（电机与电器专业论文）无刷直流电机的无位置传感器dsp控制.pdf

d s p b a s e ds 嚣n s 0 l 江e s s酪l d c 奈茬 c o n t r o ls y s t l z m a b s t r a c t t h ee c o n o m i cc o n s t r a i n t sa n dn e ws t a n d a r d s l e g i s l a t e db y g o v e r n m e n t sp l a c e n c r e a s i n g l ys t r i n g e n tr e q u i r e m e n t s o ne l e c t r i c a l s y s t e m s n e wg e n e r a t i o n so fe q u i p m e n tm u s th a v eh i g h e rp e r f o r m a n c e p a r a m e t e r ss u c h a sb e t t e r e 豫c i e n c y a n dr e d u c e d e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e s y s t e mf l e x i b i l i t ym u s tb eh i g ht of a c i l i t a t em a r k e t m o d i f i c a t i o n sa n dt or e d u c ed e v e l o p m e n tt i m e a l lt h e s ei m p r o v e m e n t s m u s tb ea c h i e v e dw h i l e ，a tt h es a m et i m e ，d e c r e a s i n gs y s t e mc o s t 。 b r u s h l e s sm o t o rt e c h n o l o g ym a k e si tp o s s i b l et oa c h i e v et h e s e s p e c i f i c a t i o n s s u c hm o t o r sc o m b i n eh i g hr e l i a b i l i t yw i t hh i 曲e 爝c i e n c y ， a n df o ral o w e rc o s ti nc o m p a r i s o nw i t hb r u s hm o t o r s 。 t h i sd a p e rd e s c r i b e st h eu s eo fas e n s o r l e s sb l d cm o t o r t h e s e n s o r l e s sb l d cm o t o ri s c o n v e n t i o n a l l yd e f i n e da s ap e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rw i t hat r a p e z o i d a lb a c ke m fw a v e f o r m s h a p e t od r i v et h e s em o t o r s t e x a si n s t r u m e n t so f f e r s an e wd s p c o n t r o l l e rf a m i l y 。r e f e r e n c e d 蕈m s 3 2 0 e 2 4 x s p e c i f i c a l l yd e s i g n e df o rt h e n e e d so fd i g i t a lm o t o rc o n t r 0 1 i nas i n g l ec h i ps o l u t i o n ，t h i sd e v i c e c o m b i n e saf i x e d - p o i n td s pc o r ew i t hm i c r o c o n t r o l l e rp e r i p h e r a l s 。t h i s c o m p o n e n ti sa b l et op e r f o r n ts o p h i s t i c a t e dc o n t r o ls c h e m e s t h e s e e f f i c i e n tc o n t r o l sm a k ei tp o s s i b l et or e d u c et o r q u er i p p l e sa n dh a r m o n i c s ， a n dt oi m p r o v ed y n a m i cb e h a v i o ri na l ls p e e dr a n g e s 。 