（电力电子与电力传动专业论文）基于niosⅡ的无刷直流电机控制器设计.pdf

英文摘要 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i cc o n t r o lt h e o r y , t e c h n o l o g yo fp o w e re l e c t r o n i c s ， c o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dt e c h n o l o g yo fe m b e d d e ds y s t e mp o w e r f u l l ys u p p o r t s t h ep r o g r e s so fm o t o rc o n t r o ls y s t e mb o t ht h e o r e t i c a l l ya n dt e c h n i c a l l y c o m p a r e dw i t h c o n v e n t i o n a lb r u s hd cm o t o r s ，t h eb r u s h l e s sd c ( b l d c ) m o t o r sa d o p tt h ee l e c t r o n i c c o m m u t a t i o ni n s t e a do fb r u s hm a c h i n e r yc o m m u t a t i o n , w h i c hc a ng r e a t l ye x t e n dt h e s e r v i c el i f eo fm o t o r sa n de n h a n c ec o n t r o ls y s t e m ss t a b i l i t y c p u si nl i n ew i t hd e s i g n s n e e d sc a l lb em a d eb yt h es o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ) t e c h n o l o g yb a s e d o nn i o si is o f tc o r ea n da l s ot h ea p p r o p r i a t ep e r i p h e r a l s ，m e m o r i e sa n di n t e r f a c e sc a nb e c h o s e nu s i n gt h i st e c h n o l o g y s oac o n t r o l l e ri nl i n ew i t ha c t u a ln e e d s ，w h i c hw i l lb e v e r y s m a l l ，c a nb ed e v e l o p e do nas i m p l ec h i p i nc o m b i n a t i o nw i t ht h ea b o v e m e n t i o n e dc h a r a c t e r i s t i c s ，t h i sk i n do fc o n t r o ls y s t e mp r e s e n t sag o o da p p l i c a t i o n p r o s p e c ti nt h ei n d u s t r i a la n dc i v i lt e r r i t o r ye v e ni nt h es e r v od o m a i n i nc o n t e x to ft h o s em e n t i o n e da b o v e ，t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h eb r u s h l e s sd c m o t o r s p r i n c i p l eo fw o r ka n dt h eb r u s h l e s sd cm o t o r s p w mm o d u l a t i o n ，a n d c o m p l e t e st h es o p cd e s i g no ft h eb r u s h l e s sd cm o t o rc o n t r o ls y s t e mu s i n gn i o si is o f t c o r e t h eh a r d w a r es y s t e mi n c l u d e sc o n t r o lc i r c u i tw h i c ht a k i n gf p g aa st h ec o r ea n d t h et h r e e - p h a s ef u l lb r i d g ei n v e r t e rc i r c u i tu s e dt od r i v et h em o t o r , h a v i n gd o n et h e m a s s i v ee x p e r i m e n tt ot h ef p g aa u x i l i a r ye q u i p m e n t sc h o i c ea n di n v e r t e rc i r c u i t s d e s i g n t h i ss y s t e m sc o n t r o ls o f t w a