（电机与电器专业论文）基于dsp的无刷直流电机数字控制系统研究.pdf

a b s t r a c t t h et h e s i sf i r s te x p o u n d st h eb a s i ct o m p o n e n t p a r t s ，t h eb a s i cr u n n i n gp r i n c i p l e ，t h e r u n n i n gc h a r a c t e r i s t i ca n dt r a n s f e rf u n c t i o no f 也eb r u s h i e s sd cm o t o r ( b l d c m ) t h e k n o w l e d g eo nd s p i sa l s os i m p l yi n t r o d u c e da n dt h et m $ 3 2 0 f 2 4 0d s pc o n t r o l l e ri sp a i d m o r ea t t e n t i o n t h e nt h et i l e s i sd e t a i l e d l yd i s s e r t a t e si t sr e s e a r c hp i v o t ：t h es o r w a r e r e a l i z a t i o no fs e n s o r l e s sc o m m u t a t i o nd e t e c t i o nb a s e do nt h em e t h o do fb a c k e l e c t r o m o t i v ef o r c e ( b e r a f ) a n do p e n - l o o pc o m m u t a t i o ns t a r t - u p i nt h i s c h a p t e r , t h e m e t h o do fb l d c mr o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o ni sf w s td i s c u s s e d n l e nt h ep r i n c i p l ea n d a l g o r i t h mo fb e m f z e r oc r o s s i n gp o i n td e t e c t i o ni se x p l a i n e d i ns u c c e s s i o n ，t h ec h a p t e r d i s s e r t a t e st h es o r w a r er e a l i z a t i o no ft h eb e m fz e r oc r o s s i n gp o i n td e t e c t i o na l g o r i t h m ， t h es o r w a r ed i s t u r b a n c ef i l t e ra n dt h em o d i f i c a t i o no fp h a s ed i s p l a c e m e n t , a n dt h e s o f t w a r er e a l i z a t i o no fc o m m u t a t i o np o i n t f i r 脚l y ，t h ec h a p t e rd i s s e r t a t e st h es t r a t e g yo f s o f t - w a r eo p e n - l o o pc o m m u t a t i o n s t a r t u p i nt h ef o l l o w i n gt w oc h a p t e r s 。t h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g no ft h ed i g i t a lc o n t r o l s y s t e mi s d i s s e r t a t e di nd e t a i l t h ec h a p t e ro f h a r d w a r ed e s i g nf i r s te 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 y c i r c u i t si sd 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 cc o m p o n e n t sa n dt h e i r p a r a m e t e r s i nt h e s ec i r c u i t si s a n a l y s e de m p h a t i c a l l y t h ec h a p t e ro fs o f t w a r ed e s i g n a l s of 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 l ls o m ep r o b l e m