（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的直流无刷电机控制系统的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕上学位论文 a b s t r a c t t h i sd o c u m e n tp r e s e n t st h et h e o r ya n dp r o c e s so ft h ed e s i g nf o ras e n s o r b l d cm o t o ru s i n gt m s 3 2 0 f 2 4 0 r e g a r dh o w t os t r u c t u r et h ec o n t r o ls y s t e m w i t hd s p c h i p t m s 3 2 0 f 2 4 0 a st h ec e n t e ri nt h i sp a p e r t h em o t o rs y s t e mu s i n g d s ph a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs i m p l es t r u c t u r e ，l o w e rs y s t e mc o s ta n di n c r e a s e d p e r f o r m a n c e s i ts u i t sk i n d so f c o n t r o ls y s t e m i ti sf i r s te x r o u n d e di n 也et h e s i st h a tt h es p e c i a l t yo fc o n t r o l l e rt m $ 3 2 0 f 2 4 0 a n df u n c t i o no f i t t h e n ，w et a l ka b o u tt h eb a s i cc o m p o n e n tp a r t ，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 et r a n s f e rf u n c t i o no ft h eb l d cm o t o r 、 f o l l o w e d ，i ta n a l y s e st h ec o u r s eo 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 m s i g n a l b a s e do nt h e s ef a c t s ，w ep r e s e n tt h es e n s o rs o l u t i o nf o rb l d cm o t o r , d e s i g nt 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 t h ep a r to fh a r d w a r ed e s i g n f i r s t e x p o u n d st h ew h o l ed e s i g n t h e nt h ed e s i g no fs e v e r a lp r i m a r yc i r c u i t si s d i s c u s s e da n dt h ec h o i c eo fs o m ei m p o r t a n te l e c t r o n i c c o m p o n e n t sa n dt h e i r p a r a m e t e r si nt h e s ec i r c u i t si sa n a l y s e d t h ep a r to fs o f t w a r ed e s i g na l s of i r s t d i s c u s s e st h ew h o l ed e s i g n t h e ns o m ep r o b l e m so ns o f t w a r e r e a l i z a t i o na r e d i s s e r t a t e d i nt h ee n d ，w ed i s c u s 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 mo c c u r r e d d u r i n gi t ih 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 lo s c i l l o g r a p h a n dg i v eac 