r ei n c l u d e su s i n gt h ev h d ll a n g u a g et og e n e r a t e t h ei pc o r e so ft h eh a l ld e c o d e rm o d u l e ，t h em o t o rc o n t r o lm o d u l ea n dp i dr e g u l a t o r m o d u l ei nt h eq u a r t u sl ia n dt h ec o n f i g u r a t i o no ft h es o f tm i c r o p r o c e s s o rc o r ea n dt h e p e r i p h e r yi pc o r e sa n dt h ed e s i g no ft h ee m b e d d e ds y s t e ms o f t w a r ei nt h es o p cb u i l d e r i t sak e yt om a k es o m ed i s c u s s i o no nt h er e a l i z i n go ft h ep i dr e g u l a t o ri nf p g a t h i sa r t i c l ei nv i e wo ft h ei n v e r t e rc i r c u i t sd i f f e r e n tw o r k i n gw a y s ，u t i l i z e st h e p w mt e c h n o l o g yt or e a l i z es p e e dc o n t r o l ，s e p a r a t e l ym a k e se x p e r i m e n to ft h ef u l l b r i d g ea n dh a l fb r i d g em o d u l a t i o n ，a n dh a sc a r r i e do nt h ea n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tt h eb r u s h l e s sd cm o t o rc o n t r o ls y s t e mp e r f o r m si n av e r yg o o dc o n d i t i o n , d e b u g g i n gi sc o n v e n i e n t ，s w i t c hn o i s ei ss m a l l ，c o u l db eu p d a t e d e a s i l y , a n dh a sp r o v i d e dt h ef o u n d a t i o nf o rt h e f u r t h e rr e s e a r c hw o r ka n do t h e r 英文摘要 e n 百n e e r sf o rr e f e r e n c e k e yw o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o r ；n i o si i ；s o p c ；p i dr e g u l a t o r ；i pc o r e 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文 = = 基壬巡q 墨i i 的玉显直流电扭撞生9 墨逡让= = 。除论文中已 经注明引用的内容外，对论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。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发 表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：乏丝 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密口( 请在以上方框内打“ ) ：碰毵嚣姥 基于n i o si i 的无刷直流电机控制器设计 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 电机的应用领域极为广泛，而且还在不断扩展。例如，家用电器领域中的空调、 换气扇、各种送风机、洗衣机、全自动餐具洗涤机、搅拌机、咖啡机等；办公自 动化( o a ) 装置中的个人计算机、打印机、f a x 、复印机、各种磁盘存储装置等； 音频视频( a v ) 系统中的磁带录像机( v t r ) ，c d ，d v d ，c d r w ，卫星激光 唱片( m d ) 等；以及其他以电动机作为驱动源的机械装置，如电动自行车、电动 汽车和儿童玩具等。不同的应用场合要求使用不同类型的电机，一个喷墨打印机 头要用可以高精度定位的小型步进电机；驱动一个城市的供水泵，则需要一个庞 大的三相a c 感应电机。不管应用何种电机，对其的控制至关重要，而对电机的控 制主要在于对其转速和转矩的控制。 无刷直流电机( b r u s h l e s sd cm o t o r ，b l d c m ) 通常指方波无刷直流电动机， 它是一种得到越来越广泛应用的高性能电机。其运行主要是根据转子位置传感器 所提供的转子位置信号来产生换相信号，控制驱动电路的开通和关断，因此，其 任何时间的准确旋转位置是对其驱动时所必须知道的。