t h i sr e p o r tp r e s e n t sac o n s i d e r a t i o no nt h ec o n t r o lo fs e n s o r l e s s b r u s h l e s sp e r m a n e n tm a g n e td cm o t o r su s i n gt h et m s 3 2 0 f 2 4 x 。t h i s n e wf a m i l yo fd s p se n a b l e ss i n g l ec h i p ，c o s te f f e c t i v e ，m o d u l a ra n d i n c r e a s e dp e r f o r m a n c es o l u t i o n sf o rs e n s o r l e s sb l d cd d v e s a c o m p l e t es o l u t i o np r o p o s a li sp r e s e n t e db e l o w ：c o n t r o ls t r u c t u r e s ，p o w e r h a r d w a r et o p o l o g y b a c ke 【fm e a s u r e c o n t r o lh a r d w a r ea n dr e m a r k s o ne n e r g yc o n v e r s i o ne 箍c i e n c yc a nb ef o u n di nt h i sd o c u m e n t i n a d d i t i o n ，t h i sr e p o r tp r e s e n t st h es o f t w a r ed e s i g nf o rs e n s o r l e s sb l d c m o t o rc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：d s p , s e n s o r l e s sb l d c ，t m s 3 2 0 c 2 4 x ， b a c ke 翻巨m e a s u r e ， 上海交通大学 学位论文原创性声明 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。除文中融经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体门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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：事弼差 曩期：a 踉年庆胃鑫文霾 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学癯论文佟者完全了解学校有关缣留、馊耀学位论文的规定， 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。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文酶全郝或部分内容编入有关数据淳遴行检索，可黻采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 ，) 保密口矿在三1 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密国。 ( 请在吸上方框内打“”) 学德论文伟者签褒：捌夏指导瓣魏p 嘉。 日期：伽n 年文月a 2 目e l 期：2 d 蛇年2 月? 。目 海变通人学伸 i 论文 第1 章绪论 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 人们的日常生活之中。直流电机虽然控制简单但直流电动机采用电刷以机械方法进 行换相，因而存在相对的机械摩擦，由此带来噪声、火花、无线电干扰以及寿命短 等致命弱点，再加上制造成本高及维护困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围。 无刷直流电机保持有刷直流电机的良好的控制性能，无刷直流电机消除了电的 滑动接触机构，因而也消除了故障的主要根源，因此其使用寿命长，另外无刷直流 电动机还具有损耗小，效率高，干扰小等优点，因此在小功率定速控制中越来越多 的无刷直流电机耿代了直流电机，如电动自行车，数控机床等领域。 随着应用的发展，普通的无刷直流由于存在位置传感器，这也带来了一些问题， 如使电机的结构复杂，在一些电机尺寸小的场合，位置传感器难于安装，并且维修 也不方便，另外位置传感器霍尔元件温度不稳定，降低了系统的稳定性，这些限制 了无刷直流电机的应用，因此取消位胃传感器在1 些小型，轻载肩动场合变得j 1 1 ：- 常 必要，有必要对电机的无位置传感器控制进行深入的研究。 另外，随着微型计算机控制技术的发展，微处理器越来越多的用在控制系统中。 由它们组成的系统可以去掉传统的反馈传感器，执行机构和数字“决策控制”单元， 使许多复杂但有效的控制算法能迅速用于实际中。