（电力电子与电力传动专业论文）基于arm技术的直流无刷电动机控制系统研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s tr a c t t h e s ey e a r sa l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e r - e l e c t r o n i c st e c h n i q u ea n d m i c r o c o n t r o lt e c h n i q u e ，p e r m a n e n tm a g n e t i cb r u s h l e s sd cm o t o ri sc h a r a c t e r i z e d b ys m a l lv o l u m e , l i g h tw e i g h t , h i 曲e f f i c i e n c y , l o wn o i s e s ，b i gs t a n d - a l o n e c a p a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t ya p p e a r e da n dm a t u r e d s oi ti sw i d e l yu s e d i nm a n yf i e l d o f n a t i o n a le c o n o m y , e s p e c i a l l yi ns h i pe l e c t r i cp r o p u l s i o n t h ep a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h eb a s i cc o m p o n e n tp a r t s ，t h eb a s i cr u n n i n g p r i n c i p l e t h er u n n i n gc h a r a c t e r i s t i ca n dt h e 枉 m s f e rf u n c t i o no f t h eb l d cm o t o r , a n a l y s e st h ec o u t s co fc h a n g i n gp h a s ea n dd i s t r i b u t i n go fp w ms i g n a l f o l l o w e d ， i ti n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fa r mt e c h n i q u e ，a n dt h e c h a r a c t e r i s t i co fc h i pl p c 2 2 1 0 b a s e do nt h e s ef a c t s ，i tp r e s e n t st h es e n s o r s o l u t i o nf o rb l d cm o t o r , d e s i g n st h eh a r d w a r es y s t e ma n ds o f t w a r es y s t e m i n t h ed e s i g no f h a r d w a r e ，i td e s i g n st h ec o n t r o ls y s t e mw i t ha r mc h i p l p c 2 2 1 0 a st h ec e n t e r , a n dd e t e c t o rc i r c u i t ，p r o t e c t i o nc i r c u i t ，b a s e do nt h er e s e a r c hi n b r u s h l e s sd cm o t o r t h ed e s i g nm a k e sf u l iu s eo f t h eh a r d w a r er e s o u r c e so f c h i p l p c 2 2 1 0f o rh i g hr e l i a b i l i t ya n ds i m p l i f i e dt h ec o n s t r u c t i o no f s y s t e m i no r d e rt o r e a da n dm a i n t a i ne a s y , am i c r o p r o g r a m m i n gm o d u l a ri sa d o p t e di ns y s t e m s o f t w a r ed e s i g n an e wc o n t r o ls t r a t e g yo fv o l t a g ea n dc u r r e n tp w mi sr e a l i z e d f o ri m p r o v i n gm o t o r 。