对电流电压则采用脉宽调 制技术( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) ，p w m 的设置主要有：分辨率和频率， 死区和对称输出。现在很多集成芯片模块都有这些参数的软件设置，但不能灵活 的满足特定的需要。标准模块又通常对功率级和控制软件作出限制。要灵活的设 计电机驱动则要软件、功率级和p w m 完美地协调工作。因此，定制p w m 比模块 p w m 更合适，而使用f p g a 就可以定制p w m 、a d c 接口等，使设计更符合实际 需要【l 】o 就目前通用的电机控制器体系结构而言，存在很多缺陷，如体积过大、结构封 闭、功能扩展受限等，从而导致电机控制系统升级过程中大量资源浪费。随着网 络化的工业控制技术、工业现场总线技术和嵌入式实时操作系统等信息技术的发 展，人们对电机控制技术提出了越来越高的要求。而s o p c 技术允许在单个芯片 上实现原来需要整个系统才能实现的功能，嵌入n i o s 软核的s o p c 技术将不会 第l 章绪论 局限于预先制造的处理器技术，可自己定制处理器，选择合适的外设，具有很大 的灵活性，可延长产品生命周期，防止处理器过时。利用芯片技术可以将电机控 制器做到单个集成电路芯片大小，能直接嵌入到它所控制的电机，从而形成一个 嵌入式电机控制系统结构，使系统同时具有体积小、功耗低、可重构、网络化和 开放性等优点，完全符合现代电机控制器的发展趋势。本课题就是在此背景和意 义下研究基于n i o si i 的无刷直流电机控制器。 1 2 无刷直流电机的发展和现状 直流传动系统控制简单、调速性能好，一直是调速传动领域中的重要组成部 分。现代的直流传动系统的发展方向是电动机主极永磁化及换向无刷化，而无刷 直流电动机正是在这样的趋势下所发展起来的机电一体化电动机系统。1 9 1 7 年， b o l i g e r 提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，从而诞生了直流无刷电机 的基本思想。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 刷直流电机机械电刷的专利，标志着现代无刷电机的诞生。一般意义上的无刷直 流电动机是指方波无刷直流电动机，其特征是只需简单的开关位置信号即可通过 逆变桥驱动永磁电动机工作。1 9 7 5 年无刷直流电动机首次出现在n a s a 报告中。 之后，由于高性能、低成本的第三代永磁材料的出现，以及大功率、全控型功率 器件的出现，使无刷直流电动机系统获得了迅速发展。1 9 7 7 年，出现了采用钐钴 永磁材料的无刷直流电动机。之后不久，无刷直流电动机系统开始广泛采用高磁 能积、高矫顽力、低成本的第三代n d f e b 永磁材料，且采用霍尔元件作为位置传 感器，采用三相全桥驱动方式，以提高输出转矩，使其更加实用。1 9 8 6 年，h r b o l t o n 对方波无刷直流电动机系统进行了全面的总结，这标志着方波无刷直流电动机系 统在理论上、驱动控制方法上已基本成熟【2 】【3 1 。 在国内，无刷直流电机在小功率( 几十瓦到几百瓦) 范围内，已从科研转向生产， 如西安微电机研究所研制的4 5 z w - i ，s s z w - 1 ，7 0 z w - 1 系列产品，上海交大研制 的卫星上专用的无刷直流电机，上海微电机研究所的无刷直流力矩电动机等，但 大功率低转速的无刷直流电机的研究方面发展不快，还未形成系列产品。 在国外，无刷直流电机的生产和应用取得很大进展，如日本仓毛电器公司研 2 基于n i o su 的无刷直流电机控制器设计 究出的k r k 系列产品，西德西门子公司推出的a d 系列产品。在大功率无刷直流 电机方面，工业级的无刷直流电机及驱动系统已达到7 3 5 - - 9 1 8 7 5 w 的功率范围， 特别是在美国，一些公司的无刷直流电机产品已占据了不同的应用领域，例如 f u n k ，u s a 的产品主要应用于工厂自动化领域，p a p s t 的产品主要应用于仪器 设备领域，k o l l n n o r g 的产品主要应用于国防和航天领域【4 】。 技术研究方向主要有电机本体和电子线路两方面。本体方面，在满足各项性 能指标的前提下，选择转子永磁磁钢材料尺寸及磁的排列方式使电机的成本尽量 低，存在一个优化问题，此外永磁电机的漏磁场对电机性能也有一定影响，所以 永磁电机的漏磁场分布一直是一个研究方向。 无刷直流电机存在的一个突出问题是转矩波动，特别是在低转速、高精度、 调速范围广的情况下，转矩波动更应该尽量减少，目前国内外的研究人员正采用 各种方法来解决这个问题，因此减少转矩波动是又一主要研究方向。 在电子线路方面，用观测电量的方法替代位置传感器的作用是一个必然趋势， 如何对电势或电流进行采样，通过控制线路进行适当处理，使电机按正常的逻辑 运行，都是目前课题的研究任务，向更高一步发展，可以利用计算机发展数字信 号，控制电机的运行，使电机的控制人工智能化也是研究的主导方向【2 1 。 1 3s o p e 技术 微电子技术与计算机技术的飞速发展对电子系统的设计技术产生了巨大而深 远的影响，电子系统的设计技术在近几年发生了革命性的变化。随着i c 设计技术 与工艺水平的发展，集成电路的集成度越来越高，规模越来越大，在2 0 世纪9 0 年代末，达到了可以将整个系统集成在一个芯片上的水平，高性能产品的要求和 微电子技术的发展使s o c 、s o p c 、i p 核等新概念和新技术不断涌现并迅速渗透到 电子、通信、信息、机械制造、仪器仪表、航空航天、汽车电子、家用电器等领 域，大大提高社会生产力并进一步提高了科学技术发展速度。 