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 k w e l la si tw a s e x p e c t e d k e y w o r d s ：b l d c m o t o r ；t m s 3 2 0 f 2 4 0 ；d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m ；p o s i t i o ns e n s o r ； d s p 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、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已公开发 表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均己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) ：盘型垒 日 期：加。弓年，2 月扣日 哈尔滨上群人学硕士学位论文 1 1 课题的背景”1 第1 章绪论 电气传动是以电动机的转矩和转速为控制对象，按生产机械工艺要求进 行电动机转速( 或位置) 控制的自动化系统。根据电动机的不同，工程上通 常把电气传动分为直流电气传动和交流电气传动两大类。 纵观电气传动的发展过程，交、直流两大电气传动并存于各个时期的工 业领域内，虽然它们所处的地位和作用不同，但是它们始终是随着工业技术 的发展，特别是随着电力电子学和微电子学的发展。在相互竞争、相互促进 中完善着自身。发生着变更。近代，由于生产技术的发展，对电气传动在起 制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、和动态响应方面都提出 了更高的要求，而直流电气传动系统因其系统的复杂性和高昂的造价而日益 显示出衰落趋势。交流电气传动在微电子技术和新型电力电子技术的推动下 得到越来越广泛的应用。 1 1 1 国外交流及永磁电力推进的发展状况 舰船电力推进的应用历史悠久，但早期主要是直流电机推进。进入8 0 年代之后，交流电机调速技术随着电力电子器件和各种调速变换器技术的进 步取得了重大突破，万千瓦级以上的各种交流电机调速变换器已获得成功应 用。有力地促进了舰船电力推进方式的推广应用。 装有交交电力推进的第一艘游轮是英国于1 9 8 6 年改装的“伊丽莎白女 王二世”号，它采用同步变换器推进方式，双轴双电动机，满载时单机功率 4 4 m v | 。接着a b b 船用设备公司相继制造了五套配装在“幻想”号等五条大型 游轮上的直接变频器推进和发电设备，其推进功率为2x1 4m w 。另外还为“晶 莹和谐”号等四条游轮提供了直接变频器，其推进功率为2 x1 2m w 。而“明 星公主”号及其姐妹轮也采用同步转换器的电力推进，其推进功率为1 2m w 。 上述应用实例表明：大型豪华游轮采用交交电力推进已成为国外的一种发 展趋势。 8 0 年代之后，各国为提高军用舰只的作战性能，对军舰应用电力推进给 予了极大的关注，许多国家都开展了系统的论证研究。 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 哈尔滨上程人学硕十学位论文 i i i i i i i i i i i i j i i i i i i i _ _ - _ l _ i _ _ _ 一 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。英国沃斯珀公司还设 计了艘采用交一交电力推进的可承载8 1 2 架“鹞”式垂直短距起降飞机 的轻型航母。这种排水量约8 0 0 0 吨、航速可达2 5 节、推进功率为2 1 6 0 0 0 马力的轻型航母虽因各种原因而未建造，但这个设计方案引起各国的广泛兴 趣，一些专家认为它代表了未来航母的发展方向。 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 。19 9 6 年1 8 0 0 k w 、1 8 0 r p m 、1 3 相水磁推进 电机及控制装置已完成了研制及实船使用所有的试验工作。 加拿大国防部也于9 0 年代初完成了一艘4 3 5 0 屯采用电力推进的反潜护 卫舰的方案设计，其发电设备为3 6 0 0 0 k w 燃气轮机发电机组、3 4 0 0 0 k w 柴油发电机组和2 x 1 0 0 0 k w 柴油发电机组，船上辅助用电由2 x 1 0 0 0 k w 的电 动发电机组供给，而推进装置由2 1 2 5 0 0 k w 的同步电动机与直接转换器组 成。 美国海军于1 9 8 6 年提出了项称之为“海上革命”的研究与发展计划， 确定在下个世纪初主要发展一种具有综合优化性能、采用交一交电力推进的 可载机的水面主力战舰。