sw o r k i n ge f f i c i e n c y s y s t e ms o f t w a r em o d u l e sa s s o c i a t i n g t h eh a r d w a r ec i r c u i tm a k es y s t e mm o r ep e r f e c tp e r f o r m a n c eo fp r o t e c t i o na n d c o n t r 0 1 i nt h ee n d ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h es y s t e md e b u g g i n ga n ds o m ep r o b l e m o c c u r r e dd u r i n gi t 。t h e nw eo b s e r v ep a r a m e t e r so fa c t u a ls y s t e mu s i n gd i g i t a l o s c i l l o g r a p ha n dg i v ea c o n c l u s i o n i nf a c t ，t h ec o n t r o ls y s t e mw o r kw e l l 鼬i tw a s e x p e c t e d m yw o r d s ：b r u s t d e s sd cm o t o r ) p w m ；a r m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引 用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表 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。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 作者( 签字) ：! 氲互 日期：尸7 年月汀日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 课题的背景 第1 章绪论 1 1 1 直流无刷电动机的应用和发展现状 一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国 民经济的各个领域以及人们的日常生活中。其主要类型有同步电动机、异步 电动机、直流电动机。由于传统的直流电动机采用电刷以机械方法进行换向， 由此带来了噪声、火花、电磁干扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造成本 高及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围。 近年来，随着半导体大功率m o s f e t 、i g b t 等元器件的发展，各种专用集 成电路不断出现，特别是单片机控制技术的越来越普及，使电动机产品不断 推陈出新，一种以电子换相取代机械换相的直流电动机一直流无刷电动机应 运而生，它既具备交流电动机结构简单、运行可靠、维修方便等优点，又具 备直流电动机的运行特性，故在仪表、家电、计算机、电动助力车中得到了 广泛应用“1 。 直流无刷电动机因其电枢绕组驱动电流形状的不同而分为两种类型：一 种是方波永磁同步电动机，其电枢驱动电流为方波( 梯形波) ，通常被称为无 刷直流电机( b r u s h l e s sd em o t o r b l d c 吼另一种是正弦波永磁同步电动机， 其电枢驱动电流为正弦波，常称为无刷同步电机( p e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r p m s m ) 。1 。与p m s m 相比，b l d c m 具有明显的优越性，反 馈装置更简单，功率密度更高，输出转矩更大，控制结构更为简单，使电机 和逆变器各自的潜力得到充分的发挥。因此，直流无刷电机的应用和研究受 到了广泛的重视，凭其技术优势在许多场合取代了其它种类的电动机。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 2 船舶永磁电力推进电动机系统的国内外状况 船舶依靠自身配备的发电装置获取电能来驱动船舶运动的推进方式称为 船舶电力推进。船舶电力推进至今已有百余年历史。早期主要是直流推进， 多数用于潜艇。2 0 世纪八十年代以来，随着现代电力电子技术和电子器件飞 速发展，现代船舶电力推进日趋高性能化，有利于设备的总体独立布置，提 高船舶机动性能和推进效率，节能并利于环保，还能缩短建造周期和降低全 寿命周期费用。今天，进人实用阶段的永磁电机可大大减少舰船电力推进设 备的体积和重量，超导技术和燃料电池的研究也在某些技术领域有了一定的 进展。这些技术的发展，使电力推进逐渐成为未来舰船动力的发展方向1 。 1 1 2 1 船舶永磁电力推进电动机系统的国外状况 国外机电一体化的交一直一交永磁推进系统、交一交直接变频同步电机 推进己达到实用化阶段，大容量的永磁同步电动机电力推进己成功地应用于 潜艇电力推进。德国西门子公司于1 9 8 6 年完成1 l o o k w ，2 3 0 r m i n 机电一体化 的交流永磁同步推进电机，并于1 9 8 7 年进行了实船运行试验；另# b 1 7 6 0 k w 永 磁同步推进电机装于u - 2 1 2 潜艇试用。其体积与传统的直流推进电机相比，其 长度和有效体积减少了4 0 9 6 。目前研制有最大功率为1 4 m w 、转速1 5 0 r m i n 的永 磁同步电动机用于s i e m e n s 公司和s c h o t e l 公司联合生产的s s p 吊舱式电力推 进系统。