称 t m $ 3 2 0 f 2 8l2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 c p u3 2 位1 6 位 片内f l a s h 1 2 8 k 木1 6 位3 2 k 奉1 6 位 片内r a m1 8 k 宰1 6 位2 k 宰1 6 位 p w m 输出 1 2 路1 2 路 指令周期 6 6 7 n s3 3 n s 片内a d1 2 位1 6 通道a d cl o 位1 6 通道a d c 由表3 2 可知，与t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 相比，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 提高了运 算精度和系统处理能力，并集成了1 2 8 k b 的f l a s h 存储器，两个事件管理器模 块为电机及功率变换控制提供了良好的控制功能，1 6 通道高性能1 2 位a d c 单 元可以实现双通道信号同步采样。凭借这些传统控制芯片所无法比拟的优越性 能，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 在其传统电机控制应用领域将发挥更为强大的作用。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的c p u 是基于t m s 3 2 0 c 2 8 x 的3 2 位定点低功耗内核。体系 结构采用4 级流水线技术，加快程序的执行。采用增强的哈佛结构，芯片内部具 有6 条3 2 位总线，程序存储器总线和数据存储器总线相互独立，支持并行的程 序和操作数寻址，因此c p u 的读写可在同一周期内进行。这种高速运算能力使 精确p i d 和多变量控制、自适应控制、参数估计、光谱分析、神经网络、遗传 算法等复杂控制算法得以实现。 1 8 江苏大学硕士学位论文 片内存储器资源包括：1 2 8 k 木1 6 位r o m 、1 8 k * 1 6 位的单端口数据程序 s a r a m 、片内1 2 8 k * 1