1 9 9 0 年3 月完成了新舰的方案设计，发电设备为2 2 2 1 8 7 k w 燃气轮机发电机组，推进装置为2 2 5 0 0 0 马力的同步电动机，中 间借助同步转换器与直接转换器进行调速。 美国通用动力公司组波特纽斯造船厂正为美海军建造“弗吉尼亚”级核 动力潜艇。该舰将于2 0 1 5 年交付美海军使用。其技术上的重点之一就是把电 推进引入“弗吉尼亚”级潜艇，最终实现全电潜艇。电推进潜艇最鼓舞人心 的事情是各种“爆炸性技术”，使定向能武器和可再充电的无人航空器与潜 水器得以实现；电推进潜艇可以获得安静性方面的好处，以及武器和传感器 的改进。 综上所述，8 0 年代中期之后，大型舰船交流永磁电力推进已在或正在许 多客轮、工程研究船、军舰及油货轮中取得应用，运行证明其性能良好，具 有很强的实用意义和推广价值。 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。因为交流电 机调速技术的进步所带来的好处是直流推进电动机无法比拟的。 1 1 2 永磁同步电动机的发展概况。3 永磁同步电动机出现于2 0 世纪5 0 年代。永磁同步电动机的运行原理与 普通电励磁同步电动机相同，但它以永磁体励磁替代励磁绕组励磁，使电动 机结构更为简单，降低了加工和装配费用，同时还省去容易出问题的集电环 哈尔滨工程大学硕士学何论文 和电刷，提高了电机运行的可靠性。由于无激磁直流电源，无需励磁电流， 没有励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。 早期对永磁同步电动机的研究主要是针对固定频率供电的永磁同步电动 机运行特性的研究，特别是稳念特性和直接起动性能的研究。在工频电源供 电条件下，永磁同步电动机无自起动能力，一般通过在转予上安装阻尼绕组 以依靠其产生异步起动转矩将电机加速到接近同步转速，然后由永磁体产生 的磁阻转矩和同步转矩将电机牵入同步。国内外学者在这方面进行了大量的 研究并取得了较好的成果。h o n s i n g e r 讨论了起动特性，考察了转予参数对 起动特性的影响；r a h m a n 考察了饱和对起动特性的影响；m i i l e t 推导了“拉 入同步”的标准。 随着电力电子技术和微型计算机的发展，7 0 年代，永磁同步电动机开始 应用于交流变频调速系统。逆变器供电的永磁同步电动机与直接起动的电动 机结构上基本相同，但般不加阻尼绕组。因为阻尼绕组的安装不仅增加了 电机制造的复杂性，而且还有其它弊端，如阻尼绕组产生热量，使永磁材料 温度上升，并且产生损耗，降低电机效率；增大转动惯量，使电机力矩惯量 比降低；阻尼绕组的齿槽使电机转矩脉动增大。 8 0 年代，稀土永磁材料的研制取得了突破性的进展，特别是剩磁高、矫 颃力大而价格低廉的第三代新型永磁材料钕铁硼( n d f e b ) 的出现，极大地促 进了调速永磁同步电动机的发展。正如k j s t r a n t 教授所说：稀土永磁的应 用引起了电机的革命。新型永磁材料在电机上的应用，不仅促进了电机结构、 设计方法、制造工艺等方面的改革，而且使永磁同步电动机的性能有了质的 飞跃，从而成为交流调速领域中的一个重要分支。 目前永磁同步电动机种类繁多。按工作主磁场方向的不同，分为径向磁 场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同分为内转子式和外转子式；按转 子上有无起动绕组，可分为无起动绕组电动机和有起动绕组电动机：按供电 电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步电动机和正弦波永磁同步电动机。 9 0 年代，随着永磁材料性能的不断提高和完善以及电力电子器件的进一 步发展和改进，加上永磁电机研究和开发经验的逐步成熟，目前稀土永磁同 步电动机正向大功率( 超高速、大转矩) 、高功能化、微型化和智能化方向发 展。 篁垒鎏_ 二堡全尘垒圭兰堡篁圣 ； 1 13 潜艇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1 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：一、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。二、 推进系统动态性能好，以保证舰艇良好的机动性和灵活性。三、可靠性高， 以保证舰艇具有很强的作战强度和生命力。四、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。五、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。六、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。