瑞士b b c 公司1 9 8 6 年为瑞典潜艇设计了1 5 0 0 k w 、1 8 0 r m i n 永磁同步推 进电动机，a b b 公司己研制4 0 0 k w 到3 姗的永磁同步电动机用于其“c o m p a c t a z i p o d ”吊舱式电力推进系统。美国1 9 9 1 年1 月制定了潜艇电力推进系统的专 项开发计划，研n 2 5 0 0 0 轴马力永磁同步推进电动机，作为该电机缩比样机的 3 0 0 0 轴马力永磁同步推进电动机已完成全部试验。同时开始综合电力系统全 电力推进动力系统结构的全电力船的水面舰船的研究，在s c 一2 1 舰上装有 1 9 5 0 0 k w 高效永磁推进电机，于1 9 9 6 年开始组装，1 9 9 8 年取代原有电动机。该 电机由英国c a g e l e c 公司提供。英国1 9 9 6 年展出了“海航”号轻型隐身护卫舰 设计模型，该舰装有二台2 1 0 0 0 k w 永磁电动机在巡航或隐身时直接驱动螺旋 桨。法国热蒙工业公司1 9 8 7 年研制了4 0 0 k w 、5 0 0 r m i n 永磁电动机样机，它与 直流电机比较体积也减少了4 0 ；1 9 9 6 年1 8 0 0 k w 、1 8 0 r m i n 、1 2 相永磁推进电 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 机及控制装置已完成了研制及实船使用所有的试验工作1 。 从国外发达国家的应用情况看，交流永磁电力推进系统体积小，重量轻， 效率高，噪声低，调速范围宽，结构简单，可维护性好，可靠性高。 1 1 2 2 船舶永磁电力推进电动机系统的国内状况 国内常规潜艇一直沿用传统的直流电动机推进，交流及永磁电力推进在 潜艇中的应用仍处于预研阶段。与传统的直流电力推进系统相比，永磁同步 推进电机系统有以下突出优点，因而成为国内外普遍看好近中期替代直流推 进的最佳选择之一。 ( 1 ) 电机尺寸小、重量轻。在保持电机出力不变的情况下，永磁电机的总 重量、有效体积可比同规格的常规直流推进电机减少4 0 。 ( 2 ) 无励磁损耗，效率高。在西门子l l o o k w 电机与同等功率的直流推进电 机的对比试验中，在额定功率和额定转速下永磁电机系统的损耗降低2 0 ，在 2 0 额定转速和大约1 0 额定功率时降低4 0 。这对采用蓄电池供电，能源储备 有限的常规潜艇在低速巡航工况时提高系统推进效率，增加潜艇水下续航力 是极为重要的。 ( 3 ) 驱动控制较容易，永磁无刷电动机的转矩正比于电枢电流，准确的控 制电流就可以灵活的控制转矩。 ( 4 ) 永磁电机一体化的设计思想将功率器件、控制系统与电机本体集成在 一起，既消除电刷带来的机械噪音，又取得了良好的电磁兼容性，对未来潜 艇提高隐蔽性和回避敌方高强度设备的探测，减小暴露率，提高生存能力和 战术能力都有重要意义，成为真正的“安静型”潜艇。 1 2 课题的研究内容和意义 一般来说，船舶电力推进系统对电机选择的主要标准有效率、重量和体 积、噪音和振动、电磁兼容性( e m v ) 、可靠性、故障排除以及造价等。作战舰 艇的战术性能要求电力推进系统具有以下特性：功率足够大，调速范围足够 宽，以保证舰艇在水面、半潜和水下航行时的各种航速：推进系统动态性能 好，以保证舰艇良好的机动性和灵活性；可靠性高，以保证舰艇具有很强的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 作战强度和生命力；效率高，以节省有限能源，保证舰艇具有较好的续航能 力和持久作战能力；体积小、重量轻，以节省舰艇内部有限空间，减小舰艇 自身体积和重量；使用维修方便。 由于直流电机调速系统有比较理想的转速调节性能和转矩控制能力，而 且具有高效、高可靠性等优点，所以长期以来在电力推进领域中占据统治地 位。前面已经介绍了直流无刷电动机按照电枢绕组感应电动势的波形，可分 为永磁同步电动机和无刷直流电动机。永磁同步电动机其调速系统一般需要 进行矢量变换和p 删运算，控制较为复杂，系统成本相对较高；而直流无刷电 动机则具有控制简单，成本较低等优点，尤其是低速堵转转矩较大的特点， 非常适合船舶电力推进系统的应用1 。 鉴于上述情况，本文选择控制系统设计作为研究和设计内容，通过对无 刷直流电动机控制特点的研究，设计并制作基于a r m 技术的大功率直流无刷 电动机控制系统，并在此基础上进行永磁电力推进系统的研究。这些问题的 深入研究，对促进永磁同步电动机控制理论的发展，以及全船电力推进系统 的研究和工程开发、远程通信工程开发及复杂控制将具有重要指导作用。对 我国造船事业、海洋开发和海军的发展，缩小与世界先进水平的差距具有重 要意义。 1 3 本论文研究内容及完成的工作 本文研究的内容是设计并实现一个基于a r m 技术的无刷直流电机转速控 制系统。电机参数为3 0 0 v 、3 7 k w 、3 相、4 极。本系统要求达到的控制目标 为： 1 实现电机的转速控制，要求转速控制的稳态精度达到1 ，系统超调 量小于5 ； 2 实现电机的开环和闭环控制； 3 具有一定的故障保护功能。 具体所做的工作主要有以下几个方面： 系统地总结了直流无刷电动机调试系统的基本结构和工作原理并分 析了其运行特点。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 对a r m 技术的发展现状和特点进行探讨，对本文中将使用到的 l p c 2 2 1 0 芯片做了重点论述，并设计基于该芯片控制的有位置传感器控制方 案。 