so ns o f t w a r er e a l i z a t i o na r e d i s s e r t a t e d 1 1 l e s em e t h o d so fs o f t w a r er e a l i z a t i o na r et i l e s i g n i f i c a n te m b o d i m e n ta n d a p p l i c a t i o no f t h e “s o f t w a r ei np l a c eo f h a r d w a r e d e s i g nt h o u g h tw h i c hi sp r o p o s e di n t h i st h e s i s n e x taf e wp r i m a r ys u br o u t i n e sa l ee x p a t i a t e d a tl a s t , t h ew h o l ec o n t r o l s t r a t e g yo f t h ed i g i t a ls y s t e mi sp r e s e n t e d a f t e rw e a p p l yt h ed e s i g ns c h e m eo f t h et h e s i s t oab r u s h i e s sd c m o t o r , t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e m b a s e do nt m $ 3 2 0 f 2 4 0d s p c h i p c a l lm a k et h em o t o rs t a r t s u c c e s s f u l l y i 由et i m eo f s t a r t - u p i sl e s st h a n3s e c o n d s a n dw h a t sm o r e t h ed i g i t a lc o n t r o l s y s t e mr e a l i z e st h em o t o r s c o r r e c tc o m m u t a t i o na n ds m o o t l lr u n n i n g c o m p a r e dw i t ha p u r eh a r d w a r eb l d c m c o n t r o l l e r , t h et e r m i n a lv o l t a g ew a v e f o r mc o r r e s p o n d i n gt ot h ec o n t r o ls y s t e md e s i g n e di n t h i st h e s i si ss m o o t h e ra n di t sc o n t r o le f f c c ti se v e nb e t t e rt h a nt h a to f t h ep u r eh a r d w a r e c o n t r o is y s t e m k e yw o r d s ：b r u s h i e s sd cm o t o r ；t m s 3 2 0 f 2 4 0 ；s e n s o r l e s s ；b a c ke l e c t r o m o t i v ef o r c e ； c o m m u t a t i o nd e t e c t i o n ；o p e n - l o o pc o n u n u t a t i o ns t a r t - u p ；h a r d w a r ea n d s o r w a r e d e s i g n ；s o t t w a r e i np l a c e o f h a r d w a r e ；d i g i t a l c o n t r o ls y s t e m n 主要符号表 a 、b 、c 定子三相绕组 f 。a 相绕组通电后所产生的磁动势 z 。每相绕组的有效导体数 l 绕组中导线的有效长度，即磁钢长度 b 。最大磁通密度 r 电动机中气隙的半径 i 绕组相电流 y 。换相导通角 t 。输出转矩的平均值 t 0 输出转矩的最大值 e 。感生电动势的平均值 e 。感生电动势的最大值 k 反电动势系数 珞转矩系数 1 1 电动机转速( r r a i n ) i _ 电源电压( v ) u - - 功率管管压降( v ) r 电动机内阻( q ) t 。电动机负载阻转矩 g d 2 电动机转子飞轮力矩 k 电动势传递系数，k = 1 履 k 2 转矩传递系数，k 2 = r kk t l 电磁时间常数，t , = r g d 2 ( 3 7 5kk t ) v x 定子绕组对地端电压，x = a , b c v n 星形连接绕组中点对地电压 e x 反电动势，x = a , b c b 【相电流，x = a , b ，c i ，一相电感 r 相电阻 v 。未导通相定子端电压 e 。矧未导通相反电动势 r 。