目前，直流电动机推进系统的技术性能已经十分成熟和完善，但直流电 动机也存在结构上的固有缺陷：直流电动机的机械换向器结构受到换向器最 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 大片间电压、机械强度、电机温度和磁负荷等限制，使得其单机容量不能做 得很大。据分析计算，工作在2 0 0 r p m 一3 0 0 r p m 的直流推进电动机其极限容量 在1 0 4k w 左右。目前世界上最大的直流推进电动机其容量也仅为8 8 0 0 k w 。虽 然船用直流电动机发展了双电枢双换向器、双电枢四换向器等结构，以换向 器的串、并联等方式来解决此问题，但其极限容量仍然受到限制。因此直流 电动机推进越来越不能满足现代舰船大功率驱动的要求。 随着近几十年来大功率电子器件的问世，电动机优化设计技术、变流技 术、控制理论和控制手段的发展以及新型永磁材料的出现，永磁同步电动机 的性能日益提高。在推进系统的研究和开发领域中，永磁同步电动机以其体 积小、重量轻、效率高、转动惯量小，可靠性高等优点使舰艇的作战能力及 续航能力得到了很大的提高，目前已成为国内外船舶设计者和推进技术专家 的研究焦点，并已得到成功应用。随着高性能矢量控制技术的曰趋成熟，永 磁同步电动机的各项技术指标均已达到甚至超过直流电动机的水平。 方波永磁同步电动机，又称为直流无刷电动机，具有很多直流电动机的 特点，又可以避免由于电刷所带来的结构缺陷，同时又具有永磁机功率密度 大的特点，在舰艇高性能驱动方式电力推进系统中直流无刷电动机正逐步取 代传统直流电动机的核心地位。与美国、德国等发达国家相比，我国在船用 推进永磁推进系统方面的研究和开发上还存在很大差距，特别是对于直流无 刷电动机实际控制系统的研究，文献资料有限，投入舰船电力推进的成熟产 品还不多。 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，通过对直 流无刷电动机控制特点的研究，设计并制作基于d s p 技术的直流无刷电动机 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。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i # ；i i i j _ l _ i i i i i ；j = i ；i i i i i i i i _ 目_ 一l ii _ _ _ - _ i i i i i i i i i i 第2 章控制芯片t m s 3 2 0 f 2 4 0 简介 数字信号处理( d s p ) 是当今最强大的技术之。，它涉及许多学科，并在很 多科学和工程领域得到了广泛的应用，例如通讯、医学成像、雷达、声纳、 高保真音乐再现和石油勘探等等。这些领域都发展出了比较成熟的d s p 技术， 拥有了自己的算法、理论以及专门技术。d s p 技术结合了数字信号处理理论、 数值分析算法、计算机技术和微电子技术，并与它们相互交叉、相辅相成、 相互促进。 t i 公司的2 0 0 0 系列芯片t m s 3 2 0 f 2 4 0 是专门为了电机控制和运动控制而 设计的，它最具有特色的就是它具有事件管理模块( e v e n tm a n a g e rm o d u l e ) 。 就是因为具有此模块，使得原来非常复杂的交流调速控制变得更加容易。它 所内含的定时器、比较单元、捕获单元、积分编码脉冲电路使其拥有比较宽 范围的电机控制应用场合。使用t m s 3 2 0 f 2 4 0 的电机控制器与使用传统的单片 机的控制器相比，不但在功能、速度上提高很多，而且它的集成度能很大程 度上减少使用电子元器件的数量。除了直流电动机、交流鼠笼电机等常规调 速系统以外，在交流感应电机、永磁同步电机、直流无刷电机、开关磁阻电 机等新兴交流调速场合也可以得到广泛的应用。 2 1 t m s 3 2 0 f 2 4 0 的特点怛伽 t m s 3 2 0 f 2 4 0 控制器是一款高性能的单片机。它的总体结构有很多独特的 地方：一是采用多组总线结构实现并行处理机制，允许c p u 同时进行程序指 令和存储数据的访问；二是采用了独立的累加器和乘法器，使复杂的乘法运 算能快速运行；三是累加器和乘法器分别连接了比例移位器，使得许多复杂 运算或者运算后的定标能在一条指令内完成；四是有丰富的寻址方式，可方 便灵活的编程：五是由完善的片内外设。可以构成完整的单片系统。 t m s 3 2 0 f 2 4 0 控制器的结构和主要特性如下： 1 中央处理单元 3 2 位中央算术逻辑单元( c a l u ) 。 3 2 位累加器。 1 6 位1 6 位乘法器。 3 个比例移位器。 间接寻址用的8 个1 6 位辅助寄存器和它的辅助算术单元( a f a u ) 。 