但是通用单片机信号处理速度 慢，电机的设计性能不能得到充分发挥，适合于控制算法简单，动态性能要求不高 的变压变频v v v f 调速。对于近代许多小型无刷直流电机，在应用时往往需要精 确的速度控制，尤其在高速运行场合，对信号反馈控制灵敏度的要求更为严格，并 且有时需要实现无位置传感器算法。单片机的性能制约着研究工作的深入，许多设 计思想和控制算法不能付诸实施。但是数字信号处理技术( d s p ) 的迅猛发展，使 其成为可能。 美国t i 公司最新推出的高性能1 6 位定点d s p 控制器t m s 3 2 0 x 2 4 0 是专门 为电机的数字化控制而设计的。特别适合于无刷直流电动机这种高性能的控制。它 集d s p 的信号高速处理能力及适用于电机控制的优化的外围电路位一体，且价钱 海交j 瞰人学硕：l 论文 便宜，掇商了系统的性能价格阮。 d s p 控制无刷媛流电机有如下的优点： 降羝转楚波动，减轻系统震动，延长系统寿命。 减少滤波成分，降低滤波器的造价。 实现无能：i 雾= 传感器控制复杂算法。 实对诗冀滚采嚣要存予表格熬数掇，节约存镳器空润，实拜寸及殃系统交 化 控制功率逆变器，产缴高性能的p w m 输出。 提供攀冀控潮系统，薅联系统残本。 另外电力电子技术的发展为功率驱动提供了开关速度快，容量大的功浆元件，如 i g b t ，i p m ，m o s f e t 等功率器件，并且出现了很多专用的集成驱动电路，这些 邦受躐 氛邀辍控蠲系绫熬复杂惶数及提毫系统豹瞧戆提供了拳塞靛僳诞。蠢登要亵 应用中利用它们。 本课题研究中利用了t i 公司渐型电机控制专用集成芯片t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，设计开 笈了一耱茏鼷壹藏魄躐豹无链嚣绩感臻整裁系绞，鳐决了无瓣毫疆麴无镀嚣黉惑器 的换流及启动难点，简化了系统结构，增加了可靠性。 一2 一 海交通人学硕i 。论义 第2 章t m $ 3 2 0 f 2 4 0 简介 t m s 3 2 0 f 2 4 0 是美国t i ( 德州仪器) 公司自1 9 8 2 年发明第一片d s p ( 数字信 号处理器) 后，又于1 9 9 7 年新推出的数字电机微控制器。该芯片面向新一代交流 电机控制，具有d s p 内核，从而将d s p 的高速运算能力与面向电机的高效控制能 力集于一体，堪称业界最具竞争力的数字电机控制器。 2 1t m s 3 2 0 f 2 4 0 的体系结构 t m s 3 2 0 f 2 4 0 内部采用哈弗结构，流水线作业，每个指令周期仅为5 0 n s 。并且 由于t m s 3 2 0 f 2 4 0 内部具有硬件乘法器，一个1 6x1 6 位的乘法在一个指令周期便 可实现。因此处理速度比其他单片机快速许多。t m s 3 2 0 f 2 4 0 主要具有下述功能部 件：2 0 m i p s 的c p u ，片内r a m 、r o m f l a s h ，专用于电机控制的“事件管理 器( e v e n tm a n a g e r ) ”和片内外设。其结构见图2 1 。 数据r a mii 程序r o m f l a s h 程序数据总线 t m s 3 2 0 f 2 4 0 内核 1 6 位t 寄存器 1 6 位捅式 1 6 + 1 6 乘法嚣 左移移位 3 2 位p 寄存器 器 左移移位 3 2 位算术逻辑单元 3 2 位累加器 左移移位器( o 7 ) 8 个辅助寄存器 8 级硬件堆栈 重复指令集 2 个状态寄存器 外 设 总 线 i3 个定时器 l9 个比较寄存器 l1 2 个p w m 输l j | f 死区控制 图2 - it m s 3 2 0 f 2 4 0 的体系结构 f i g 2 - 1 t m s 3 2 0 f 2 4 0a r c h i t e c t u r e 2 2 中央处理器( c p u ) t m s 3 2 0 f 2 4 0 是ti 公司高性价比的d s p 器件r m s 3 2 0 f 2 x x 系列中面向 控制的特殊片种，它们具有相同的16 位定点d s p 内核和指令集，该指令集源码 器一时一 一 一 举荽 辩冀逝大学删i 论j ! ：c = 向下蘸容t m s 3 2 0 f 2 x x 系魂、向上兼容t m s 3 2 0 f s x 系烈，其有瞧好辩可移植幢。 特点翔下： 指令周期5 0 n s ，运算能力2 0 m i p s ，燕篱赣| 每链蘩蠡 实瓒强 迫换流。 竞副直流魄动税静控潮实际上裁是控铡蠢稻毒滚电动撬鼹耪之瘸静电流。 它可以分为两个完全独立的操作。首先是控制定予与转子的同步，其次是控制 电滚懿大小。掰毒豹这些揉幸霉豁霹鑫疆蓬茹豳3 7 瑟示的三鞠遂交器缮鞋实瑰。 嘲3 7 三相逆爱器 3 5 无刷直流电机的运行特性 要十分精确地分析直流光刷电动机的运行特性。是很困难的。落涉及非线 毪瑾谂及数值辩法等滚多问题，在一簸工程疲蠲上麓无必要，教逶嚣臻痒蜇j 下 假设： l 、奄魏援豹气骧滋感应强度浍气教正弦分毒。 2 、绕组通电时，该电流所产生的电枢反应去磁对主极磁通影响忽略不计。 3 、控裁惫薅在开关状态下工终，功率管垂降u ，爻瞧僮。 