、r 2 分压电阻 c 电容 a 相角位移 a s h i 倍相移角的偏移量 u 角频率 卜_ p w m 波调制频率 r c 电容的等效阻值 v 0 分压电压 第一章绪论1 _ 5 】 无刷直流电机( b l d c m ：b r u s h l e s sd h c t c u r r e n tm o t o r ) 是指无机械电刷和换 向器( 或集电环) 的直流电机，又称无换向器直流电机，它以电子换向器代替机械 电刷和换向器实现直流电机的换相，是一种机电一体化产品。无刷直流电机研究包 括：电机本体的设计研究、位置检测方法研究、换向逻辑研究、控制及驱动电路研 究等。无刷直流电机既具备交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优 点，又具备有刷直流电机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点， 同时克服了有刷直流电机由于机械电刷和换向器的存在所带来的噪声、火花、无线 电干扰以及寿命短等弊病，且降低了制造成本，简化了电机的维修。故无刷直流电 机在当今国民经济各个领域，如医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺、计算机驱动器 以及家用电器等方面得到了广泛的应用。 早在1 9 1 7 年，b o l i g e r 就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，从而诞 生了无刷直流电机的基本思想。二十世纪3 0 年代，人们开始研制以电子换相来代替 电刷机械换相的无刷直流电动机，但还只是处于实验室研究阶段，没有推广使用。 1 9 5 5 年，美国d h a r r i s o n 等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电动机机 械电刷的专利，标志着现代无刷电机的诞生。近4 0 多年来，由于电机本体及其相关 学科的迅猛发展，“无刷直流电机”的概念已由具有电子换向的直流电机发展到泛指 一切具有有刷直流电机外部特性的电子换向电机。无刷直流电机真正进入实用阶段 是从1 9 7 8 年开始的，二十世纪8 0 年代在国际上开展了深入的研究，先后研制成方 波和正弦波无刷直流电机，在1 0 多年的时间里，无刷直流电机在国际上已得到较为 充分的发展。我国无刷直流电机的研制工作始于二十世纪7 0 年代初期，主要集中在 一些科研院所和高等院校。限于我国元器件水平及相关理论与实践相结合的程度还 比较低，尤其是制造工艺和加工设备距离国际水准差距较大，所以目前我国无刷电 机综合水平仍低于国际水平，有待进一步的研究和开发。 无刷直流电机与电力电子技术、数字信号处理技术、自动控制技术等密切相关， 其中的一个关键问题是要解决电子换向控制器的设计和实现。电子换向控制器的发 展经历了模拟控制电路、模拟数字混合控制电路、专用集成控制电路、微处理器控 制电路、数字信号处理器控制电路等阶段。从发展趋势来看，以数字信号处理器 ( d s p ：d i g i t a l s i g m a p m e e s s o r ) 为核心的控制电路将代表无刷直流电机电子换向控制 器的发展方向。随着控制算法的日趋复杂，需要处理的数据量大大增加，加之实时 性和精度要求的不断提高，微处理器的处理速度已不能满足要求，人们自然而然地 想到了具有快速运算能力的数字信号处理器。近年来，各种集成化单片d s p 的性能 得到很大的改善，软件和开发工具越来越多，越来越好，价格却大幅度降低，从而 使得d s p 器件及技术更容易使用，价格也能为广大用户接受。而各大d s p 生产厂商 纷纷推出自己的内嵌式d s p 电机控制专用集成电路，使得d s p 与无刷直流电机的结 合成为一种必然趋势。近年来，无刷直流电机的研究工作者正热衷于研究取消位置 传感器，而实现无位置传感器控制将是无刷直流电机研究的发展趋势，并且无位置 传感器控制的实现常常和d s p 联系在一起。 由t i 公司所推出的t m s 3 2 0 f 2 4 0 是专为电机控制应用而优化设计的单片d s p 控 制器，它不仅具备强大高速的运算处理能力，而且在片内集成了丰富的电机控制外 围部件( 事件管理器、p w m 产生电路、a d c 转换模块等) ，这为实现无刷直流电机 的无位置传感器控制提供了极大的便利。针对目前人们在研究设计无刷直流电机系 统时，大多仍习惯采用机械位置传感器的情况，本文主要研究无位置传感器的无刷 直流电机数字控制系统的设计及其实现。利用无刷直流电机运行时各相绕组本身存 在的反电动势作为转子位置的反馈信号代替机械位置传感器的作用，在转子位置检 测硬件电路的基础上，借助t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 芯片的可编程睁”1 功能，实现了无刷直 流电机的无位置传感器控制，克服了机械位置传感器的存在给无刷直流电机所带来 的诸多不利影响l “”。通过t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 芯片的采用，达到了“硬件软化”的 目的，简化了整个控制系统的结构设计，不仅降低了成本，而且提高了系统的可靠 性。并且在实验电机上论证了所设计数字控制系统的正确性和可行性。 