哈尔滨 j 程火学硕士学位论文 2 存储器 5 4 4 字片内双口r a m ，其中2 8 8 字用于数据，2 5 6 字用于程序数 据。 1 6 k 片内f l a s he e p r o m 用作程序存储器。 2 4 4 k 字可寻址空间，程序存储空问6 4 k 字，数据存储空间6 4 k 字，i o 空间6 4 k 字，还有3 2 k 字全局存储空间。 外部有1 6 位地址总线，1 6 位数据总线，支持软、硬件等待状态。 3 程序控制 4 级流水线操作。 8 级硬件堆栈。 6 个外部中断：电源保护、复位、n m i 和3 个可屏蔽中断。 4 指令集 源代码与定点t m s 3 2 0 c 2 x 、c 2 x x 、c 5 x 兼容。 单周期乘累加指令。 单指令重复操作。 程序数据存储器中的块移动。 丰富的变址寻址能力。 具有基于2 的f f t 倒位序变址寻址能力。 5 事件管理器模块 3 个1 6 位通用定时器。 3 个全比较p 嘲单元。 3 个简单比较p 1 v m 单元。 4 个捕获单元。 6 2 个8 通道l o 位a d 转换器 7 串行异步数字通讯接口模块( s c i ) 8 串行外设接口 9 中断管理系统 1 0 由看门狗和定时中断定时器组成的系统监视模块 1 1 2 8 个可独立编程的i o 引脚 2 2 t m s 3 2 0 f 2 4 0 的事件管理模块工作原理 ，、一弩1 2 7 f 2 4 0 控制器事件管理模块由3 个通用定时器、6 个全比较单元、3 个单比较单元、4 个捕获单元、2 个正交编码脉冲电路组成。 + 。 下面结合直流无刷电机控制系统来具体介绍一下其功能和用法。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 21 六路p w m 波形的产生 要产生一个p w m 波形，首先要有一个能够循环计数的定时器，作为p w m 波形的周期发生器；另外，还要有一个能够提供与定时器计数值实时比较的 比较环节，以控制波形的跳变；最后，还需要一个逻辑控制，来定义比较匹 配事件发生时的引脚电平跳变规律。这三个方面，缺一不可。 1 1 m e rv a i u e t x p r = 4 1 ：3 t x c ：o n 嗣 i m 幻伙几几几几几几几几几几几几几 t i m e rv q l u e ( a ) 连续升序计数模式 t x c , o n b t 恤一几几几几几几n 几几几几几几几几几厂 ( b ) 连续升降计数模式 图2 1 定时器的两种计数模式 一 坠笙堡三：堡查芝：至 圭茎! 圣篓兰 一；。；。 蓊荔藏而磊翥蒸萧焉藏藤紊石丽面蕊过 事件管理模块的三路普通通用定时器司以胜任第一个了j 回阴上作，迥垃 对真相应寄存器的设置，就可以使其工作在连续计数方式下。定时器的连续 计数模式有两种，第一种为连续升序计数模式，如图2 1 ( a ) 所示这种模 式，叮以作为非对称p w m 波形的时基；第二种为连续升降计数模式，如图2 - 1 ( b ) 所示，这种模式可以作为对称p 1 v m 波形的时基。 由图2 1 可以看出，通过改变定时器周期寄存器( p e r i o dr e g i s t e r ) 的 值，就可以方便的改变计数的周期，这样就可以改变p w m 波形的频率。 全比较单元主要完成第二方面的工作，即将设定的比较值与计数值实时 比较，产生比较匹配触发事件，作为输出逻辑单元的触发基准。图2 2 是定 时器在连续升序计数方式模式下，全比较单元的比较操作逻辑。 卜( i 附) m e f j - l i * # 埘1 i 卜蹴_ 叫 !阳喇2 i 。r 。，, 。p 。w 。m ，。z rx c u 。 ；：i ：i ；l 。2 ：；厂1 f。period !jj f l 哥“ 裟铲“9 期广 厂 + 处为比较匹配发生点 图2 2 比较操作逻辑 由图中可看出，只要实时改变比较寄存器的值，就可以改变比较匹配事 件发生的时间长短，从而改变单位周期内高电平或者低电平的脉冲宽度，产 生p w m 波形。 输出逻辑控制单元主要是定义引脚在比较时间触发点的电平逻辑，主要 是通过对动作控制寄存器( a c t i o nc o n t r o lr e g i s t e r ) 的位定义来进行的。 d s p 芯片的p w m i p w m 6 引脚主要有四种动作方式，如表2 1 所示。 表2 ip 嘲引脚逻辑定义( 以p 州2 为例) a c t rb i t 3 2p w mm o d u l e备注 0 0a c t i v el o w事件发生时下跳 0 1a c t i v eh i g h 事件发生时上跳 1 0f o r c e dh i 曲 强制高电平 “f o r c e dl o w 强制低电平 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 每一个全比较单元都和两个p w m 引脚相对应，这样，三个全比较单元就 可以控制六路p w m 波形的产生。