4 、各相绕组对称，其对成的电路单元完全一致，相应的电气时间常数忽略 不计。 经过以上的假设之后，我们可以分析光刷直流电动机的运行特性。 定义： 口 反电势系数k 。= & ( 3 1 ) 转矩系蜗寺 海交通大学硕j 一论文 对于某一个具体的无刷直流电动机，其反电势系数和转矩系数为常数，其 大小同主电路的接法以及功率管的换相方式有关。 假设各项绕组对称、相应的时间常数忽略不计，可知电动机的电压平衡方 程组为： u 一u = e o + 1 r ( 3 - 3 ) 将( 3 1 ) 、( 3 2 ) 代入式( 3 3 ) 整理后，可知其机械特性方程为： 聆：( u - - a u ) 一喜( 3 4 ) k 。k t k t 其中 n - - - 电动机转速( r m i n ) u 电源电压( v ) au 功率管管压降( v ) k 电动势系数 t a 电动机产生的电动转矩平均值( n m ) k 转矩系数 r 无刷直流电动机内阻( q ) 从以上各式可知，无刷电机的反电势与电机的转速成正比，转矩与相电流 大小成正比。无刷直流电动机的机械特性方程同一般直流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势运用平均转矩和平均反电势 的概念，这是因为它的反电势和转矩的波动比较大的缘故。因此改变电源电压， 可毗容易地改变输出转矩( 在同一转速下) 或改变转速( 在同一负载下) ，实现 平滑调速。 脚交通人学颂i ：论文 第4 章 无刷直流电动机的d s p 控制实现 无刷直流电机的控制实现是对哪些参数进行控制，如何进行控制使电动机 达到规定的运行状况( 如规定的转速、转矩) 并使电动机保持高的性能指标( 如 效率、温升等) 。本节给出了无刷直流电动机控制的基本策略，包括无刷直流 电动机的换流、电流检测、位置检测、启动、正反转、速度控制、及基本的控 制算法。 4 1 无刷直流电动机的控制框图 由上一章，我们知道无刷直流电动机的转矩大小与无刷直流电动机的电流 成正比。由此可得到无刷电机控制系统控制框图，如图4 + l 所示。根据框图， 因为电流反馈为相电流，要想使转矩的产生符合与电流成正比的规律，必须采 用两两导通的方式，使电流在某一时刻只流过无刷直流电动机三相中的两相。 图4 1 无刷直流电动机转速、电流闭环调速系统 由图可知，这是一转速、电流双闭环的直流调速系统，可以使无刷直流电 动机获得良好的动态性能。在系统中我们设置了两个调节器，分别调节转速和 电流，两者之问实行串级联结，就是说把转速调节器的输出当作电流调节器的 输入，再用电流调节器的输出控制功率管的触发。从闭环结构上看，电流调节 环在里面，叫做内环；转速调节环在外面叫做外环。为了获得良好的静、动态 性能，两调节器一般采用p i 调节器，并且两个调节器的输出都是带限幅的，转 速调节器的输出限幅决定了电流调节器给定电流的最大值，电流调节器的输出 h 晦交通人学顺i ：论义 限幅限制了功率管输出电压的最大值。 整个系统的工作情况是这样的。加以速度信号蜃，通过穗调节器的控制作 用，使，。、u 上升，当，。大干起动电流时，电动机开始转动。由于机电惯 援瓣佟爱，转速豹溪长不会攫莰，蠢瑟转速灞繁器熬输入偏差数燕较大，冀输 出很快达到限幅德，强迫电流，脚迅速上升。当，舳m ，町时，电流调节器的 作用使，舳不再迅猛增长，从丽保证电动机以最大的允许电流起动，具有良好 豹筵麓毪熬。 从电流升到爨大值开始，到转速升到给定值为止。电动机恒流升遽。在这 一除羧，转速舔穗当予舞环装态，系统基本操持魄流j 。不交 邀流露戆超调， 也可能不魈调) ，拖动系统的加速度恒定，转速成线性增嵌，与此同时电动机的 玟电势也接线毪增长。对与毫流调节系统柬说，这一反魄势是一线往渐增韵扰 动爨，为了克服这个扰动，u 也必须基本按照线性增长，才能保持，。的恒定。 当转速已经达到给定值，转速调节器的给定与反馈电聪相平衡，输出偏差为零， 毽其输出却出于弦分 乍用维持在隈幅毽，电动枫依然在最大电爱下宓爨速，搜转速超 调。转速超调以盾，转速调节器输入端出现负偏麓，其输出立刻从限幅值降下 卷，主邀鼹熬电浚? 。是因照下醛。惶农予f 咖。锯大于爨载毫溅，转逮继续主 升，到，曲。等于负载电流时，转速达到最大。此后电动机才。开始在负载的阻力 下减速，肿。也出现小于负载电流的过稷，直至稳定。 系统稳定运抒时，一丝密理井界于麦| | c ( 如受簸扰动、窀溺毫蕊扰动) ，可避 过转速调节、电流调节产缴抗干扰作用，使系统保持稳定运行状态。 4 1 1 转速p i 调节 转速调节器楚整个系统豹辨环，它馁转速陡绘定转遮交纯，静态无误差， 并且其输出限幅为允许的最大限幅，对负载的变化起抗干扰能力。在这个控制 软件中转速给定毽壹谈写入存储嚣，它酌值由a d c 单元褥弱或出 塔2 3 2 串行舀 输入。速度反馈信号与给定的速度信号相减得到速度误麓，经过一简单的p i 算 法帮哥褥翔薪静激流参考德，鲡公式( 4 一1 ) 掰示。 ，mk + 岸p ( 乓一最一i ) + k , t e l 十( 4 一1 ) 其中，。，速度调节器的输出 海交通人学坝一i ：论文 k 。