2 第二章无刷直流电动机的工作原理 无刷直流电动机( b l d c m ：b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e mm o t o r ) 是近几十年来随着 电力电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型电动机，其基本工作原理l 就是借 助反映转子位置的位置信号，通过驱动电路，驱动逆变电路的功率开关元件，使电 枢绕组依一定顺序馈电，从而在气隙中产生步进式旋转磁场，拖动永磁转子旋转。 随着转子的转动，转子位置信号依一定规律变化，从而改变电枢绕组的通电状态， 实现无刷直流电动机的机电能量转换。 2 1 基本组成环节n 6 】 图2 - l 无刷直流电动机的结构原理 无刷直流电动机的结构原理如图 2 - l 所示。它主要由电动机本体( 主 定子和主转子) 、位置传感器和电子 换向线路三大部分组成。需要指出的 是，本文所研究的无刷直流电动机数 字控制系统其实没有位置传感器。使 用位置传感器与否，都必须获取电动 机的转子位置信号，只不过是实现的 途径不同而已。图2 1 中的“位置传 感器”仅仅代表“获取转子位置信号” 这层含义，并不代表物理意义上机械位置传感器的存在，图中使用“位置传感器” 这一名词只是为了问题说明的方便，下同。电动机本体在结构上与永磁同步电动机 相似，但没有笼型绕组和其他起动装置。其定子绕组一般制成多相( 三相、四相、 五相不等) ，转子由永久磁钢按一定极对数( 2 p = 2 ，4 ，) 组成。图2 1 中的电 动机本体为三相两极。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 - l 中a 相、b 相、c 相绕组分别与功率开关管v 。、v ：、v ，相接。位置 传感器的跟踪转予与电动机转轴相联接。 当定子绕组的某一相通电时，该电流与转予永久磁钢的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钢位置变换成电信号，去 控制电子换向线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置 的变化而按一定的次序换相。由于电子换向线路的导通次序是与转子转角同步的，因 而起到了机械电刷和换向器的换向作用。 因此，所谓无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一个由电子换向线 路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者共同所组成的“电动系统”。其原理框图 如图2 - 2 所示。 图2 _ 2 无刷直流电动机的原理框图 电动机转子的永久磁钢与永磁有刷直流电动机中所使用的永久磁钢的作用相似， 均是在电动机的气隙中建立足够的磁场，其不同之处在于无刷直流电动机中永久磁 钢装在转子上，而有刷直流电动机的磁钢装在定子上，图2 - 3 示出了典型无刷直流电 动机本体基本结构图。 图2 - 3 无刷直流电动机本体基本结构图 无刷直流电动机电子换向线路 是用来控制电动机定子上各相绕 组通电的顺序和时间的，主要由功 率逻辑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 辑开关单元是控制电路的核心，其 功能是将电源的功率以一定逻辑 关系分配给无刷直流电动机定子 上各相绕组，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转子位 置信号。但位置传感器所产生的信号一般不能直接用来控制功率逻辑开关单元，往 往需要经过一定逻辑处理( 功率放大) 后才能去控告4 逻辑开关单元。 2 2 基本工作原理 1 0 - 1 7 】 众所周知，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。我们知道，有刷直流电机电枢绕组中感应的电势 和实际通过的电流其实是交变的。从电枢绕组和定子磁场之间的相互作用来看，它 实际上是一台同步电机。这个同步电机和直流电源之间是通过换向器和电刷把它们 4 联系起来的。在电动机的情况下，换向器和电刷起着逆变器的作用，它把电源的直 流电逆变成交流电送入电枢绕组。相反地，在直流发电机的情况下，换向器和电刷 起着整流器的作用，它把电枢中产生的交流电整流为直流电输送到外面的负载上。 有刷直流电机中的电刷不仅起着引导电流的作用，而且由于电枢导体在经过电刷所 在位置时，其中的电流要改变方向，所以电刷的位置决定着电机中电流换向的地点。 这就是说，有刷直流电机的电刷起着电枢电流换向位置的检测作用。和无刷直流电 动机相比，就不难看到，其实无刷直流电动机和有刷直流电动机一样，本身都是一 台同步电动机，只是有刷直流电动机中加的是一个机械的逆变器一换向器和电刷， 而无刷直流电动机中则采用电子换向装置一一电子逆变器代替机械换向器和电刷的 作用。尽管二者构造不同，但它们所起的作用却是完全相同的，都是为了实现直流 电动机的正确换相。 无刷直流电动机为了实现无电刷换相，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，这与有刷直流永磁电动机的结构刚好相反。