1 3 1s o c 系统 s o c 并没有严格的定义。广义而言，s o c 指的是在单片上集成系统级、多元 化的大规模功能模块，从而构成一个能够处理各种信息的集成系统。通常包括一 3 第1 章绪论 个主控单元和一些功能模块，主控单元通常是一个处理器，这个处理器可以是一 个通用的处理器核，也可以是数字信号处理器的核，还可以是一个专用的运算控 制逻辑单元，在主控单元周围集成了一些功能模块，分别完成不同的功能。 狭义地讲，s o c 是一种结合了许多功能模块和微处理器核的单芯片电路系统， 传统的设计都是根据功能划分设计成多个功能模块，加上微处理器，做在一个电 路板上。利用s o c 技术可以大大缩小系统所占的面积，提高系统的性能和健壮性。 使用可重用的i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 来构建s o c 系统，可以缩短产品的开 发周期，降低开发的复杂度。可重复利用的口包括元件库、宏及特殊的专用口等， 如通信接口p 、输入输出接口p ；各开发商开发的微处理器m ，如a r m 核。s o c 嵌入式系统就是微处理器的p 再加上一些外围p 整合而成的。 s o c 以嵌入式系统为核心，集软、硬件于一体，并追求最高的集成度，是电 子系统设计发展的必然趋势和最终目标，是现代电子系统设计的最佳方案。目前 s o c 的功能主要由硬件和软件协同完成。 但s o c 是专用集成电路系统，其设计周期长、成本高，s o c 的设计技术难以 被中小企业、研究院所和大专院校采用。 1 3 2s o p c s o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ，片上可编程系统) 是s o c 技术与可 编程逻辑技术结合的产物，即基于大规模f p g a 的单芯片系统。它是由美国的a l t e r a 公司在2 0 0 0 年提出来的一种灵活、高效的s o c 解决方案。它将处理器、存储器 ( r o m 、r a m 等) 、总线和总线控制器、i o 口、d s p 、锁相环等集成到一片f p g a 中。它具有灵活的设计方式，可裁剪、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可 编程功能。由于市场有丰富的i pc o r e 可供选择，用户可以快速地构成各种不同的 系统，有些可编程器件内还包含有部分可编程模拟电路。以上的特点使得s o p c 的设计周期短、成本低【3 】【4 】。 1 3 3 lp 核 i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 是知识产权的简称，s o c 和s o p c 在设计上都是以 集成电路m 核为基础的。集成电路i p 经过预先设计、验证，符合产业界普遍认同 4 基于n i o si i 的无刷直流电机控制器设计 的设计规范和设计标准，并具有相对独立并可以重复利用的电路模块或子系统， 如c p u 、运算器等。集成电路口模块具有知识含量高、占用芯片面积小、运行速 度快、功耗低、工艺容差性大等优点，还具有可重用性，可以重复应用于s o c 、 s o p c 或复杂的a s i c 的设计当中。 i p 核模块有行为( b e h a v i o r ) 、结构( s t r u c t u r e ) 和物理( p h y s i c a l ) 三个不同 级别的设计，对应描述功能的不同分为三类，即软核( s o f ti pc o r e ) 、完成结构描 述的固核( f i r mi pc o r e ) 和基于物理描述并经过工艺验证的硬核( h a r di pc o r e ) 。 1 软核 i p 软核通常用h d l 文本形式提交给用户，它经过r t l 级设计优化和功能验 证，但其中不含有任何具体的物理信息。据此，用户可以综合出正确的门电路级 设计网表，并可以进行后续的结构设计，具有很大的灵活性。i p 软核也称为虚拟 组件( v i r t u a lc o m p o n e n t ，v c ) 。 2 硬核 i p 硬核是基于半导体工艺的物理设计，已有固定的拓扑布局和具体工艺，并 已经过工艺验证，具有可保证的性能。其提供给用户的形式是电路物理结构掩膜 版图和全套工艺文件，是可以拿来就用的全套技术【5 1 。 3 固核 i p 固核的设计程度则介于软核和硬核之间，除了完成软核所提供的设计外， 还完成了门级电路综合和时序仿真等设计环节。一般以门级电路网表的形式提供 给用户【6 1 。 1 3 4nio si i 软核处理器简介 在第一代软和处理器n i o s 取得巨大成功的基础上，a l t e r a 公司于2 0 0 4 年6 月 推出了n i o si i 软核处理器，相对于n i o s ，n i o si i 性能更高，占用f p g a 的资源更 少，而与之配套的开发环境更先进，有更多的资源可供用户使用。 当今的嵌入式设计工程师面临很棘手的挑战：寻找一款能实现特性、成本、 性能和生命周期完美组合的处理器。a l t e r an i o si i 处理器所具有的完全可定制特 性、性能可配置性、较低的产品和实施成本、易用性、适应性和不会过时等优势 5 第1 章绪论 使其成为工程师的最佳选择。 n i o si i 系列3 2 位r i s c 嵌入式处理器具有超过2 0 0 d m i p 的性能，在f p g a 中 实现的成本只有3 5 美分。由于处理器是软核形式，具有很大的灵活性，用户可以 在多种系统设置组合中进行选择，达到性能、特性和成本目标。