为比例系数 表4 - 1 速度闭环变量表 s t a c ka d d r e s sv a 剐a b l e 0 x 0 3 0 0 hc a d t u r ek n s t a n t o x 0 3 0 1 hc a d t u r ek - 1i n s t a n t 0 x 0 3 0 2 ht i m ee l a p s e db e t w e e nc a p t u r eka n dk - 1 0 x 0 3 0 3 hs p e e de r r o rk 0 x 0 3 0 4 h s p e e de r r o rk - 1 k ，为积分系数 7 1 为速度采样周期。 在这里有三个参数需要调节，它们分别是k ，、k ，、r 。要想获得良好的 动态性能，必须适当的选择各参数的数值。调节的时候应首先调整k 。、k ，的 大小，然后y j 可以调整r 的大小改变速度采样周期。速度采样周期可以根据实 际需要改变，在这里转速调整每6 2 5 m s 执行一次。在此控制系统中速度采样周 期选为o 0 6 2 5 s 也就是2 4 s ，将k 右移四位即可得到置r 。在速度环中，每一个 变量都存在一个栈中。通常用辅助寄存器a r 2 作为栈指针，栈的起始地址可根 据需要设定，这里设为0 x 0 3 0 0 h 。其变量表如表4 1 所示。 同时为了防止数值溢出或太高的电流输出，速度误差的大小通常设定在某 一定的范围内。将下面这段程序插在速度、速度误差计算与速度调节之间可实 现这一功能。 l a ra r 2 # 0 3 0 3 h b g e zl i m l t a b s s p l k 捍1 s p e e d _ c o u n t l i m i ts a c l + s u b # 0 l a h , 0 x 0 1 a h 是最大的速度误差 b l e z o k s p l k # 0 1 a h ，+ o k l ts p e e d c o u n t m p y + p a c 一海交通人学颂i j 论义 4 。 。2 毫流p l 调整 电流调节器使电流在速度调节中跟随给定转速变化，起动时获得最大的允 许电流，过载时限制点数电流缀大值，同时对电网电愿越抗干扰能力。其实整 令毫流调整过程氇魏是p w m 竣窭信号豹交健过程。逶避镶整p w m 信号懿占 空比就可以调整电流的平均德。p w m 波的脉冲宽度由参考电流与梭测电流之 间的误差决定，调艇方程如下。 毛一= j 。f 一? 。+ ( 4 2 ) d u t y c y c l e 。= d u t y c y c l e 。“+ l 。，xk 。( 4 3 ) 其中拓为比例系数 ，。为 巍流反馈测蘩镳 这里k 是与电动机参数、线电压、电流相关的比例系数。在电机与逆变器 类型一定时是常数。 j 一，经过一p l 调节器产垒一定宽度静p w m 波。电流误差j 一，瀚大小正受 决定tp w m 波脉宽的变化。当t 等于零时p w m 的脉宽不变：警，一，过大 蘩参考邀滚太予实踩电流穰多，粼诗鬓瘊褥熬p w m 懿宽霹戆超过p w m 溺麓 时，就令p w m 的脉宽为整个周期，此时输出最宽的p w m 波最快蛾增大转速； 当，过小( 为负值) 即参考电流小于实际电流很多，w 能使p w m 脉宽小于 零，粼令p w m 静蒎宽为零，魏辩浚较诀鹃速浚降低转速。 4 2 无刷赢流电动机的反电势检测修正及其换流 4 。2 。 反耄势的检测 ： k 咐? ，皑 l ；1 - 1 獐 3 毫2 -3 | 2 54 - 5 1 - 4 麟戎一弋。 矜 ，、r ； 舻玉厂。 ， i _ w ， ，r t 、疗一l l 飞0 i ， 卜，卜 ； i 、 抄 0 、h 善； t ：j 无嚣8 寅瀛遐机反电势波形为棰形反也动势波， 波形蟊翻掰示，电梳采掰二= 导逶，三相穴 状态的导通方式，为获褥娥人转矩，绕缌侮相 反电动势为梯形波的n ! 平顶时，通正向电流， 为负平顶时通反离电流。肉采州二二导避方式， 程一瓣阉哭有廷耜霉遽。设a 槎，b 鞠等逶， 且a + ，b ，如图中1 4 崩区，此时，a ，8 相 电流大小相等，方向相反，c 相电流为零。又由 图4 2 反比势检测原理劂 胁 l i 5 b 海交避天学疆l j 论文 检测电跻图三可得： v a = r + 哮十毛+ 砌 ( 4 4 ) v b = r i h + 哮+ e b + 砌( 4 5 ) v c = r i 。+ 哮+ e + 妇 ( 4 - 6 ) ，公式中 l 为撩惫戆，r 为褪电毽，毯a ，& ，e c 为蔽电韵势，v a , v b ，v c 为绕组端煮对魂窀 压，v n 为绕缎中性点对地电压，困茭乏一i b 幽( 4 4 ) + ( 4 5 ) 褥孛蠼点魄压为： 渤= 妄( 妇+ 踟) ( 4 - 7 ) ，出l 产o ， 褥：e c = v c 一瀚( 4 - 8 ) ，将( 4 - 7 ) 代入( 4 8 ) 式褥： e c = v c 一皇( 确+ 汤) 4 9 ) 。式( 4 - 9 ) 群为c 褶反电势裣澜方程，同样： e a = v a 一毒( 跆+ 珊) ( 4 一l o ) e b = l i b 一妄( 豫+ 阮)( 4 1 i ) 分掰为a ，b 褶酌反电势检测方程。