但 仅这样还不行，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，无刷直流电动机除了由定、转子组成电动机本体外，还需要由位 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久磁场，在空间 始终保持在9 0 0 左右的电角度。 为了更加清楚地阐述无刷直流电动机的工作原理和特点，下面以三相星形绕组半 控桥电路为例来加以简要说明。图2 - 4 为三相无刷直流电动机半控桥电路原理图。此 处采用光电器件v p l 、v p 2 、v p 3 作为位置传感器，以三只功率晶体管v ，、v ：、 v 3 构成功率逻辑单元。图2 - 5 为开关顺序及定子磁场旋转示意图，图2 - 4 所示的转 子位置和图2 5 a 所示的位置相对应。 f , o a ：每 图2 - 4 三相绕组无刷直流电动机 图2 - 5 开关顺序及定子磁场旋转示意图 由于此时光电器件v p 。被光照射，从而使功率晶体管v ，里导通状态，电流流入 绕组a a ，该绕组电流同转子磁极作用后所产生的转矩使转子的磁极按图2 - 5 中的 箭头方向( 顺时针方向) 转动。当转子磁极转到图2 5 b 所示的位置时，直接装在转 子轴上的旋转遮光板也跟着同步转动，并遮住v p 。而使v p ：受光照射，从而使晶体 管v 截止、晶体管v ，导通，电流从绕组a a 断开而流入绕组b b ，使得转子磁极 继续朝箭头方向转动，并带动遮光板同时朝顺时针方向旋转。当转子磁极转到图2 5 c 所示位置时，此时旋转遮光板已经遮住v p ：，使v p 3 被光照射，导致晶体管v ：截 止、晶体管v ，导通，因而电流流入绕组c c ，于是驱动转子磁极继续朝顺时针方向旋 转，使转子磁极转到图2 5 d 所示位置，重新回到了图2 5 a 所示位置。 这样，随着位置传感器转予扇形片的转动，定子绕组在位置传感器v p 。、v p ：、 v p ，的控制下，便一相一相地依次馈电，实现了各相绕组电流的换相。不难看出，在 换相过程中，定子各相绕组在工作气隙内所形成的旋转磁场是跳跃式的。这种旋转 磁场在3 6 0 0 电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态持续1 2 0 0 电角度。各相绕组电 流与电动机转子磁场的相互关系如图2 - 5 所示。图2 5 a 为第一状态，f 。为绕组a - a 通电后所产生的磁动势。显然，绕组电流与转子磁场的相互作用，使转子沿顺时针 方向旋转；转过1 2 0 0 电角度后，便进入第二状态，这时绕组a a 断电，而绕组b b 随之通电，即定子绕组所产生的磁场转过了1 2 0 0 ，如图2 5 b 所示，电动机转子继续 图2 - 6 各相绕组的导通示意图 意图。 2 3 运行特性和传递函数1 6 】 沿顺时针方向旋转：转子转过1 2 0 0 电角度 后，便进入第三状态，这时绕组b b 断 电，c c 通电，定子绕组所产生的磁场 也同时转过了1 2 0 0 电角度，如图2 5 c 所 示；它继续驱动转子沿顺时针方向转过 1 2 0 0 电角度后就恢复到初始状态了。这样 周而复始，电动机转子便连续不断地旋 转。图2 - 6 示出了各相绕组导通顺序的示 要十分精确地分析无刷直流电动机的运行特性，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，故通常作如下假定( 即抓 住无刷直流电动机中的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( 即忽 6 冒 c 卜 昏 c 略电枢反应) 。 ( 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，相应的电气常数忽略不 计 ( 5 ) 位置传感器等控制电路的功耗忽略不计 仍以三相星形绕组半控电路为例，推导出无刷直流电动机稳态运行时的基本 方程。由假定( 1 ) 知，b = b m s i n g 。这样一来，如果在定子某一相( 例如b 相) 绕 组中通一持续的直流电流，则有： 乙= z d l b m r i s m o( 2 一1 ) 式中z d 每相绕组的有效导体数； l 绕组中导线的有效长度，即磁钢长度： r 电动机中气隙的半径； i 绕组相电流。 就是说某一相通以不变的直流后，它和转子磁场作用所产生的转矩也将随转子位置 的不同而按正弦规律变化。对负载而言，所得电动机的平均转矩为零。但在三相半 控电路的工作情况下，实际上每相绕组中通过的不是持续不变的直流电流，只是通 o b ) 图2 - 7 三相无刷直流电动机半控电路的转矩 过1 3 周期的矩形波电流。则该电流和转 子磁场作用所产生的转矩也只是正弦转 矩曲线上相当于l 3 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。显然在图2 7 所示的瞬间导通该 相晶体管，可产生最大的平均转矩。因为 在这种情况下，绕组通电1 2 0 0 的时间里， 载流导体正好处在比较强的气隙磁场中。 所以它所产生的转矩脉动小，平均值大。 习惯上把这一点选作晶体管开始导通的 基准点，定为= 0 0 。