对于直流无刷电动机的控制，需要根据其控 制时序，产生准确的p w m 波形来驱动电力电子器件，具体的方法将在后面软 件殴计章节详细说明。图2 3 为t m s b 2 0 f 2 4 0 事件管理模块p w m 波形的产生结 构。 a c t r 【1 扣1 司 图2 3t m s 3 2 0 f 2 4 0 事件管理模块p w m 波形的产生结构 p w 甜1 p 州甜6 由此可见，对某个引脚逻辑电平的使能，就是对特种电机进行控制时产 生触发电平的主要办法。不同电机具有不同的控制逻辑，但是只要通过设置 电平触发的时间基准、定义事件发生的条件以及发生时的引脚逻辑，就可以 利用d s p 的事件管理模块产生适应不同电机的控制时序。 22 2 捕获单元 捕获单元是一种输入设备，用于捕获引脚上电平的变化并纪录它发生的 时刻。普通的微处理器能做到这一点，但需要由c p u 完成判断和记录工作， 占用了c p u 的资源。另外，对于两次间隔很短的跳变( 微秒级) 的捕获，普 通的微处理器就显得力不从心。d s p 控制器的捕获单元不需要占用c p u 资源， 与c p u 并行工作。它有二级f i f o 堆栈缓冲器，对于两次间隔很短的跳变的捕 获得心应手。 d s p 控制器共有四个捕获单元，捕获单元包括： 1 个1 6 位捕获控制寄存器c a p c o n 。 1 个1 6 位捕获f i f o 状态寄存器c a p f i f o 。 可选择通用定时器2 或3 作为时基 1 0 哈尔滨1 ：程大学硕士学位论文 4 个1 6 位二级f i f o 堆栈，对应于每一个捕获单元 4 个施密特触发式的捕获输入引脚c a p i 、c a p 2 、c a p 3 、c a p 4 对应 于每一个捕获单元 捕获单元不停的检测捕获输入引脚的跳变，为了可靠地捕获引脚上的信 号跳变，该跳变信号至少要保持两个c p u 时钟的时间。这个跳变可以是上升 沿、下降沿或双沿，由捕获控制寄存器c a p c o n 来规定。捕获单元l 和2 共用 一个通用定时器作为时基捕获单元3 和4 共用一个通用定时器作为时摹。 这个通用定时器可以是2 或3 。 2 2 3 事件管理模块的中断系统 d s p 控制器的中断由d s p 内核中断、事件管理模块中断和系统模块中断组 成。d s p 内核共有6 个可屏蔽中断i n t i i n t 6 ，对应于不同的中断矢量，当 产生中断事件时，根据中断矢量所定义的跳变地址执行相应的中断服务程序。 在t m s 3 2 0 f 2 x x 系列，除了原来的i n t l 、i n t 5 、i n t 6 之外，其余的i n t 2 、i n t 3 、 1 n t 4 分配给了事件管理模块，对应于事件管理模块的i n t a 、i n t b 、i n t c ，如 图2 4 所示。 图2 4 d s p 的中断系统 这三组中断分别由事件屏蔽寄存器e v i m r a 、e v i m r b 、e v i m r c 进行设置。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 事件屏蔽寄存器e v i i r a 、e v i m r b 、e v i m r c 中的某一位为0 ，对应的中断被屏 蔽，否则将开启这个中断。当这三组中的任何一个中断发出请求信号，都会 存相应的事件中断标志寄存器e v i f r a 、e v i f r b 、e v i f r c 中的对应位置上置1 ； 如果这些中断未屏蔽，将同时触发相应的d s p 内核中断；如果该d s p 内核中 断位屏蔽，c p u 将响应这个中断。 这样，当发生i n t a 、i n t b 、i n t c 中断时，跳转的是i n t l 、i n t 2 、i n t 3 的中断矢量地址，在定义事件管理模块中断服务程序入口时，要特别注意这 点。 每一个中断事件，都具有相应的中断控制寄存器、中断标志寄存器和中 断屏蔽寄存器，需要响应该中断时，打开中断屏蔽，设置中断控制允许位， 就可以在该中断事件发生时，执行中断服务程序。对于共享一个中断矢量的 中断事件，需要查询中断标志来确定到底是哪一个中断发生，在执行完中断 服务程序后需要手动清除该中断标志位。 2 3 本章小结 本章简要介绍了d s p 控制器t m s 3 2 0 f 2 4 0 的结构特点，并结合直流无刷控 制系统，介绍了事件管理器中与本设计有关的一些内容。在这里，重点分析 了t m s 3 2 0 f 2 4 0 控制产生六路p 硎波形的工作原理和d s p 的中断系统，以及如 何使用d s p 的高速捕获单元。