在d s p 控 制中，导邋 绕组掰相，两甜橙瓣反电势的 过零点，检测至过零燕后。孬 戤迟3 0 。电角度即为换相点。 ”这就是反电贽检测抉相的原理。 幽4 - 2 反电势检测电路蹦 4 2 3 反电势检测的相位修正 在d s p 控制中，通过检测绕组三端电压，然后按式( 4 9 ) ，计算即可得c 相反电势，检溺到过零点，再通过软件延时3 0 。电角度，郎为换相点，a 相， b 稠与扰臻羁检测换辖。 由图三可知，检测电路存在阻容滤波环节，强致了检测馈号楣健的滞后。 如图二( a 相为例) 趱线所示，相移角为1 1 ，过零点也滞后a ，在控制中必须 对其进行修正，由圈三可知，检测点电压与绕组端电压存在如下关系： 堡：璺 一 ( 4 一1 2 ) 讲 ( r i + 置2 + j 2 n y r i r 2 c ) 式中r 。，心，为分压电阻，f 为反电势频率，c 为滤波电容，v 1 ，v 1 分别为检 、海窝避太学秧l ：论文 潞邈蒸，赛酥邀嚣。 鑫上式容雾霉鑫琏。牲鲢鞠鬻 器。3 xt 嚣受穗 穆角，又因为掰粥p w m 频攀凑( 4 0 k h z ) ，设诗滤波嗽签c 很小( n f 缓) ，聪 毁褥瓮 i )v i =孵市 * 枣十每雒叫) m 式 一h e a ( 4 - 1 7 ) 潞式( 4 - i 3 ) 2 知q 与c o 为非线性关系，从丽a e a 与m 髓l 为菲线形关滚，在d s p 控黼中不稍予 蜜游诗篓，黩辍程控餐孛撼n 分羧，按式( 4 - 1 3 ) 确邂速囊势袋，巍骖蒌孛袋 怒分段穆落援寒，露在每一逮凄袋凑姨冀h e a 近馥与姥速度菠燕魄，霹在餐蓑 中a e a = k ，燕= 一二：w 必黎一分潋恣j 琏 娃魄铡蕉数，在程蹿中碍以方便 3 0 0 + 势 戆羧搂逮凌蹙臻定k ，蘩零诗簿纛箨莓褥a e a ，建撵惑攥遥了骖耍：懿实辩羧叉 搽诞了修芷鹣精壤。按式( 4 一 5 ) ，( 4 1 7 ) 稔溅遗零点，捡溅裂遗零点后再延 时3 0 。即可得剃正确的换糊点。b ，c 相与此相同。 。4 + 2 。3 菱耄势电流检测警遴 由前丽分析可知，通i 遭攀件镑理嚣慕启劫a d 转换，检测替勰翔菌龋： 爨毒0 整剿管骜辫 ，| 拿一 螂变媛 擘罐 避文 t m s 3 2 0 f 2 4 0 其霄嚣夸a 路卡穰静a d 转捩肇元，a d 转换可双方筏羽爨攀 譬 管溅嚣窟麓，霹醛灏辩蠡凌瑟令a d 转换攀元魏器一爨a d 转羧。褥v 1 ，v 2 检测埝爨接鹫菠巾令a d 转换荤元戆巍潞埝入上，v 3 ，t d c 接蘩雯羚一个a d 转换荦元的两路输入上。便予睾馋管理然蛰理，羧铡审，在 壬意一姆遴廉区肉 时，图四】| 三 ( 1 - 4 ) 扇区为铡，功率器件上桥臂m i 镎以p w m 输出，下桥臂 m 4 瞧运，p w m 麓麓海2 5 & 邀滚殍囊黧必5 0 as 。逶避凌嚣，疆戳警善l 谤数 毒襻器毽遮巍t l 褥黧寄帮嚣氆辩，霉黪餐璎糕硬释赛渤a d 转换，程簿一次 转撼慰，采样势转换v i ，l d c ，a d 转换结囊藤审请书凝处理，并敬焱a d 转换 端鞠羯v 2 ，v 3 端日，当下1 计数寄移器低再次达到下l 瘸期寄存器德辩，囊动 a d 转换竣褥列v 麓，v 3 ，遮群瘸期豹进行转换鄄掰褥捌v l ，v 2 ，v 3 ，j d c 。在2 5 t - ts 瓣瓣蠹霹浚试海v i ，v 2 ，v 3 蓬琴变，遮释赣运熬试蠢黎霹蒸释瓣了￥i ， v 2 ，v 3 。这种方式中在露荧帮遽周期中焱对采弹瞧瀛，避免了畿野关灏开封罴 样吼、瀛。 4 。3 嘲越波瓣斑控剿 零系绕采惩p w 醚渡控髓方式，遴避溪整p w m 波游占窒院瀑节绕鳃曦歪 平均毽，进丽勰间接限露4 帮诞节绕缀电流黝大小，艇现转遴豹调节。在这蘩p w m 波频率是爨定鲍，蔡占空嫩校挺瞧滚误嫠穆戮。鞭丽戎遮瓣揍爨下电淡与电浚 浆交稳搴嚣是哥按瓣。霾麓p w m 滚熬藏率莛霆裳熬，辫魏霹套露滤波臻将建 赢颥低频信号产生的机械噪声及电磁噪声撤好地滤搏。 另矫，有髑种方式控制鞭渤功率管酌羚荚：秘怒磺开关方式，舄一静是 软嚣关方式。嫒好关方式鹱爨逆交器的上“f 疆凌零管躅鼹一个躲；串僚号驱磷， 两个功率管在溺对蓊势辩导透，关鞭。遮耱方式魄较篱革，只需控制三三个藤 冲俗号就可以了。但是相瓣予软开关方式魄流的波动比较大。软汗关方式不仅 仅可辍控裁电流秘电流静嶷识率，还霹 美将激流黪波确降翻蔽枣。逛软轻波方 式下低端懿毯率蛰戆终缣持开靛悫，警遴游上辑鬻磅搴警耱嚣美囊艨滓糖号凌 定。在送耱情懿下，需要拣灏6 个p w m 铸号。 警c p u c l o c k 为2 0 m h z ，p w m 颓辫为2 0 k h z ，占掇眈为c o m p ，m 1 ， m 2 簿逶翡祷凌下，嚣耱秀美霈武弱较释实境穷寰辩下： 软舜关方式：庶c ce o m p l d p # 0 e 8 h s p l k 撵静f 3 1 ) 魏a e 豫 s 矗e l 戳p r l s p l k # 0 0 0 0 ，c m p r 2 s p l k # 0 0 0 0 ，c m p r 3 琰歼燕方式 l a c cc o m p l d p # 0 e 8 h s p l k # o f 7 d h , a c t r - 辩一 海交避夫掌礤二i 论文 s a c lc m p r i s a c lc m p r 2 s p l k # 0 0 0 0 ，c m p r 3 本系统中我们采用软开关方式控制功率管的开关。 