在，。= 0 0 的情况 下，电动机三相绕组轮流通电时所产生的 总转矩如图2 - 7 0 所示，对应输出转矩的平均值t i 为： l = 罟享s m 伽一o s z 巩 l = z d l b m r l 同理可按下式求得感生电动势的平均值e 。： e = 等乒s 谊伽一o s z 砜 e = z d l b m r n 定义反电动势系数和转矩系数分别为： k 。：生( 2 - 4 ) ( 2 3 ) 研：车( 2 - 5 ) 对于某个具体的电动机，它们为常数。由前述假定知各相绕组对称、相应时间常 数忽略不计，可得电动机的电压平衡方程组为： u 一u = e + i r( 2 6 ) 其中，e ， ：一、t l _ k t i ，将其代入式( 2 - 6 ) 经整理得电动机稳定运行时的机械特 性方程( 即一般所说的静态方程) 为： n ：u - _ a u 一r 口( 2 7 3 胪t 一k , k r 匕 u 一 式中r l 一电动机转速( r m i n ) ； i 卜电源电压( v ) ： i - 一功率管管压降( v ) ； r 电动机内阻( q ) 。 由式( 2 7 ) 可知无刷直流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，这是由于它的转矩和反电动势的波动比较大的缘故。 同理，在前述假定条件不变的情况下，无刷直流电动机的动态特性可由下列 方程组来描写： u 一厶u = e 。+ i r = k r i 疋一瓦= 案鲁 q 8 e = k 。甩 式中t t 电动机负载阻转矩( n m ) ； g d 2 电动机转子飞轮力矩( n m 2 ) 。 经拉氏变换后，可得 u 0 ) 一a u ( s ) = 玩( j ) + e d ( s ) ( j ) = k ，0 ) l ( 。一t l ( s ) = 丽g d 2 蝴( 。 ( 2 9 ) e ( j ) = k 。胛( s ) 据式( 2 9 ) 可求得无刷直流电动机的动态结构图，如图2 - 8 所示。 一t l ( j ) 图2 - 8 无刷直流电动机动态结构图 由结构图可求得其传递函数为： m ) = 南峥惫瓦( 2 - 1 0 ) 式中k 1 - 一电动势传递系数，k 。= l i l ： k 2 一一转矩传递系数，k s = r kk t t e 一电磁时间常数，t o = r g d 2 ( 3 7 5 kk t ) 。 第三章数字信号处理器( d s p ) 概述 以高速数字信号处理器( d s p ：d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 为基础的实时数字信号 处理技术正在迅速发展。数字信号处理技术的出现改变了信息与信号处理技术的整 个面貌；而数字信号处理器作为数字信号处理的核心技术，其应用已深入到涉及信 号处理的航空、航天、通信、自动控制、马达控制、家用电器等各个领域，成为电 子系统的心脏。 3 1 d s p 简介1 8 。1 川 d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。d s p 芯片的 内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操 作，提供特殊的d s p 指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。 自2 0 世纪8 0 年代初第一片d s p 芯片诞生以来，d s p 芯片在短短的十多年时间 里得到了飞速发展。d s p 芯片以数字器件特有的稳定性，可重复性，可大规模集成， 特别是可编程性和易于实现自适应处理特点，给数字信号处理的发展带来了巨大机 遇，并使得信号处理手段更灵活，功能更复杂，随着d s p 芯片性能价格比和开发手 段的不断提高，d s p 芯片已经在社会生活各个领域得到广泛应用，除了通信、网络、 雷达等领域外，近年来在电机控制、数码相机等领域也得到了不断的拓展。 d s p 芯片可分为通用型和专用型两大类。通用型d s p 芯片是一种软件可编程的 d s p 芯片，适用于各种d s p 应用场合。专用型d s p 芯片则将d s p 处理的算法集成 到d s p 芯片内部，一般适用于某些专用的场合。 目前，d s p 芯片的主要供应商包括美国的德州仪器公司( n ) 、a d 公司、a t & t 公司和m o t o r o l a 公司等。其中，t i 公司的d s p 芯片占世界d s p 芯片市场近5 0 ， 在国内也被广泛地采用。本文所论述的数字控制系统即是采用1 1 的t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯 片作为控制核心的。 3 2 t m s 3 2 0 家族筒述2 们1 i t m s 3 2 0 家族包括定点、浮点、多处理器的数字信号处理器和定点d s p 控制器。 t m s 3 2 0 d s p 有一个专门为实时信号处理设计的结构，c 2 4 x 系列的d s p 控制器有 这种实时处理能力，它利用其控制器的外围设备为控制系统应用提供了一个理想的 解决方案，。