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章直流无刷电机的工作原理 永磁同步电动机的转子采用永久磁铁，目前多使用稀土永磁材料。 由于 转了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，在定子上产生的反电势也有两种：一种为正 弦波形；另一种为梯形波。这样就造成两种同步电动机在腺理、模型及控制 方法上有所不同，为了区别由他们组成的永磁同步电动机交流调速系统，习 惯上将正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机 ( p m s m ) 调速系统：而由梯形波( 方波) 永磁同步电动机组成的调速系统， 在原理和控制方式上基本与直流电动机类似，故称这种系统为直流无刷电动 机( b l d c m ) 调速系统，方波同步电动机又称为直流无刷电动机( 或方波电动 机) 。 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( 玎2 ) r a d 左右的电角度。从而使电 机能不停的运转。 3 1 直流无刷电动机的数学模型”h 7 1 直流无刷电动机由定子三相绕组、永磁转子、逆变器、转子磁极位置检 测器等组成，其转子采用永久磁铁，进行特殊的磁路设计，可获得梯形波的 气隙磁场，定子采用整距集中绕组，由逆变器供给方波电流。 其一相气隙磁场感应的反电动势和供电电流之间的关系如图3 1 所示。 喻尔滨1 程大学硕+ 学位论文 e b 厂 乍= 二二二寻 l l a i 。 弩。 图3 1 方波永磁同步电动机波形图 由于电机反电势为梯形波，包含有较多的高次谐波，并且直流无刷电动 机的电感为非线性，因此，在这里采用d 、q 变换理论已不是有效的分析方法。 在分析和仿真计算中直接采用相变量法，根据转子位置用分段直线表示感应 电动势。由于稀土永磁材料的磁导率很低，转子的磁阻很高，其影响可忽略 不计。此时，直流无刷电动机的三相定子电压的平衡方程式可用下列状态方 程表达： 式中 “，“。，一三相定子电压，v ，e b ，p 。一三相定子反电动势，v l 4 月，l a c ，l ，三，三d ，三一- - , f f l 定子间互感，h 由电动机结构决定，在一个3 6 0 。电角度内( 机械上为一对磁极距) ，转子的 磁阻不随转子位置变化而变化，并假定三相对称，则有： 式中 三d 2 l “c 2 l “2 l m = l “= 三= m m 为直流无刷电动机定子绕组问互感，h 一 _】_j 日 c 一 旧一 + -_，j1_-_lh k p lllj w 伽“伽如坳山助细 -。l + llljl = h h 1lllllllj o o 艮 o 如o 咚o o l = 门叫刊 一 一 一堕!釜三堡盔兰堡圭耋堡墼圣 e 纠2 f 耄誊耋 陲1 + f 惫荔爹1 。臣1 + f 圣1 e s 一。， 又因为三相对称电动机中存在f + i 。 i c = o ，因而有m i 。m i 。一m 、：0 ， f i i 2 f 誊墨曼 f 耋 + f 三，三蔓 n 隆1 + f 参1 电磁转矩的表达式为：( 3 - 3 ) t 2 ( p i + g h i b + p ( 、i ( 、) q( 3 4 ) 自。砖凳誓曼翌型，直流无刷电动机的带电导体处于相同的磁场下，各相绕组 的感应电动势为： “7 “ e 2 ( p n 6 0 ) o 。行 ( 3 5 ) 从变频器的直流端看，星形联结的直流无刷电动机感应电动 e d 。( 2 9 。) = ( p , n 3 0 ) o 。” 因此电磁转矩表达式可化为： 乃2 ( 2 e 。，i d ) q = ( & n z ) o ，i d 式中 j 。一方波电流的幅值，a ( 3 6 ) ( 3 7 ) 动加是薷甘- 7 南) 暑墨妻兰，睾鎏悉型皇雹墼的电磁转矩表达式和普通直流电 翼嚣彗昙蠢慧是癸孳篓查竺妻登雩竺宴流幅值磊三；j ：。薪酉蕃丽逼萎嚣藉言 套黎詈冀望磐乎罂要警掣塞鎏委型皇跫机的转矩_ 曩天。五蒂罨着焘磊兰霜 辜需詈冀翥孽蠢差萋堡量窒皇动势同相c 与转享磁磊i 葙薹“。尹翁? 。吾嚣 尢刷电动机的转矩脉动等于零。 一”且“ 堕堑堡三堡奎兰竺圭兰堡丝耋 ； i i i i i i i ；i i i i i i i ；一一 再加上转子运动方程： 乃一疋= l ，等 ( 3 _ 8 ) 这样就构成了完整的三相直流无刷电动机的数学模型a 3 2 直流无刷电机的运行特- 生和传递函数凹1 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和。 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u ，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 ) 位罱传感器等控制电路的功耗忽略不计。 