针对本系统样机梯形波磁场及三相定子绕组的特点，选择了主电路方 案及功率开关元件和相应的主开关元件驱动电路及缓冲电路：设计了调速系 统硬件总体结构，对系统各主要部分的硬件设计进行了详细的分析和阐述， 确定了系统的控制方案。设计了系统的控制器、位置传感器、故障自诊断与 保护电路等，使系统能可靠运行，保证系统出现故障时及时保护功率开关元 件。 编写、调试了系统的控制软件，通过系统转速、电流双闭环的全数字 化p i 调节器，使直流无刷电动机调速系统达到平稳运行，另外实现了电机的 升降速及故障自诊断与保护功能。 对所设计的系统软硬件进行调试，给出了电机调速系统实际运行结 果，对得到的控制结果进行了分析，总结系统样机调试过程中遇到的一些实 际问题以及相应的解决办法，并提出了需要进一步研究的若干问题。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章直流无刷电动机工作原理 直流无刷电动机是近几十年来随着电力电子技术的迅速发展而逐渐得到 广泛应用的一种新型电动机，其基本工作原理是控制电路根据反映转子位置 的位置信号，产生相应的驱动信号来驱动逆变电路的功率开关元件，使电枢 绕组依一定顺序导通，从而在电机气隙中产生旋转磁场，而定转子磁场相互 作用，使电机永磁转子也随之转动。随着转子的转动，转子位置信号依一定规 律变化，从而电枢绕组的通电状态改变，实现直流无刷电动机的机电能量转 换。 2 1 直流无刷电动机基本组成及基本工作原理 2 1 1 直流无刷电动机基本组成 图2 1 直流无刷电动机的结构原理图 动机 子开关线路 直流无刷电动机的结构如图2 1 所示。它主要由电动机本体、位置传感 器和电子开关线路三部分组成。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 1 1 电动机本体 直流无刷电机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但是没有笼型绕组 和其他的起动装置。其定子绕组一般为多相( 三相、四相、五相不等) ，转子 由永久磁钢按一定的极对数组成。图2 1 中的电动机本体为三相两极结构， 三相定子绕组分别与电子换向线路中相应的功率开关器件联接，在图2 1 中 a 相、b 相、c 相绕组分别与功率开关管v t l 、v t 2 、v t 3 相接。 构成直流无刷电机转子的永久磁钢与永磁有刷电机中所使用的永久磁钢 的作用相似，都是在电机的气隙中建立足够的磁场。其不同之处在于，直流 无刷电机中永久磁钢装在转子上，而有刷直流电机的磁钢装在定子上。永久 磁钢目前多使用稀土永磁材料，如钕铁硼( n d f e b ) 和钐钴( s m c o ) 等。由于转子 磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两 种。因此，当转子旋转时，在定予上产生的反动电势也有两种形式，一种为 正弦波形，另一种为梯形波。习惯上将正弦波永磁同步电动机称为正弦型永 磁同步电动机( p m s m ) ；而梯形波永磁同步电动机，在原理和控制方式上基本 与直流电动机类似，故称为直流无刷电机( b l d c m ) 或方波电动机“1 。本文的控 制对象就是直流无刷电机。 2 1 1 2 位置传感器 位置传感器在直流无刷电机中起着检测转子磁极位置的作用，安装在定 子线圈的相应位置上。当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子磁极所产 生的磁场互相作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁极 位置变换成电信号，去控制电子换向线路，从而使定子各相绕组按一定次序 通电，使定子相电流随转子位置的变化按一定的次序换向，从而使电机能够 连续工作。 位置传感器的种类很多，且各具特点。目前在直流无刷电机中常用的位 置传感器有以下几种类型： ( 1 ) 电磁式位置传感器 电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现位置测量。电磁式位置传感器 具有输出信号大、工作可靠、寿命长、使用环境要求不高、适应性强、结构 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 简单等优点。但这种传感器的信噪比低，体积大，同时其输出波形为交流， 一般需要经过整流、滤波后才可使用。 ( 2 ) 光电式位置传感器 光电式位置传感器利用光电效应制成，由跟随电机转子一起旋转的遮光 板和固定不动的光源及光电管等部件组成。这类传感器性能比较稳定，但存 在输出信号信噪比较大、光源灯泡寿命短、使用环境要求高等缺点。 ( 3 ) 磁敏式位置传感器 磁敏式位置传感器是指它的某些电参数按一定规律随周围磁场变化的半 导体敏感元件，其基本原理为霍尔效应和磁阻效应。目前常见的磁敏传感器 有霍尔元件、霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等。 2 1 1 3 电子开关线路 电子换向电路的作用是将位置传感器检测到的转子位置信号进行处理， 按一定的逻辑代码输出，触发功率开关。由于电子换向线路的导通次序与转 子转角同步，因而起到了机械电刷和换向器的换向作用。因此，所谓直流无 刷电动机，就其基本结构而言，可以认为是一个由电子换向电路、永磁式同 步电动机以及位置传感器三者共同所组成的闭环系统。