（电工理论与新技术专业论文）基于双dsp的无轴承开关磁阻电机控制器设计.pdf

a b s l r r a c t ：t h cb r i n g l e 豁m o o 啊i s 伽cl 【i n do f 肿v d ，h i g l lp c d b 咖a n m o i o r i n t e g m i i l l g m a 弘e t i s mb c a r i n g 趾ds r m n 0 t 伽l y d o 瞄i tg c td do f t h cs r m i o t 砒i 咖i a ls p dl i l n i to ft h em e c h a n i c a lb e a r i n g ，b u tni sa i p i o b a b l et 0 他d u c ct h c v i b 枷o n 卸dt h cn o i 辩w h i c ha 化p r o d u c c di nt h em o t o rm o v 锄tp i o c e 辎i th 勰 s e v e m lm e 面so fl gl i f c ，l e 豁m e c h 越i c a l 衔c t i 伽，n e c d t l u b r i c a t i o ne t c ，蜘i t i n g t 0t h eh i g l lr o 协t i 加a ls p c e d 柚dh i g l lp o w c r a p p i i c a t i 蚰 t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h eb a s i cs t n i c t l l r c ，m a t l l e m a t i c a lm o d e l ，f l l n c t i o n m o d ea n d n 打0 lm e t h o do ft h eb c a r i n g l 路ss r m 1 1 i em a i nw m i n gp o w c rc 0 肼e 船 柚da 鹤i s t 勰tw i n d i n gp o w 盯c o n v e n c fo ft h cb e a r i i i 酎e 豁s r m m m ls y s t e m 觚dt h e b c a r i n g l c 鹞s r md i g i t a lc o n t r o l l e rb 觞e d d u a ld s p f i m s 3 2 0 u p 2 4 0 刀h 勰b e 锄 d 龉i 弘e d i n d u d t h c d u a ld s po o n t l 如u i t ，t h cd u a lr a mc 0 i i l m u n i c a t i o nc 硫u i t ， t h ec p l dl o g i cp f l o c e s s i n gc i r c l l i t ，n 圮ds 枷p l i n gc i 枷也t h cd i s p l a c c m c n t c x 锄i n i i l gc i r c u i t ，t h cr o t o rp o s i t i 衄n s i n gc 栅i t ，t h es as 喇a lc o m m 岫i t j c 硫u i t t h ek e y b o a r dc i r c i i “如ds o 伽 f b ft h eb e a r i n 酉e 鼹s r mc o n t m lm e t h o d ，t h cd i s s e n 砒i 既p a t i a i e st h c f h a 圮 f l o ww h i c hh 舔r e a l i 抚dt h i sm e n l o d ，c o n d u c t c st h ee x p c i i m 锄t a lr e 辩a r c h ，柚df m a l l y g i v c sp a n i a l 懿p c i i m c m a lw a v e f 0 瑚s 1 删o r d s ：b e a r i n g l e s sm o 衄； s w i 妯e dr e l 咖m o t o r ； s u s p c n d c 0 n 咖l ；f u l l yd i g i t a l c 叫硼 致谢 本论文的工作是在我的导师葛宝明教授的悉心指导下完成的，葛宝明教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 葛宝明老师对我的关心和指导。 