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3 2 示： 图3 2 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 伽的，即口= b 。s i n 0 。这样一来，如果在定子中某一相( 例如t 3 相) 绕组中通 入持续的真流电流，所产生的转矩为： 堕查堡 。至奎兰堡点兰堡篁兰； ；i ；i ；i i i i _ - - i ；i i 一 一 1 7 q = z d l b m r l s i n o 式中：z 。一每桐绕组的有效导体数 l 一绕组中导线的有效长度，即磁钢长度，m r 一电动机中气隙的半径，m i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 圈串赋通电，这时，转子转矩为两个绕组的转矩合成，其大小为： t = 3 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子 位置的不同而按l e 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3 3 示： o o 图3 3 在恒定电流下的转矩图 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，。= o 。在y 、- 0 。情况 下，电动机三相绕组轮流通电时所产生的总转矩如图3 4 所示。如若开关管 哈尔滨 j 程大学硕十学位论文 的导通时f 州提前或滞后，则均将导致转矩的脉动值增加，平均值减小。 图3 4 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 。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： k 。：墨( 3 - 9 ) 弘孚 ( 3 _ 1 0 ) 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3 2 得电动机的电压平衡方程组为 u 一u = e 。十批( 3 l 1 1 ) 其中，e = k 。”，瓦= 足，将其代入式( 3 一1 1 ) 整理后，可得其机械特性 方程为： 一半一去l k ?k 。j k ，6 j j 式中 n 电动机转速，r m i n u 一屯源申压，v n a j 、- 滨工程大学硕士学位论文 a u 一功率管管压降，v k 。一电动势系数 无一电动机产生的电动转矩平均值，n m k ，一转矩系数 r 电动机的内阻，q 由式( 3 12 ) 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i ；i - , s r a ： 的缘故。式( 3 1 2 ) 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 a u = e 。+ 艘 瓦= k r l( 3 18 ) ，g d 2 幽 1a 叫c2 丽i e = k 。” 式中 瓦一电动机负载阻转矩，n r n g d 2 一电动机转子飞轮力矩，k g m 2 0 经拉氏变换后，可得： u ( j ) 一a u ( s ) = e 。( 5 ) + 彤( j ) z o ( s ) = k r ，( s )( 3 14 ) 驰m = 豢似s ) 堕玺鎏兰堡盔：堡圭兰丝。坠圣 ；一；，； 一j i _ _ 自i _ _ ；i 日i _ i i | - j i - l _ 一 e 。( j ) 2k 。 ( s ) 忽略功率管管压降，根据方程式( 3 1 4 ) 可求得直流无刷电动机的传递函 数为： 心) = 忐晰再k 2 t 式中k ，一电动势传递系数，墨= 1 k 。 k ，一转矩传递系数，k 。= r k 。k 疋一电磁时间常数，l = r g d 2 ( 3 7 5 k 。k ，) 。 3 3 直流无刷电机的换相和p w m 信号的分配 由直流无刷电动机的调速原理知道，直流无刷电动机定子的方波电流与 转子位置有严格的对应关系，受转子磁极位置检测信号的控制。现以图3 2 所示的三相全控逆变电路来阐述一下直流无刷电机的换相和具体的? w m 信号 的分配。 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检测器， 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3 5 ( a ) 所 示，对应于图3 2 的逆变器电路。p a 、p b 、p c 为三路转子位置信号，经位置 信号处理单元后就可得到逆变器功率开关的使能信号，如图3 5 ( b ) 所示。 由于电动机所处的运行状