直流无刷电动机的电 子换向电路是用来控制电动机定子上各相绕组通电顺序和时间，主要由功率 逻辑控制开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻辑控制 开关单元是控制电路的核心，其作用是将电源的功率以一定逻辑关系分配给 直流无刷电动机定子上的各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。而 各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。 电子换向电路分为桥式和非桥式两种，虽然电枢绕组与电子换向电路的 连接形式多种多样，但应用最广泛的是三相星形全控状态和三相星形半控状 态连接。早期的无刷直流电机的换向器大多由晶闸管组成，由于其关断要借 助于反电动势或电流过零，而且晶闸管的开关频率较低，使得逆变器只能工 作在较低频率范围内。随着新型可关断全控型器件的发展，在中小功率的电 动机中换向器多由功率m o s f e t 或i g b t 构成，具有控制容易、开关频率高、 可靠性高等诸多优点。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 2 基本工作原理 一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，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的过程中始终保持相互垂直， 从而产生最大转矩而驱动电动机不停地运转。 直流无刷电动机为了实现无电刷换向，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 构刚好相反。但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子上各绕组 供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互 作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以，直流无刷电动机除了 由定子和转子组成电动机的本体以外，还要有由位置传感器、控制电路以及 功率逻辑开关共同构成的换向装置，使得直流无刷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，在空间始终保持在 ( 2 ) r a d 左右的电角度。从而使电机能不停的运转。 2 2 直流无刷电动机的数学模型 2 2 1电压方程 由于直流无刷电动机输入的定子电流为方波，转子采用永久磁铁，所以 进行特殊的磁路设计，可获得梯形波的气隙磁场。定子绕组每相感应电动势 为梯形波，同一相的电动势和电流之间的关系如图2 2 所示。 图2 2 直流无刷电动机的电动势与电流波形图 9 e ! = 专丢耋 匡1 + 墨笔善 。睦 + | ； c z 一， 三，三c ，三，三，三d ，厶 三相定子间互感，h ； l a 2l b 2lc 三j 口= l c = “= 工盯= 三d 2 工2 m 式中：m 为直流无刷电动机定子绕组间互感。 则式( 2 1 ) 可改写为： ( 2 2 ) ( 2 3 ) 睦 = 专吾主 隆 + 兰薹翔n 篷 + 医 c z 一。， 由于三相绕组为星形连接，+ + f c = 0 ，因而有m + m + m 毛2 0 ， e ； = 誊吾耋 医 + r j 肘工工纠。医 + 医 c z s ， 1 0 哈尔滨工程大学硕十学位论文 图2 3 直流无刷电动机等效电路图 2 2 2 电磁转矩和转矩方程 直流无刷电动机定子绕组电动势幅值酃由下式决定： 耻卿。2 荔2 x 2 n pn i 一 e ， c ：=l 怕w o uj 疋一生0 3 0 半= 2 n g p 2 n p p l p ( 2 _ 7 ) 1 。一一2 面_ ( 2 7 ) 疋一死一，争+ 警+ 肠 ( 2 8 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 j 一一 r n - - - - - - - - k a - - - - - - - - 转动惯量，k g m 2 ； 旋转阻尼系数，n m s r a d ； 扭转弹性常数，n m r a d ； 转子转动的机械角度，r a d 。 2 3 三相直流无刷电动机的运行特性和传递函数 要十分精确地分析直流无刷电动机的运行特性是很困难的。它涉及非线 性理论及数值解法等诸多问题，在一般工程应用上尚无此必要，故通常均作 如下假定( 即抓住直流无刷电动机中主要矛盾以简化其推导) ： ( 1 ) 电动机的气隙磁感应强度沿气隙按正弦分布。 ( 2 ) 绕组通电时，该电流所产生的磁通对气隙磁通的影响忽略不计。 ( 3 ) 控制电路在开关状态下工作，功率晶体管压降【为恒值。 ( 4 ) 各相绕组对称，其对应的电路单元完全一致，相应的电气时间常数忽 略不计。 ( 5 ) 位置传感器等控制电路的功耗忽略不计“1 。 下面以三相全控电路，两两通电模式为例来分析一下直流无刷电动机稳 态运行时的特性。其电路图如图2 4 所示。 图2 4 三相全控电路图 由于假设转子磁钢所产生的磁感应强度在电动机气隙中是按正弦规律分 布的，即b = 占。s i n 0 。这样一来，如果在定子中某一相( 例如b 相) 绕组中通 哈尔滨1 = 程大学硕士学位论文 入持续的直流电流，所产生的转矩为： = z d l b u r l s i n o ( 2 - 9 ) 式中：乙一每相绕组的有效导体数； 三绕组中导线的有效长度，即磁钢长度，n l ； ，电动机中气隙的半径，m ； ，绕组相电流，a 。 