葛宝明教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向葛宝明老师表示衷心的谢意。 葛宝明教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，赵楠、张艺腾、王秋蓉、杨岳峰博士等同 学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向她们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业- 引言 1 1无轴承电机的研究背景 1 引言 传统电力拖动系统中的转子是由两个机械轴承来支撑的，因此转子在转动过程 中存在机械摩擦，机械摩擦不仅增加了转子的摩擦阻力、使轴承磨损、降低轴承 寿命、产生机械振动和噪声，而且会造成部件发热，使润滑剂性能变差，严重时 还会造成电机气隙不均匀、绕组发热、温升增大，从而降低电机的效率，缩短电 机的使用寿命。特别是在高速机床、离心机、压缩机、飞轮储能及涡轮分子泵等 设备中需要用大功率的高速或超高速电机来驱动，用机械轴承来支撑高速电机时， 电机高速运转对机械轴承冲击更大、机械轴承磨损更快、大幅度缩短了轴承和电 机的使用寿命，因此用机械轴承来支撑高速电机严重制约着电机向更高速度和更 大功率方向发展。 一 为了克服机械轴承性能上的不足，高速电机一般采用气浮、液浮和磁浮轴承。 其中气浮和液浮轴承均需要配备专门的气压、液压系统，这不仅使电机的结构复 杂、体积庞大、功耗多、效率低，同时气压和液压系统的故障会使得气浮。液浮 轴承失效，从而导致电机无法正常运行。近二十年来发展起来的磁轴承具有无摩 擦、无需润滑、高速度、高精度等一系列优良特性，因而从根本上改变了传统的 支撑形式，在能源交通和航空航天等高科技领域褥到了广泛的应用。 r 利用磁力将物体无接触地悬浮于空中的想法由来已久，早在一百五十多年前， 英国物理学家e a r n s h 钾就证明了单靠永磁铁不能使一个铁磁体在所有六个自由度 上都保持自由、稳定的悬浮状态【1 1 。1 9 3 7 年k e n p e r 申请了第一个磁悬浮技术专利， 他认为要使得铁磁体能够实现稳定的悬浮，就必须根据物体的悬浮状况不断调整 磁场力的大小，即通过可控磁场来实到2 l 。这一思想成为今后研究磁悬浮列车和磁 悬浮轴承的主导思想。随着现代控制理论和电力电子技术的快速发展。2 0 世纪6 0 年代中期对磁悬浮技术的研究跨上了一个新的台阶。德国、日本等国相继开展了 对磁悬浮列车的研究，分别制造出了磁悬浮列车的样机。1 9 7 7 年，德国航空公司 研制出的k 伽e t 磁悬浮列车，以高达3 6 0 公里的时速在专门的实验轨道上运行， 开创了磁悬浮列车运行的里程碑。日本国铁公司1 9 7 2 年研制成的m l l 0 0 是世界上 第一台电动型磁悬浮列车，1 9 7 9 年又研制成功了札5 0 0 型磁悬浮列车，时速高达 5 0 0 多公里，堪称速度最快的陆上交通工具。磁悬浮技术在轴承领域的应用也取得 了惊人的成绩。1 9 7 7 年，法国s e p 公司和瑞典s i ( f 公司联合开发了世界上第一台 应用于高速机床的磁轴承系统p j ；1 9 8 3 年，搭载于美国航天飞机的欧洲空间仓内 北京交通大学硕士学位论文 安装了采用磁轴承的真空装置，美国惠普公司在计划研制的x t c 一6 5 核心机的验证 机上已使用磁轴承，并通过了1 0 0 小时的实验1 4 j 。 磁轴承支撑的电机虽然具有突出的优点，但在不同的应用领域依然存在如下 问题驯： 1 电机的输出功率难以进一步提高。