c 2 4 x 是c 2 x x 家族定点d s p 中考虑全面的器件。下列特点使t m s 3 2 0 家族成为信号处理应用领域中的正确选择： 极其灵活的指令系统 1 0 内部操作的灵活性 高速性能 革新的并行结构 低功耗 3 3t m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p 控制嚣0 2 咐1 t m s 3 2 0 c 2 4 0 是c 2 4 x 系列d s p 控制器推出的第一个标准器件( 注： t m s 3 2 0 f 2 4 0 与t m s 3 2 0 c 2 4 0 的唯一区别是前者有1 6 k 字的e e p r o m ，而后者是1 6 k 字的掩膜r o m ，其余均相同) 。它确立了单片数字电机控制的标准。t m s 3 2 0 f c 2 4 0 的指令执行速度是2 0 m i p s ，几乎所有的指令都可以在一个5 0 n s 的单周期内执行完 毕。这种高性能使复杂控制算法的实时执行成为可能。 t m s 3 2 0 f c 2 4 0 有高速信号处理和数字控制功能所必需的体系结构特点，而且它 有为电机控制应用提供单片解决方案所必需的外围设备。以下应用可以获益于 1 m s 3 2 0 f c 2 4 0 增强的处理能力： t 业电机驱动 能量变换器和控制器 自动化系统，例如电力控制，气候控制等 仪表和鼓风机压缩机的电机控制 打印机、复印机和其他办公产品 机器人和c n c 钻井机械 作为一个系统的管理者，d s p 必须具有强大的片内i o 端口和其他外围设备。 t m s 3 2 0 f c 2 4 0 的事件管理器( 应用优化的外围设备单元) 与高性能的d s p 内核一 起，使在所有类型电机的高精度、高效、全变速控制中使用先进的控制技术成为可 能。以下是t m s 3 2 0 f c 2 4 0 的特点： 1 1 m s 3 2 0 c 2 x x 核心c p u 3 2 位的中央算术逻辑单元( c a l u ) 3 2 位加法器 1 6 位x 1 6 位并行乘法器，3 2 位乘积 三个定标移位寄存器 8 个1 6 位辅助寄存器，带有一个专用的算术单元，用来作数据存储器的间接 寻址 2 存储器 片内5 4 4 字x 1 6 位的双端口数据程序r a m 1 6 k 字x 1 6 位的片内p r o m 或闪速e e p r o m 2 2 4 k 字x 1 6 位的最大可寻址存储器空间( 6 4 k 字的程序空间，6 4 k 字的数 据空间，6 4 k 字的瑚空间和3 2 k 字的全局空间) 有软件等待状态发生器的外部存储器接口模块，具有1 6 位地址总线和1 6 位 数据总线 支持硬件等待状态 3 程序控制 4 级管道操作 8 级硬件堆栈 6 个外部中断：电源驱动保护中断( p d p 烈t ) ，复位( r s ) ，非屏蔽中断( n m i ) 和三个可屏蔽中断( n t l 、x i n t 2 、x 矾t 3 ) 4 指令系统 与t m s 3 2 0 家族的c 2 x ，c 2 x x ，c 5 x 定点产品在源代码级兼容 单指令重复操作 单周期的乘法力法指令 程序数据管理的存储器块移动指令 索引寻址功能 基2 快速傅立叶变换( f f t s ) 的位反转索引寻址功能 5 电源 静态c m o s 技术 4 种低电源模式以降低电源损耗 6 事件管理器 1 2 个比较脉宽调制( p w m ) 通道( 其中9 个相互独立) 3 个1 6 位通用定时器，有6 种工作模式 3 个1 6 位全比较单元，有死区功能 3 个1 6 位简单比较单元 4 个捕获单元，其中两个有正交编码器脉冲接口功能 7 双l o 位模数转换器( a d c ) 、2 8 个独立可编程的多路复用i o 引脚 8 基于锁相环的时钟模块、带实时中断的看门狗定时器模块 9 串行通讯接口( s c i ) 、串行外部设备接口( s p i ) 1 0 5 0 n s ( 2 0 m i p s ) 的指令周期，多数指令为单周期 正是基于上述t m s 3 2 0 f 2 4 0 高速强大的实时处理能力，以及其片内所集成的 专为电机控制应用而优化设计的丰富的外围部件等特点，本文所研究的无刷直流电 机数字控制系统选用其作为整个系统的控制核心。 第四章无位置传感器换相检测和开环起动的软件实现 在绪论部分曾提到，无刷直流电机数字控制系统研究中的一项关键技术就是要解 决电子换相的问题，而由第一章对无刷直流电动机基本工作原理的论述可知换相取 决于电机转子位置信号的检测。这样一来，电子换相问题就归结为对转子位置信号 的检测问题。与其他类型的电机一样，无刷直流电动机的起动问题同样是一个值得 关注的问题，如何通过软件的方法实现无刷直流电机的开环起动也将在本章中得到 详细论述。 4 1 无刷直流电机的位置检测 无刷直流电机转子位置信号的获取方法不外乎两大类：带位置传感器检测和无位 置传感器检测。正如电刷和机械换向器限制了有刷直流电机的应用一样，位置传感 器的存在也给无刷直流电机带来诸多不利影响 1 1 - 1 4 】。首先，为安装位置传感器而增加 了电机的体积和成本；其次，连线众多的位置传感器容易引入干扰而降低电机运行 的可靠性，即便是应用最为广泛的霍尔传感器也存在一定程度的磁不敏感区：再次， 高温、低温、污浊空气等恶劣工作环境会降低位置传感器的可靠性；此外，位置传 感器的安装精度和灵敏度直接影响电机的运行性能，且其安装也增加了生产的工艺 难度。