在三相全控电路两两通电时，共有六种通电方式，每种方式都由两个绕 组线圈串联通电，这时，转子转矩为两个绕组的转矩合成，其大小为： t = 4 3 ( 2 1 0 ) 就是说通以持续不变的直流后，它和转子磁场作用所产生的转矩也将随转予 位置的不同而按正弦规律变化。把它等效为一个绕组形成的转矩时，可表示 为如图2 5 所示。 o 八 。 图2 5 在恒定电流下的单相转矩图 它对外负载讲，所得的电动机的平均转矩为零。但在直流无刷电动机三 相全控电路的工作情况下，实际上各相绕组中通过的不是持续不变的直流电 流，而是每种通电方式只导通1 6 周期，那么该电流和转子磁场作用所产生 的转矩也只是正弦转矩曲线中相当于1 6 周期的一段，且这一段曲线与绕组 开始通电时的转子相对位置有关。显然在绕组通电的时间里，如果载流导体 正好处在比较强的气隙磁场中，它所产生的转矩脉动小，转矩平均值较大。 习惯上把这一点选作开关管开始导通的基准点，定为y o = 0 。在= 0 。情况 哈尔滨工程大学硕士学位论文 下，电动机三相绕组轮流通电时所产生的总转矩如图2 6 所示。如若开关管 的导通时间提前或滞后，则均将导致转矩的脉动值增加，平均值减小。 e ( v ) 1 0 8 0 6 0 4 0 2 06 0 。1 2 0 1 8 0 2 4 f f3 0 f f3 6 f f 耐 图2 6 三相全控桥输出转矩波形图 由上述分析，可以很方便的求出输出转矩的平均值l 和感生电动势的平 均值e o 。由平均转矩和平均反电势便可求得直流无刷电动机稳定运行时的电 压平衡方程式，为此首先定义反电动势系数和转矩系数： 足。：墨 ( 2 1 1 ) 栉 岛= 等( 2 - 1 2 ) 对于某个具体的电动机，它们为常数。当然，其大小同主回路的接法( 如三相 半控或三相全控) 以及开关管的换相方式( 如两两换相或三三换相) 有关。 前已指出，为简便计，假定各相绕组对称、相应的时间常数忽略不计。 可图2 4 得电动机的电压平衡方程组为 u a u = e o + r ( 2 1 3 ) 其中，e = k e n ，l = k ，i ，将其代入式( 2 1 3 ) 整理后，可得其机械特性 方程为： 肛竿一壶l ( 2 - 1 4 ， k e k e k t u 式中：h 电动机转速，r m i n ； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 【， 电源电压，v ： a u 功率管管压降，v ； x ，电动势系数，v m i n r ； 电动机产生的电动转矩平均值，n m ； k ，转矩系数，n m a ； r 电动机的内阻，q 。 由式( 2 1 4 ) 可知，直流无刷电动机的机械特性方程同一般直流他励电动 机的机械特性方程在形式上完全一致。只不过其中的转矩和反电动势运用平 均转矩和平均反电动势的概念，这是由于它的反电动势和转矩的波动比较大 的缘故。式( 2 - 1 4 ) 表示电动机在稳定运行时的机械特性方程，即一般所说的 静态方程。 同理，在上述假定条件不变的情况下，直流无刷电动机的动态特性可由 下列方程组来描写： u 一u = e 4 + i r1 死= k ，ii 乃一死= 等鲁f 1 5 ， e 口= k p 栉 j 式中：l 电动机负载阻转矩，n i l l ； g d 2 电动机转子飞轮力矩，n m 2 。 经拉氏变换后，可得： c “s ) 一a u ( s ) = e a ( j ) + i u ( s ) 死( j ) = k ，( j ) 驰) _ r l ( 加罢叫s ) 历( j ) = k e 刀( j ) ( 2 1 6 ) 根据方程式( 2 - 1 6 ) 可求得直流无刷电动机动态结构图，如图2 7 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 7 直流无刷电动机动态结构图 忽略功率管管压降，根据方程式( 2 - 1 6 ) 可求得直流无刷电动机的传递函 数为： 砸) = 老) 一面k 2 珊) i k：i=取1kk2：， 1 7 ) = 纠亿k ，i 疋= r g d 2 ( 3 7 5 k 。k ，)j 式中：墨一 电动势传递系数，r v m i n ； 疋转矩传递系数，r n m m i r a 电磁时间常数，s 。 2 4 三相直流无刷电动机的控制系统原理 直流无刷电动机工作在有位置传感器控制逆变器开关通断的“自控”变 频方式下，逆变器的变频是自动完成的，并不需要控制系统加以干预及控制。 要控制电机的转速就应控制电机的转矩，由式( 2 1 5 ) 可知，只要调节直流侧 电压即可调节转速。 通常采用p 删( p u l s e - w i d t hm o d u l a t i o n ，脉宽调制) 调节方式，通过 改变p w m 控制脉冲的占空比来调节输入直流无刷电动机的平均直流电压，以 达到调速的目的。直流无刷电动机系统通常采用转速、电流双闭环控制，控 制系统原理图如图2 8 所示。图中，n 是给定转速，n 是电机转速，i + 是给定 电流，i 是电流。a s r 和a c r 分别为转速和电流调节器，通常采用p i d 算法 实现。速度为外环，电流为内环，由于l = k ，电流环调节的实际上是电 磁转矩。