为了提高电机的输出功率，电机的轴向 长度和径向尺寸必需随之加大，由于磁轴承在轴向和径向都占有很大一部分体积， 又为了在高速时能避开转子的临界转速，只能尽量控制电机本身的轴向长度，这 样就导致提高电机的功率比较困难，而电机转轴的径向尺寸则受电磁材料机械强 度的限制。 2 磁轴承需要高品质的控制器、高性能的功率放大器和多个昂贵的位移传感 器等，导致磁轴承较为复杂、体积较大以及成本较高，大大影响了由磁轴承支撑 的高速电机的使用范围。 由于磁轴承占有独立的轴向空间，使得磁轴承电机的轴向利用率较低，而磁 轴承结构与交流电机定子结构具有一定的相似性，如果把磁轴承中的悬浮绕组叠 绕在电机定子绕组上，使两种磁场合为一体，且能同时独立控制电机转子的悬浮 和旋转是最为理想的，无轴承电机正是基于这一思想而提出的。无轴承电机的概 念最初是由r b o s c h 于8 0 年代提出的i q ，在瑞士的j b i c h s e l 实现了同步电机的 无轴承技术之后l 刀，无轴承电机的研究引起了广泛的重视。目前瑞士、日本等国都 大力支持开展这项研究工作，日本的a c h i b a 等人对异步电机的无轴承技术、开 关磁阻电机( s 雕) 的无轴承技术进行了研究【8 】o 与磁轴承相比，无轴承电机具有以下优点： 1 悬浮绕组缠绕在电机定子上，不占用额外的轴向空间，电机的轴向长度可 以设计得较短。 2 轴向长度得到充分利用，电机输出功率可以大幅提高。 3 由于无摩擦、无须润滑等特点，可以用于超净的场合下，在航空方面可以 可以从根本上摆脱机械轴承的制约。 国外由瑞士联邦工学院( e t h ) 的j b i c h s e l 率先实现了永磁同步电机的无轴承 技术l “，提出在电机定子上再叠绕极对数为只1 悬浮力控制绕组，利用矢量控制 成功地实现径向悬浮力和旋转力矩之间的解耦。国内南京航空航天大学对无轴承 异步电机做了相关研究【9 】，提出了基于气隙磁场定向的无轴承控制技术，不仅实现 了转矩和悬浮力控制问的解耦，而且实现了无轴承异步电机动态时的稳定悬浮。 无轴承s 跚的研究起步较晚，相比其他几种结构的无轴承电机技术来说技术最不 成熟，但由于s 跚的结构简单，控制较其他类型电机容易，因此国内外开始有学 者对该类型的电机进行研究。 2 引言 1 2无轴承s r m 的研究现状 由于s 跚为双凸极结构，转子上无绕组，具有结构简单、成本低、易于调速、 维护方便等特点使其非常适合于高速运行，s 跚的无轴承技术不仅使其向高速发展 有重要意义，而且有望在减小电机振动噪声和转矩脉动问题上提出新的解决方案。 无轴承s 跚的概念最早是由h i g u c h i 教授于1 9 8 9 年提出来的【埘，后来日本一 些学者进行了深入的研究，他们在无轴承s 跚的数学模型方面不断的探索并完善 之。从己发表的文献来看，日本学者在数学模型方面的改进和完善工作主要集中 在如何更加精确的计算气隙磁导上面。文献【1 1 ，1 2 l 中基于直线磁路饱和分割求取气隙 磁导的数学模型不能保证在定、转子极对中位置时电磁转矩的连续性，从而产生 附加的转矩脉动。文献i 切则在气隙磁导的计算中忽略了径向( 口和芦方向) 转子位 移的相互影响，从而忽略了径向悬浮力之间的耦合，因而径向悬浮力之间存在耦 合。本文在现有的等效磁路基础上推导出电机电感的表达式、径向悬浮力和电磁 转矩的表达式，从而建立起一套无轴承s 跚的数学模型，并针对该模型设计控制 系统来完成系统功能。 目前国内南京航空航天大学、北京交通大学和江苏理工大学均在开展这方面 的研究工作。到目前为止，南京航空航天大学电源实验室于2 0 0 4 年实现了无轴承 s r m 空载情况下的悬浮。 无轴承电机的控制系统是其核心关键技术，控制器的性能和可靠性不仅决定 了磁悬浮是否能实现，而且还直接影响到转轴的精度和电机的承载能力。所以在 整个系统的设计当中，控制器的设计及优化显得尤其重要。 1 3本文工作内容 本文受教育部重点基金项目( 2 0 0 4 1 0 4 0 5 1 ) 和台达科教发展基金项目 ( d r e g 2 0 0 5 0 0 6 ) 资助，完成下列研究内容： ( 1 ) 研究无轴承s 蹦的基本结构、数学模型、运行方式和控制方法。 ( 2 ) 设计无轴承s 删主绕组功率变换器和副绕组功率变换器。 ( 3 ) 基于双d s p 设计无轴承s 跳数字控制器，包括双d s p 控制电路、双口r 枷 通讯电路、c p l d 逻辑处理电路、a d 采样电路、位移检测电路、转子位置传感电 路、s c i 串口通讯电路、键盘电路等。 ( 4 ) 编制了无轴承s 跚控制系统的软件，并进行了实验研究。 3 无轴承s r m 2 无轴承s r m 2 1无轴承s r m 基本结构 由于无轴承s r m 是基于普通s 跚结构而产生的，两种电机均为双凸极结构， 只是无轴承s r m 比普通s 跚多了一套绕组而已，为了便于区分，将无轴承s r m 的绕组分为两类，主绕组和副绕组。主绕组用于产生旋转转矩，副绕组形成的磁 场与主绕组形成的磁场相互叠加产生作用于电机转子轴上的径向力，使得电机转 子轴向上实现悬浮。 图2 - l 无轴承s 蹦a 相绕组结构图 f i g2 - 1a - p h 撇w 抽d i n gc 哪打u d i o no fb e a r i 喇嘟s r m 图2 - 1 展示了无轴承s r m 的横向切面图。定子和转子是由硅钢片迭压而成的 凸极结构，定子采用集中绕组，每个凸极上均有两套绕组，分别为主绕组和副绕 组，转子上无绕组。本课题所采用的无轴承s r m 为1 2 ，8 极结构，即定子有1 2 个 凸极，转子有8 个凸极。 图2 1 显示了无轴承s r ma 相绕组的结构，主绕组和副绕组均采用集中绕组 结构，电机四个正对凸极上的主绕组串联形成a 相主绕组，其中的电流为，串 联顺序如图所示。副绕组又分为口( a 1 ) 绕组和卢( a 2 ) 绕组，a 绕组是由口方向 上两个正对凸极上的幅绕组串联而成，卢绕组是由卢方向两个正对凸极上的副绕 组串联而成，它们的串联顺序及与主绕组的关系如图2 1 所示，口绕组和f 绕组上 的电流分别为。和t ：，b 相绕组、c 相绕组和a 相绕组具有相同结构，口和声是 5 北京交通大学硕士学位论文 以a 相绕组为基准定义的坐标系中的两个垂直坐标轴，同样与b 相、c 相相对应 的坐标轴可以定义为口1 轴、户1 轴和口2 轴、芦2 轴。 由于无轴承s r m 在定子上叠绕了副绕组，因此其控制系统比普通s r m 要复 杂。 2 2无轴承s r m 运行原理 旋转电机中存在着两种不同类型的电磁力：洛仑慈力和麦克斯韦力。无轴承 s r m 的径向悬浮主要是依靠麦克斯韦力，麦克斯韦力是磁路中不同磁导率介质边 界上形成的磁张力， 磁通 图2 2 径向力产生原理 f i g 抛胁岫p l eo f n d i a l f o 删u c 图2 2 展示了无轴承s r m 径向力产生的原理，此处以a 相为例，对称四个凸 极上的主绕组产生的磁通称为主绕组磁通，是主绕组电流产生的，图2 _ 2 中粗实线 显示了主绕组磁通某一时刻的方向；对称两上的副绕组产生的磁通称为副绕组磁 通，是副绕组电流乙。( 屯：) 产生的，图中虚线显示了副绕组磁通某一时刻的方向。 为了说明无轴承s r m 的工作原理，下面介绍带有负反馈环的转子径向位置控 制，当主绕组通入电流乙时，如果转子朝以定子为中心的口轴的负方向移动，则 气隙的磁通分布会变得不均匀，这时将产生沿口轴负方向的径向力，为了平衡这 个力，给副绕组口通入正向电流，此时气隙l 的磁通密度会加强，这是因为在 气隙1 处口轴方向上的副绕组磁通和主绕组磁通的方向是一致的。与此相反，气 隙2 的磁通密度减小，因为此时气隙2 处口轴方向上的副绕组磁通和主绕组磁通 的方向是相反的，这样迭加磁场就会在口轴方向上产生一个作用于转子的径向力。 6 无轴承弧m 另一方面，只要在副绕组口中通入负的电流，就会在口轴的方向上产生一 个反方向的径向力。此外，在副绕组芦中通入电流屯：就可以在户方向上产生一个 径向力。因此，只需调节a 和一方向上的电流大小与方向，就可以产生任何方向 的径向力，并且可以任意调节其大小。 