因此实现无位置传感器的转子位置检测就具有很大的实际意义。近十几年来 国内外学者对无位置传感器的无刷直流电机( 双无电机) 进行了许多研究，针对双无电 机的位置检测提出了不少方案【“，主要有：反电动势法，续流二极管法，电感法等 等。但这些方案偏重于硬件电路的设计，尽管省去了位置传感器，却由于转子位置 检测电路、起动控制电路等的加入使得整个控制系统的硬件电路趋于复杂化，不可 避免地带来系统工作可靠性和稳定性的问题。本文所提出的方案则本着“硬件软化” 的设计思想，除了应用反电动势法所必需的反电动势检测电路外，借助于 t m s 3 2 0 f 2 4 0 强大快速的运算处理能力以及片内集成的丰富的电机控制外围部件，主 要由软件算法实现了电机的位置检测，进而实现电机的正确换相。“硬件软化”的设 计思想是本文区别于其它基于反电动势法无位置传感器位置检测方案的重要特征。 4 2 无位置传感器换相检测 由于直流电机的换相时刻取决于电机转子位置，所以无刷直流电机的换相检测与 转子位置检测是等价的。对换相检测的论述也就是对转子位置检测的论述。本文采 用反电动势法实现无位置传感器的无刷直流电机的换相检测。有必要指出，所谓无 位置传感器，正确的理解应该是无机械的位置传感器，在电机的运行过程中，作为 决定换相时刻的转子位置信号仍然是需要的，只不过这种信号不是由机械的位置传 感器来提供，而是由新的转子位置信号检测途径来代替。对于反电动势法而言，则 是通过检测反电动势的过零点来获取转子位置信号的。 4 2 1 反电动势过零检测原理及算法 反电动势法的基本原理1 1 2 - 1 3 l 是：无刷直流电机在任何时刻其三相绕组只有两相绕 组导通，每相绕组正反向分别导通1 2 0 0 电角度，在忽略永磁无刷直流电机电枢反应 影响的前提下，通过检测断开相( 未导通相) 的反电动势过零点，来依次获取转子 的六个关键位置信号，并以此作为逆变桥功率器件的触发信号，轮流触发导通六个 功率管，实现电机的正确换相，以驱动电机运转。 本文所研究系统中电机本体是具有梯形反电动势波形的三相无刷直流电动机，定 子绕组星形连接，我们以此电动机为例，设系统采用两两导通、三相六状态的p w m 调制方式。图4 1 所示为定子端一相等效电路( a ) 和反电动势波形( b ) 。 ；：- ； 一 心； i ；i ：! ：n ： ：、：。： ：、 ： ： ( a )( b ) 图4 - 1 绕组等效电路和反电动势波形 图( a ) 中v x 为对地端电压，v n 为星形连接绕组中点对地电压，e x 为反电动势 k 为相电流，l 为相电感，r 为相电阻。( x # 咖，c ) 由绕组等效电路可得如下电压方程： v a ：r i a + l d 坐+ e a + v n d t v b ：r i b + l d 坐+ e b + v n d t v c ：r i c + l d 坐+ e c + v n d t 1 4 似- 2 ) 似- 3 ) 任一时刻只有两相绕组导通，以星形绕组中点为参考点，设电流流出绕组为正，流 入绕组为负，则导通两相绕组中的电流大小相等而方向相反，第三相因被关断而电 流为零。由反电动势波形( 图4 - ib ) 可以看出，在未导通相反电动势过零瞬间，被 导通两相绕组的反电动势大小相等而方向相反，将式( 4 1 ) 、( 4 - 2 ) 、( 4 - 3 ) 相加有： v a + v b + v c = e a + e b + e c + 3 v n = 3 v n ( 4 4 ) 即：v n ：v a + v b + v c 3 ( 4 - 5 ) 式( 4 - 5 ) 表明在未导通相反电动势过零瞬间中点电压等于三相端电压总和的三分之 一。 对于未导通相( 电流为零) ，定子端电压为： v n o n f e d = e n o n _ f e d + v n ( 4 6 ) 即： e n o nf e d = v n o nf e d v n ：v n o nf e d v a + v b + v c ( 4 7 ) 一 3 由式( 4 - 7 ) 可知，只要测量出三相端电压，然后由程序计算未导通相端电压与三相 端电压总和三分之一的差值即可得到未导通相的反电动势值，当该差值为零时即表 明检测到反电动势过零点。从反电动势波形( 图4 1 b ) 可以看出自过零点起延时3 0 0 电 角度即可得到换相点。 4 2 2 反电动势过零检测算法的软件实现 在论述算法的软件实现之前，有必要给出反电动势检测电路，如图4 - 2 所示， v x 图抛反电动势检测电路 实际上该电路是一个简单的端电压分 压电路，电容起滤波作用( p f 级) 。 端电压经分压滤波后直接连至 t m $ 3 2 0 f 2 4 0 芯片a d c 模块的测量通 道，经过a d c 转换得到端电压信号。 我们感兴趣的只是反电动势( 参 见图4 - l b ) 的过零点，而并非反电动 势波形上的所有点，这样在程序中只 需根据式( 4 - 7 ) 确定反电动势符号改变的时刻，即可认为已检测到过零点。过零点 检测周期在程序中设定为5 0 u s ，这一周期相对于反电动势周期而言极小，所带来的 检测误差可忽略不计