速度给定信号n 与速度反馈信号1 3 送给速度调节器( a s r ) ，速度调节 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 器的输出作为电流信号的参考值i ，与电流信号的反馈一起送到电流调节器 ( a c r ) ，电流调节器输出为电压参考值，与给定载波比较后，形成p w m 调制波， 控制逆变器的实际输出电压。逻辑控制单元的任务是根据位置传感器的输出 信号及正反转指令信号决定导通相。同时，被确定的导通相还要受p w m 斩波 输出信号的控制，逻辑“与”单元的任务就是把换相信号和p w m 信号结合起 来，再送到逆变器的驱动电路，控制功率管的通断。 图2 8 直流无刷电动机系统原理图 2 4 1 换向的控制 首先确定控制系统所采用的绕组换相方式( 如采用三三换相或是两两换 相等) ，根据绕组换相方式找出三个转子磁钢位置传感器信号的相对相序及其 与转子实际位置的关系，进一步推导出它们与6 只功率管导通之间的关系。 然后由控制单元进行p w m 波形的产生与分配。 本系统采用绕组两两换相方式。位置信号使用霍尔型转子位置传感器， 其输出为三相互差1 2 0 。电角度、宽1 8 0 。电角度的矩形波，如图2 9 所示， 对应于图2 8 的逆变器电路。控制器根据h a 、h b 、h c 为三路转子位置信号的 变化情况，产生逆变器功率开关的使能信号，如图2 9 所示。由于电动机所 处的运行状态不同，使能信号所对应的功率管也不同。因此，必须经过运行 状态( 正、反转，电、制动) 判别后，再经由控制逻辑单元把使能信号分配 给各个功率管，使能信号输出到驱动电路，控制功率管的导通与关断。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在直流无刷电机反向电动时，转子位置传感器的三个位置信号的相序也 发生了变化，在分析反向电动换相与p w m 信号分配时应多加小心。 i i i - 6 0 0 6 0 1 2 01 8 02 4 03 0 03 6 0 图2 9电机正转时位置信号波形和控制信号波形关系 2 4 2 p w m 调制方式 p w m ( p u l s e - w i d t hm o d u l a t i o n ，脉宽调制) 调节方式就是对逆变电路开 关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲。 按一定的规则对这些脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路的输出电压大 小，也可改变频率，这就是p 哪的基本原理。在本系统中，只涉及到改变脉 冲的宽度来改变逆变电路的输出电压大小，而不涉及改变频率。直流无刷电 机的调速，就是调节输出脉冲的宽度，得到不同的逆变电路的输出电压，从 而使电机可以得到不同的转速。 1 8 取 哗 m m 町 哈尔滨工程大学硕士学位论文 对于两相导通星形三相六状态直流无刷电动机，在一个周期内，每个功率 开关管要导通1 2 0 。电角度，每隔6 0 。有两个开关管切换。常用p w m 调制方式 分为全桥p w m 调制方式和半桥p w m 调制方式。 全桥p w m 调制方式是指在任意一个6 0 。区间内，上、下桥臂的功率开关 同时进行斩波调制，如图2 1 0 所示。 几几r 几几 r 几 _ 1 几几 几n 几几 几几 几几_ 1 几几 几n 几n r 几1 几几门几几 - 6 006 01 2 0 1 8 0 2 4 0 3 0 03 6 0 图2 1 0 全桥p w m 调制 半桥p w m 调制方式是指在任意一个6 0 。区间内，只有上桥臂或下桥臂的 功率开关进行斩波调制，如图2 1 1 所示。 在全桥调制方式中，功率开关的动态功耗是半桥调制方式中的两倍。与 半桥调制方式相比，全桥调制方式降低了系统效率，给散热带来困难。因此， 考虑到功率开关的动态损耗，在p w m 调制方式上，本系统中采用了半桥调制 方式。 1 9 m m 琊 嘶 哈尔滨工程大学硕士学位论文 几几 n 几 几几 1 几几 几几 j 几n 几几 一6 0 0 6 0 1 2 01 8 02 4 03 0 03 6 0 2 4 3 转速的控制 图2 1 1 半桥p w m 调制 以上叙述了通过对脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路的输出电压 大小，控制直流无刷电动机的电流，进而控制电动机的转速。可以表明无刷 直流方波电动机的速度公式与普通直流电动机的相同，因此，无刷直流方波 电动机的转速可以通过改变平均电压u d 来调节，本系统中的平均电压u d 是 通过调节p w m 脉冲的占空比来实现的，此即为无刷直流方波电动机的脉宽调 速原理。 一般对电机的控制多采用速度闭环系统，其数学模型并不复杂，采用p w m 控制基本可以达到精确调速的目的。但在系统综合要求较高的情况下，单环 控制系统很难通过改变控制系数的办法同时满足系统的鲁棒性、快速性和精 准性等多方面的要求。如果采用多层控制的策略，就能够把不同的性能要求 划分到不同的层次分别加以控制，可以实现不同性能要求之间的折衷。在工 业上获得广泛应用的传统p i d 控制器，有算法简单、参数调整方便、鲁棒性 2 0 m m 哪 m 哈尔滨工程大学硕士学位论文 强和抗高频干扰强的优点。而电流跟踪控制具有控制模型简单、跟踪性能良 好和响应快速的特点。将这两者结合，可以构造出性能比较完善的新型控制 结构。因此，在所设计的控制系统中将采用速度、电流双闭环p i d 控制方案， 从而有效提高系统的抗干扰能力和稳定性。 