上面的介绍是以a 相为基础，运行原理同样可以应用于b 相和c 相，为了达 到稳定悬浮的目的，需要在控制过程当中做相应的坐标变换。 2 3无轴承s r m 数学模型 如图2 3 所示是无轴承s r m 的等效磁路图，在计算中做如下假设： 1 忽略磁饱和 2 转子的位移相对气隙而言足够小 3 忽略漏磁 4 忽略定子极与转子槽之间的磁通 图2 3 显示了每相绕组的结构和等效磁路，其中主绕组和副绕组的磁通势用符 号“i l ”表示，气隙的磁导用符号“w ”表示。 图2 3 无轴承s 雕等效磁路 f 蟾2 - 3m a 印e 6 cc q u i v a l e n tc i 删i t0 f b c a r i l i g l e 站s r m 在假设条件满足的情况下，可以把磁场的分布划成三个路径，其磁导分别为 号、罡、b ，如图“所示。 7 北京交通大学硕士学位论文 图2 - 4 假定磁通路径 f j g2 4 a u m e dm a 驴e 廿cp a t h s 可以认为磁通路径为椭圆形，七为一个系数，它的大小依赖于转子的位黄吃及 气隙长度，七= l 时磁通路径为圆形，f 为转子齿圆周表面上的一点，可以得到 磁路的平均长度为： z 一三o + + 缸) 式3 - t 可写毒。三( f + 毒( 1 + 七) ) 由文献【9 】知，毒和毒有近似线性的关系，因此有 ff石 t st s 4 式中c = 1 4 9 ，将式3 3 代入式3 - 2 可得。 七! c 一1 d 只的横截面积大致可以写为： ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) j 型型丝 ( 3 5 ) 式3 5 中矗代表长度，由磁导定义可得： 鸩掣( 3 6 ) 式3 6 中心为空气磁导率，把式3 2 一式3 5 代入式3 6 可得： 鸩业毒；出 ( 3 7 ) 筇4 d + 筇l 。 、。 由式3 7 可得最： 昱2 r 驾= 等如学 同理可得o 8 无轴承s r m b 丝加孝：辈乌 ( 3 - 9 ) a|hs 转子与定子之间气隙的磁导只： 置型掣 ( 3 - 1 0 ) i j 一个气隙下的总磁导为： 只。一日+ 最+ 弓( 3 - n ) 将式3 8 一式3 1 0 代入式3 1 l 中可得： 晶- 巡警+ 等白芦等吗 ( 3 - 1 2 ) 同理可以得到其他气隙下的总磁导： 和趔铲+ 警雅华 耻逝铲+ 挚襻等屿 ( 3 1 4 ) 耻巡竺挚业+ 警觑掣筹邋) 无轴承开s r m 采用集中绕组，a 、b 、c 三相具有对称性和相似性，而a 相、 b 相、c 相之间的互感非常小，所以在等效磁路计算时，可以任意一相为例，图 2 - 5 显示的是a 相的等效磁路，其中的参数定义为： 定子 _ 二工1 两缸7 露露露厶7 藏 转子 图2 5a 相等效磁路 h g 撕m a 扣e n ce q l l i v a l e n tc i r a i no f a p h a 。主绕组匝数 m 副绕组匝数 乙 主绕组电流 ， a 方向上副绕组电流 ：卢方向上副绕组电流 。一只a 相中对应于每个凸极下的气隙磁导 丸，一亿a 相中对应于每个凸极下的气隙磁通 9 北京交通大学硕士学位论文 由磁通连续性可以得出： 譬一虬o + 虬：一争+ _ 乙+ 坼。 1 _ 24 i 冬+ 虬。一眠- 。鲁+ 虬乙+ 坼。，4 l 等一虬k 一坼铲惫+ 眠+ 帆， 屯i + 或2 + 丸3 + 屯4 0 ( 3 - 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) ( 3 - 1 8 ) ( 3 1 9 ) 由式3 1 6 3 1 9 可以推出屯，一览 九。二争【2 虬化：+ 只。k + 也化：+ z ，+ c 。丸。一化：一只。比2 】( 3 2 0 ) 兜：- 等【2 虬( 只，+ ，k + 虬吧。一只，瓦。一地吧。+ 只，+ z k z 】 ( 3 - 2 1 ) 屯，一二争【2 虬吧：+ 巳k 一以( 圮，+ ：+ 匕瓦，一m 吧。一只。k ：】( 3 2 2 ) 吃。t 等【2 帆化。