4 4 无刷直流电机的启动及其正反转控制 光位鼹传感嚣无删直流电动机的启动不网于有位曼传感嚣啦搬，鸯位援传 感器电动机可以由霍尔元件确定转予的初始位鼍，但是无位置传感器电动机必 须在0 速时铡定转予的位置，有两种方法，第一种可以测定电枫的电感以便确 转子熬位嚣，但遮季 方式不遥灞予隐辍奄动梳，第二种方法可以预定佼转予位 置，然后褥闭坯运行使电动机按定方向旋转，具俸如图4 5 t ” l 卜4 l 一6 3 - 63 - 2 5 2 5 - 4 r t i r r ( _ ) t ll ” io t 、 图4 - 5 电抠绕组通电嘲 闰4 - 5 为正向旋转的各绕组通电顺净，现在我们假设电机静止，预通电其 中两稠，都a 褶舐电流，b 相反电流，电机将会向a b 轴线位器旋转，并且将会 在曲辖线娃麓荡，经过一端时蔺看，转予将会停止旋转，静止于a b 轴线梵， 那么我稻霹戳按下一个6 0 。状态给电动概通电，同时检灞反电势的道零点邵可 完成癌动过程，当然这种方法有冀局限经，就是寝动转铤不能太大，否剐启动 缀难或功，这是毫动辊静歪囱旋转及箕寤动j 建程，当然爱转l 靖，在寇位螽，我 粕霹以裰嘏匿碡一5 分攒，哭不j 窭是要浚意，绕缰必矮遴反囱毫流。 2 1 l ：海蟹建夫掌娥7 诧义 4 。6 毫漉，速度检测 4 ，6 1 电漉检测 我 f 爱鬻羯位予褥式逆嶷邀路耱骶电援臻与逸之蠲褥袋撵穰隧检测主霾鼹 上酶电流，鞠黟4 1 6 搿示。采样魄匿驹蕊稷据功率摄隈潮龄疆大电流选取，当奄 流捡溺簸超i 寤掰允许的滚大氇鄄主电路过电流的时，它应该髓够勰动过流傈护 糕穿，封锁掰游驱动信号的输爨，蠢至敬障解豫。 为了实魂2 0 k h z 戆耄瀛臻，电流磐缀簿5 0 # s 采铎次。在每个p w 辫爨聚乏 物载入呶流捻测僵，以产生一个耨懿占空眈改变鲍p w m 波。同时应该注意， 郧就是在功率管关断的时刻不要进行电流检测，那怒因为在关断的时猁，相魄 添的流动是不可涮扮，并不能反映褶窀流酾大，j 、。在较开关的方斌下，在功率 餐醚 美赣嬲瓣，电流滚过m 2 上黪续滚二较蓉浚秘绞然楚予关凝双蠢数功窭 謦二极管流黎f 依然筵，关酝羧态静功率喾m 4 ，魄流疑夺。霞硬嚣关方式f ，警班率簿m l 处于关断状态l i 寸，相电流从地缝采样电隧、功率管m 2 及功率管m 3 上的续流二极管孬经 邋电容酗到豫。在这种开关模式下，采样电阻上的电流值惹成措数形式衰减的。 鹫4 6l 藏漉检测 从上述分析可以知道风有在功率铽；处于导通状态的时候对电流进行采样爿 嶷意义。因戴搓每个p w m 蠲麓宠残之藤，野鲶进 亍电流捡溯。 4 1 5 2 速度检测确定 如果要对童滚纛剩电渤规鲍转速避符耩确躲控割，营先要对它的转速进行 精确静溺曩。奁一黢豹嚷韵撬谰逮系绞中，逶嚣稳程毫霹裰麓转辘上安装一令 测速发电机、光电编码器椁测道装黑，以此精确的测量电动机转速。由于多数 的直流无刷电动机的容鼹很小，不翁程转轴上安装测速装鼹，通常利用转予钕 一2 2 二海交通火学碗l 论文 嚣捡溺豹信号泉反映转速，在无穰壹流电动税豹无位鬟传惑嚣控制中，计算蹴 转子旋转一圈的时间，我们即可得到电机的速度值了，如我们可以设鼹软件计 数器，在毫瓿定谴襞寒时，计数器戆馕霪零，在毫撬转餮一潮时，读敬计数潞 的值即可得转速。但是同时有个问题，即在第一圈时没法以此来确定速度， 嚣毙第一嚣的蘧度必矮经过理沦诗算褥爨。攫攒凑力学躲谈胃褥 了窘= 军籍 躯t s 式中为转动缨爨e 船为痘动转矩，出此可以褥出，第一转时阀为 i ：拇窝通 学娥| 论文 第卷章秃徒譬簧感器秃醛壹滚藏动撬控制系统硬粹设计 一觳耀富，蠢裰妻装魄旗糗d s 薹 聱测焱绫主要薤l 琰搴邀爨释接燃港路缀袋。 臻零迄露懿露瓣餐将毫溪掇供戆熊量囊遮娄转羲鬃援髅绘逛蘸惑，霞藜蘩囊逛 黪、滤波稳珏魄鼹、遂变媳姆和功率驱动电路。控剃魄鼹戆接用赂攥掘使用学 嬲攮传溪求积聚拣的实际 二侔憾况对象缆避行骞关的调繁，使之满艇王幸筝要求， 主溪篷旗逮凄绘霆邀路、王 譬邂瓣逛爨、梭溅邈建、攥护瞧路。 5 。1 无刷直流电动机控制燃统硬件樵阕 零控麓系缆主要是隽1 8 v d c 3 0 a 鹣恶疆蠢滚魄漤枢交谤黪，转速受 3 0 。3 0 0 0 r p m 。稳速精度为1 。同时能够实现调速，戚艇转，过流、过压、过热 保护，以及故麟信号的输出等助能。其d s p 控制系统髓件框图如嘲s 。1 所示，控 铡蔽上主婺囊d s p 控裁器强s 3 嚣鞭4 、l 融g 蕊囊臻、磐要魏转速鲶定、霆餐 撩澍电路| | 鬟及与驱动投的撩隧组成。驱动板支持1 8 v 的d c 输入，糨3 0 a 静电流 范嘲。功率臀选用m o s f e t ，功率驱动则选用i r 2 1 3 1 s 驱动集成电路。从 t m s 3 2 0 f 2 4 0 输爨i n p w m 囊接与t r 2 1 3 0 囊接粳连。礴瓣搓供遐漉，过疰、过热 豫驴。速纛输撼骧l e d 最示，犍鑫，宅谴潞完残转速埝定，委爱转，起番凌麓。 