本系统采用速度环和电流环串联的双闭环控制策略，通过位置传感器检 测得到转子当前的位置，并通过软件间接计算出电机的转速，转子位置决定 当前时刻驱动桥的导通状态。速度给定信号与当前转速进行数据处理，经计 算后得到电流的给定值，电机绕组电流反馈信号由电流传感器从a d 口送至控 制电路，与电流给定值进行p i 计算后实现对电机驱动波形的脉宽调制。 2 5 本章小结 本章介绍了直流无刷电动机的组成及基本原理，从数学模型的角度对三 相直流无刷电动机的反电势、电流、转速、以及转矩的对应关系进行了分析。 并从控制原理方面介绍了本系统采用的换向、p w m 调制和转速控制方式。 2 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章基于l p c 2 2 1 0a r m 芯片的控制系统设计原理 3 1 a r m 概述 由于网络与通信技术的发展，嵌入式系统在经历了近2 0 年的发展历程后， 又进入了一个新的历史发展阶段，即从普遍的低端应用进入到一个高、低端并 行发展，并且不断提升低端应用技术水平的时代，其标志是近年来3 2 位m c u 的发展。a r m 公司在经过多年的技术准备后适时地推出了3 2 位a r m 系列嵌入 式微处理器，以其明显的性能优势和知识产权平台扇出的运行方式，迅速形 成3 2 位机高端应用的主流地位，以至于不少传统嵌入式系统厂家放弃了自己 的3 2 位发展计划，转而使用a r m 内核来发展自己的3 2 位m c u 。现在a r m 公 司既不生产芯片也不销售芯片，它只出售芯片技术授权。 由于a r m 技术具有很高的性能和功效，容易被厂商接受，同时合作伙伴 的增多，可获得更多的第三方工具、制造和软件支持，又使整个系统成本降 低，使产品进入市场的时间加快，从而有更大的竞争优势。目前，采用a r m 技术i p 核的微处理器编及汽车、消费电子、成像、工业控制、海量存储、网 络、安保和无线等各类产品市场，基于a r m 技术的处理器已经占据了3 2 位 r i s c 芯片7 5 的市场分额。 3 。1 。1a r m 的体系结构及其特点 处理器的体系结构定义了指令集( i s a ) 和基于这一体系结构下处理器的 程序员模型。尽管每个处理器性能不同，所面向的应用不同，每个处理器的 实现都要遵循这一体系结构。a r m 体系结构为嵌入系统发展提供很高的系统 性能，同时保证优异的功耗和面积效率“。 a r m 体系结构的特点有： ( 1 ) 每条数据处理指令都对算术逻辑单元和移位器控制，以实现a l u 和移 位器的最大利用； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 ) 地址自动增加和减少的寻址模式，优化程序循环； ( 3 ) 多寄存器装载和存储指令实现最大数据吞吐量； ( 4 ) 所有指令的条件执行实现最快速的代码运行。 作为一种r i s c 体系结构的微处理器，a r m 微处理器具有r i s c 体系的一般 特点： ( 1 ) 具有大量的寄存器； ( 2 ) 绝大多数操作都在寄存器中进行，通过l o a d s t o r e 的体系结构在内 存和寄存器之间传递数据； ( 3 ) 寻址方式简单； ( 4 ) 采用固定长度的指令格式。 除此之外，a r m 体系采用了一些特别的技术，在保证高性能的同时尽量 减小芯片体积，减低芯片的功耗。这些技术包括： ( 1 ) 在同一条数据处理指令中包含算术逻辑处理单元处理和移位处理； ( 2 ) 使用地址自动增加( 减少) 来优化程序中循环处理； ( 3 ) l o a d s t o r e 指令可以批量传输数据，从而提高数据传输的效率； ( 4 ) 所有指令都可以根据前面指令执行结果，决定是否执行，以提高指令 执行的效率。 作为一种r i s c 微处理器，a r m 指令集的效率很高。指令集由儿个基本指 令类型组成，两种用于片上a l u 、环形移位器和乘法器，3 种用于控制存储器 和寄存器之间的数据传送，另外3 种控制执行的数据流和特权级别。最后3 种指令用于控制外部协处理器，这使得指令集的功能可以在片外得到扩展。 对于一些高级语言的编译器来说，a r m 的指令集是比较理想的。高效的指令 集和简单的设计的结合，使a r m 成为一种低功耗、小规模( 近3 0 万晶体管) 、 低价位和相对来说高性能的处理器。 本系统是以高速的a r m 芯片l p c 2 2 1 0 为主体构成的。l p c 2 2 1 0 芯片的 a r m 7 t d m i ( - s ) 核使用了冯诺依曼结构，指令和数据共用一条3 2 位总线。 l p c 2 2 1 0 的指令吞吐量可达0 9 7 m i p s b l h z ，即每兆赫兹处理器指令运行速度 为0 9 7 兆条指令每秒，它的几乎所有的指令都可以在一个5 0 0 n s 的单周期 内执行完毕，其程序运行速度是通常工业控制中使用的5 l 系列和9 6 系列单 片机所无法比拟的。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a r m 处理器是基于精简指令集计算机( r i s c ) 原理设计的，指令集的相关 译码机制较为简单。a r m 7 t d m i ( - s ) 具有3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令 集，a r m 指令集效率高，但是代码密度低；而t h u m b 指令集具有较高的代码 密度，