+ 吃儿+ m ( 只，一只，丸，+ 虬化，+ 珑：+ 匕k ：1 ( 3 2 3 ) p ；l + 只2 + 只3 + 只4 ( 3 。2 4 ) 电机主绕组电流。产生的磁链为： 妒。一( 一亿。+ 览2 一戎3 + 九) 。 ( 3 。2 5 ) 类似，副绕组的磁链妒。和妒。：可以表示为： 妒。，。( 一九1 + 晚3 ) m ( 3 2 6 ) 妒。2 - ( 吃2 + 九。) ( 3 。2 7 ) 根据自感和互感的定义，将式3 - 2 0 3 2 4 代入式3 - 2 5 3 2 7 中可阻求出主绕组 的自感，副绕组的自感以及它们之间的互感表达式为： k 。譬。型醯鼍掣 ( 3 - 2 8 ) 一脚 !n 、7 l 竺巫。蟹f 墨! ! 墨2 丝墨! ! 墨f ! 墨! 墨2 墨塑( 3 - 2 9 ) l n 、7 k ：笋。塑缝丝笆譬丝趔 ( 3 卿 m 似，。坐型车掣生盟 ( 3 - 3 1 ) ，动一丝型叫监二盟 ( 3 - 3 2 ) m 。枷苟一丝k 警坠盟 ( 3 - 3 3 ) 其中 k 主绕组自感 k 。 副绕组的自感 无轴承s r m l ： 副绕组芦的自感 m 岫，n 主绕组和副绕组口之间的互感 m ( 榭，2 ) 主绕组和副绕组户之间的互感 f 佃枷：， 副绕组口和副绕组卢之间的互感 电感矩阵可以写成： f z k m ( 。，q 肘 片内光电编码器接口电路；1 6 信道a i d 转换器。 可扩展的外部存储器( u 晓4 0 7 ) 总共有1 9 2 k 字空问：6 4 k 字程序存储 空间；6 4 k 字数据存储空间；6 4 k 字帕寻址空间。 看门狗定时器模块( w d t ) 。 1 0 位刖d 转换器( 最小转换时间为5 0 0 n s ) 。 控制器局域网络( c a n ) 2 o b 模块。 串行通信接口( s a ) 模块。 1 6 位的串行外设( s p i ) 接口模块。 基于琐相环的时钟发生器。 高达4 0 个可单独编程或复用的通用输入输出引脚( g p i o ) 。 5 个外部中断( 两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断) 。 北京交通大学硕士学位论文 这些特点使得1 m s 3 2 0 i 砣4 0 7 特别适合于控制s r m 电机，而且为与其它控制 器通信提供了便利。 4 2控制器硬件电路设计 4 2 1 双d s p 控制电路 为了有效地控制无轴承s 跚，控制器需要满足下列基本要求： ( 1 ) 为主绕组、副绕组功率变换器提供足够的p 删驱动信号，共需要1 8 路p 删 信号( 6 路为主绕组功率变换器。1 2 路为副绕组功率变换器) ； ( 2 ) 需要检测5 个自由度方向上的位移信号； ( 3 ) 检测转子位置，以换相运行及转速计算； ( 4 ) 检测主绕组三相电流及六路副绕组电流： ( 5 ) 故障信号反馈及保护输出； ( 6 ) 键盘、显示，等。 系统采用两片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片以满足上述硬件要求，其中一片d s p 为主绕 组功率变换器提供控制信号。例如，提供6 路p 删控制信号及过流、限流保护， 同时完成主绕组电流检测、直流母线电压检测、转予位置检测等；另一片d s p 为 两套副绕组功率变换器提供控制信号。例如，提供1 2 路p 删控制信号及完成两块 i p m 模块保护信号的处理，同时完成两套副绕组电流检测、转子位置检测及转子在 5 个自由度方向上的位移检测等。 在控制无轴承s 跚悬浮、旋转中，有效控制各个方向悬浮力与转矩致关重要， 两块d s p 需要进行实时数据交换，双口r a l i 是实现这一功能的很好选择。 基于双d s p 的控制器框图如图4 - l 所示。 主略p ( d s p - 1 ) 控制器资源利用介绍： ：三相主绕组电流信号，它们通过滤波电路和放大电路后进入d s p 的a d 转换器。 ：三相位置信号接入d s p 的c a p l 、c a p 2 、c a p 3 口。 ：主功率变换器六路i g b t 开通关断信号：使用事件管理模块( e v a ) 的p 删1 6 端口。 ：速度显示用s p i 模块。 ：串行通信接口模块( s c i ) ：d s p 的s c i t ) ( d 、s c t r x d 端口，实现与上位机 的实时通信。 ：c a n 通信模块：d s p 的c _ n t x ，c a n r x 端口。 基于双d s p 的无轴承s r m 控制器硬件设计 ：键盘输入模块：d s p 的g p l 0 口。 ；功率驱动保护限流信号进入p d p i n t a 图4 一l 双d s p 控制器框图 f i g4 - 1d u a ld s p n n 硼【盯d i a 寥锄 从d s p ( d s p - 2 ) 控制器资源利用介绍； 两套副绕组的绕组电流信号( 共计六路) ，它们通过滤波电路和放大电路后 进入d s p 的a d 转换器。 5 个自由度的位移信号通过滤波电路和放大电路后进入d s p 的a d 转换器。 两套副绕组( 口方向绕组、方向绕组) 功率变换器共十二路开通关断信 号：使用事件管理模块( e v a 与e v b ) 的p 删1 1 2 端口 c a n 通信模块：d s p 的c a n t x 、c a n r x 端口。 功率驱动保护限流信号进入p d p i n t a 。 ( 1 ) 存储器扩展接口电路 每个d s p 各设计有单口r l 程序调试电路，以便于将程序下载到d s p 当中， 易于修改的目的。选用c l f p r e s s 公司的一片1 6 位字宽，6 4 k 字数据容量的存储器 c y 7 c 1 0 2 l 作为d s p 的外部扩展存储器，d s p 2 4 0 7 的数据总线d o - d 1 5 及地址总线 a o _ a 1 4 全部连接到c y 7 c 1 0 2 1 的相应总线上。d s p 2 4 0 7 的写控制线w e 连到e p m 7 1 2 8 s 上，逻辑信号经过c p l d 处理后连接到c y 7 c 1 0 2 1 的写使能引脚1 | e 上，因此，d s p 可向c y 7 c 1 0 2 1 写入数据l 州。 d s p 2 4 0 7 的i o 空间选通引脚i s 连到e p m 7 1 2 8 s 的引脚上，经过c p l d 处理后， 输出信号连接到c y 7 c 1 0 2 l 的片选端e e 上，而c y ? c 1 0 2 l 的片选端也是低电平有效 的，因此，只有当d s p 2 4 0 7 的i s 引脚为低电平时就禁止访问存储器，其它时间存 储器是开放的，也就是说，存储器c y 7 c 1 0 2 1 集可以作为数据存储器也可以作为程 序存储器，但不能作为1 0 空间使用。 北京交通大学硕士学位论文 d s p 2 4 0 7 的程序空间选通引脚p s 接到了c y 7 c 1 0 2 l 的高位地址线a 1 5 上，而 p s 是一个低电平有效的信号，这样就使得c y 7 c 1 0 2 1 的低地址区( 低3 2 k ) 可以作 为程序存储器使用，也可以作为数据存储器使用，而它的高地址区只能作为数据 存储器使用。 它为高电平，指示数据总线的传输方向，s t r b 是d s p 2 4 0 7 的外部存储器访问 选通信号，当访问片外存储器时，它输出低电平。 综上所述，只要d s p 2 4 0 7 要求读外部存储器时，0 e 线就为低电平了。设计的 存储器接口电路及逻辑控制电路如图4 - 2 所示： 图4 _ 2 存储器接口及逻辑控制电路 f i g4 - 2e x p a n d c dl j n 把f 自a n d1 0 9 i c n t f o ld r c 血 ( 2 ) p 删输出逻辑单元 主d s p ( d s p - 1 ) 控制器输出的六路触发信号由e v a 模块p 喇1 到p 删6 引脚提供， 其中p 嗍1 和p w 记分别控制a 相的上下桥臂，以此类推。p 州的输出经隔离和反相 驱动后与a 、b 、c 三相的故障信息进行逻辑综合，综合的输出给i g b t 的驱动芯片。 其它各相依次类推。