胬5 - 1 控制燕娩磷粹框衡 5 , 2 经潮系统的磺俘源溅黼 整瓤系蒺控裁繇分兼霆霹公蜀篷豢戆e v m 羧努扩穗盘辏天露残，镶鑫嚣蓑蠹 三个荦键式按镳，分群为瓣，叛转殛箨疲按键，蠢按谦避i o k 电黼涟接予e v m 擞，d s p 控制镲号与功率瓣础器 粤i r 2 1 3 1 s 掇连，蠢i r 2 t 3 1 s 喜撩驱动功率器 4 牛如图5 2 所豕 海交运夫学磺 j 论文 豳5 - 2 控制系统髹理整 连接器j 3 脚t m s 3 2 0 f 2 4 0 引脚功率板信姆电气特性 + ，2 v m a xc u r r e 峨辍枞 2 2 vc t m 睡5 0 良娲 3 c m p l 胪w m l ( 9 4 ) h l n l r r ll o g 雌 4e 赫p 淞w m 2 婚5 ) l 辩 w l l o g i c 5 c m p 3 嬲n m 3 9 瞬 h l n 2h k 澉 6 c m p 4 ，p 1 ，m 4 ( 9 7 ) l i t t ll o g i c 7 c m p 5 p w m 5 撺妨 h l 辩3 r f l l o g i c 8 c m p b p w m 6 婶秭 “女1 3 玎l o g i c 9 c m p 7 p w m 7 i o p b o ( 1 0 0 ) 1 0 c m p s p w m s 1 0 p 8 ( t 0 1 ) l l c m 携p w m g i o p b 2 1 0 2 ) 8 r a k e 丁纯l o g i c 1 2 t 1 c m p f r i p w 脯t o p b 3f 1 0 3 )s h 城d o w n t t ll o g i c 1 3 t 2 c 旗p t 2 p w m i o p b 4 1 0 5 f a u l tt t 0l o g i c 1 4 t 3 c m p k 3 p w l v i o p b 5 1 0 6 ) c l e a rf a u l tr r ll o g i c 1 5 t m r d t 刚i o p b 6 0 8 1 6 t m r c l k i o p b 7 ( 1 0 9 ) 1 7 c a p l 心e p l 1 0 p c 4 ( 6 7 ) c a p lt t ll o g i c 1 8 c a p 2 q e p 2 1 1 0 p c 5 ( 6 8 c a p 2w ll o g i c 1 9 c a p 3 1 0 p c 6 箨辫 e 竟p 3 _ r 聪l o g i c 2 0 c a p 4 t l o p c 7 ( 7 0 ) t 鼢父趣a 字蛾l 诧| j ：c = 2 l p 8 p 粕了礴2 2 2 x i n t 2 i o 飘 2 3 s c i p , x d i o 挺稀 2 4 s c i t x a o ( 4 4 ) 2 5 v e e+ 5 v 始 v s s 0 鼬a lg r m m d p o w e r0 n 释c o r m e c t e d 2 7 p o w e r g 辩d谨￥ 驯韩喀d i g i t a lg n d c o n n e c t e d g r o u n d 2 8 p o w e rg n 01 2 v s u p p l y 群o u n d 2 9 v s s a 8 7 ) 3 0 v r e f l o ( 8 8 3 l a d g i n 0 5 7 羚 0 毒链5 m ai n p u tr a n g e 3 2 a o c i n l 3 8 2 ) v s h u n t lo - 5 v , 5 m a 融m r a n g e 3 3 a d c t n 0 6 ( 7 8 v s h u n t 30 5 v , 5 m ai n p u tr a n g e 。3 4 a d c i n l 4 8 v s j h u n t 2 o - 5 v , 5 m ai n p u tr a n g e 3 5 a d c f n 0 7 神 v d , c o - s v , 5 m a 衲口硪r a n g e l3 6 a d c i n l 5 簿嚼 裘5 。l 控翩系统连接撩j 2 接线鞠妇袭5 - 2 j 2g o n n e c t o rp o w e rb o a r de l e c t r i c a l p i n n o s i g n a l c h a r a c t e r l s t i c s v s h u 燃3 1 2 2 4 ￥3 0 a 2v s h u 蠛 2 ，2 4 v3 0 a 3v s h u 撼2 2 ，2 4 v 焱 袭5 3 控卷4 系绞避接器j l 接线黼翔表5 - 3 掰泳： j 1c o n n e c t o r p 0 瓣e 鹃o 文de l e c t r i c 觚 p i nn os i g n a l 0 瓣蠢袈# e 了基建l s l l e s p o w e rs u p p l y 2 一签￥3 0 a 2 p o w e rg n d 裳5 4 投潮象陵连接器辫接线辫魏表5 5 簿零： 0 毒c o 瓣n e c t