由此看出，只要某相出现故障则相应的i g b t 上下桥臂则 关断，快速且有效地保护系统的安全工作。 从d s p ( d s p _ 2 ) 控制器输出的十二路触发信号由e v a 和e v b 的p 7 m 1 到p 州1 2 共 同提供，给两个i p m 模块提供触发信号。 d s p 通过处理外部控制指令、电机的电流、位置等反馈信号，给电机发出p 删 脉冲信号，当控制指令和反馈信号均正常时c p u 发出脉冲信号使电机正常运转且 状态显示，不正常时d s p 发出关闭开关管的脉冲信号，使电机和开关管都安全。 同时为了系统的可靠性，控制器的硬件电路也做了保护，它不经过d s p 而是直 接经过硬件处理后与c p u 的脉冲输出信号进行逻辑综合，当两者都正常时开关管 基于双d s p 的无轴承s r m 控制器硬件设计 才导通。这样通过软硬件的双重保护增加系统的安全性和可靠性。 ( 3 ) 位置检测单元1 2 5 l 捌： 位置传感器是无轴承开关磁阻电机控制系统的关键单元。位置传感器和电机 是一体的，位置传感器的功能是正确提供转子位置信息，这信息经逻辑处理后形 成功率变换器开关的触发信号。位置检测器有电磁式、光电式、磁敏式等多种类 型。 先毫佃毫元忙 图4 3 光电盘示葸幽 f i g 们m f l g0 f p 均t o t u b c 本系统中的位置检测器采用光电式位置检测器，相关电路有两部分：位置信 号检测电路与位置信号处理电路。 位置信号检测电路是由光电盘构成，如图4 3 所示，位置信号处理电路如图 4 - 4 所示。该电路将位置传感器输出的信号经过高速隔离光耦6 n 1 3 7 进行隔离并作 电平转换，以提高控制系统的抗干扰能力。信号经光耦隔离后，通过c d 4 0 1 0 6 施 密特触发器整形后连接到d s p 进行处理。所以电机旋转时，每只传感器都可以获 得方波信号，对于1 2 ，8 极电机，方波周期为4 5 。，位置信号的处理分为两路：一路 直接送给d s p 的1 0 p f 口判断导通逻辑，另一路送到d s p 的捕获中断口c a p l 、 c a p 2 和c a p 3 用于计算电动机转速并作为计算角度的参考点。 3 l 北京交通大学硕士学位论文 图4 _ 4 位置传感器接口电路 f i g4 4p o s i d o n 辩n s 甜i n t e r 白c i f c u i t ( 4 ) 故障识别单元及保护单元： 为保证系统安全稳定工作，本系统设计了硬件保护和软件保护的双重措施。 系统的故障主要有二种，第一种是位置传感器故障，这可用软件对输入进来的三 路位置信号进行判断即可，如不正常则关闭系统，停止工作；第二种是某相绕组 电流出现电流过大，超越了硬件电流保护的限值，则硬件就会封锁管子，这称之 为绕组过流故障。第二种故障由硬件进行判断，当硬件电路上检测到故障时，一 方面立即封锁i g b t ，另一方面通过逻辑电路向d s p 发出故障信号，以p d p i n t a 的 形式打断系统，封锁i g b t 的输出，并由系统发出的故障识别信号检测到具体是是 绕组电流的故障，和具体是哪一相的故障。 ( 5 ) 控制电路板上的跳线端子 该控制器设计了l f 2 4 0 7 控制电路板上的3 个跳线端子，用来设定电路板上可 用的不同资源。表4 1 列出了所有端子的功能。 跳线端子说明： j p l ：b 1 0 1 0 p c i 是分支控制输入引脚，如检测到该引脚为低电平，则执行分 支程序，如果不用该引脚则必须将其拉为高电平，此时该引脚可以作为通用i o 口用。 j p 2 ：引导r 伽选择，可以实现通过片内引导加载器或者外部r o m 加载代码的 功能，该功能必须与j p 4 的选择搭配使用。 基于双d s p 的无轴承s r m 控制器硬件设计 j p 3 ：用来使能或禁止内部f 1 a s hr 诩。如果该管脚为低电平，d s p 工作于微控 制器模式下，从内部程序存储器开始执行程序；如果该管脚为高电平，工作于微 处理器模式，从外部程序存储器开始执行程序，内部f l a s hr 删被禁止。 跳线端子端子数功能 j p ll x 3b i o 硬件握手 j p