采用n i o si i 处理 器进行设计，可以帮助用户将产品迅速推向市场，延长产品生命周期，防止出现 处理器过时的弊病【刀。 1 3 5 嵌入式系统 根据i e e e ( 电气电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、监视或 者辅助装置、机器和设备运行的装置”( 原文为d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r ，o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。这主要是从 应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以 涵盖机械等附属装置。 不过上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓，目前国内一个普遍被 认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 + 一般而言，嵌入式系统的构架可以分成四个部分：处理器、存储器、输入 输出( i o ) 和软件( 由于多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都是紧密结合 的，在这里我们对其不加区分，这也是嵌入式系统和w i n d o w s 系统的最大区 别) 。 基于s o p c 的嵌入式系统结构如图1 2 所示，主要包括嵌入式微处理器( c p u 核) 、定时器( t i m e r ) 、嵌入式锁相环( p l l ) 、嵌入式数字信号处理器( d s p ) 及 其他口模块等部分。 6 基于n i o si i 的无刷直流电机控制器设计 。 f p g a 芒 存储器 l 键盘 i ： t i m e r p l l ll c p u 核 c ：4 l e d p i or a m 口模块 i l 通信口 l l u a r tr o md s p cj l c d r 图1 2 基于s o p c 的嵌入式系统结构示意图 f i g 1 2b l o c kd i a g r a mo fe m b e d d e ds y s t e mb a s e d o ns o p c 1 4 本课题的研究内容 鉴于电机技术、电力电子技术的发展现状和趋势，本文以无刷直流电机为控 制对象，基于s o p c 技术，采用内嵌n i o si i 软核的f p g a 设计实现高性能的无刷 直流电机控制器。采用转速一电流双闭环控制方法；选择梯形反电动势、有位置 传感器的无刷直流电机，其功率电子主回路采用三相四级星形连接全控桥式逆变 电路，在两两通电方式下进行速度控制。本设计主要在分析无刷直流电机工作原 理和研究p w m 控制方式的基础上完成系统硬件和软件两部分设计，具体主要完成 以下几个部分的设计： 电机线电流的检测； 电机转子位置检测及转速计算； p i d 调节器的设计； p w m 发生器设计； f p g a 芯片与外围器件的选择； 电机驱动电路的设计： f p g a 嵌入式控制系统设计。 7 第2 章无刷直流电机的工作原理及系统结构 第2 章无刷直流电机的工作原理及系统结构 2 1 无刷直流电机的基本原理 无刷直流电机的本质是自同步运行的永磁同步电机，其基本运行原理是：根 据转子位置传感器所提供的转子位置信号来产生换相信号，控制功率电路的开通 与关断，在永磁同步电机中产生旋转的定子磁动势，这样可以使该定子磁动势与 转子磁动势之间的电角度保持9 0 0 左右，从而产生接近于恒定的电磁转矩【8 】。 无刷直流电机控制系统除了电机本体( 包括定子和转子) 组成电动机以外，还 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，其各主要部 件的框图如图2 1 所示。 图2 1 无刷直流电机的组成框图 f i g 2 1t h ec o n f i g u r a t i o nd i a g r a mo fb l d cm o t o r 无刷直流电机控制系统工作原理如图2 2 所示。控制电路根据位置传感器提 供的信号产生脉宽调制p w m 信号，经过驱动电路放大控制逆变器各功率开关管 ( q 1 至q 6 ) 的导通与关断，从而控制电机各相绕组按一定顺序工作网。 8 基于n i o si i 的无刷直流电机控制器设计 - - - 图2 2 无刷直流电机控制系统结构原理图 f i g 2 2t h ec o n f i g u r a t i o nd i a g r a m o fb l d cm o t o rc o n t r o ls y s t e m 三相四级星型联结的无刷直流电机属两两通电方式，即每一瞬间有两个功率 管导通，每隔1 6 周期( 6 0 0 电角度) 换向一次，每次换向一个功率管，每只管子 导通时间相当于1 2 0 0 电角度。位置传感器测定转子磁极位置，为逻辑开关电路提 供正确的换相信息。本文中无刷直流电机转子位置信号由3 只相位互差1 2 0 0 的霍 尔传感器检测。需要指出的是，对于三相电机，在采用开关型霍尔传感器作为位 置传感器时，由于b 、c 相信号相对于a 相对称，因此也可以使3 个传感器在空 间相互间隔6 0 。电角度。霍尔传感器每周期的信号共六个状态，其与功率晶体管 导通和截止信号对应关系见表2 i t l o l 。 9 第2 章无刷直流电机的- t 作原理及系统结构 表2 1 霍尔信号与功率晶体管导通信号关系表 t a b 2 1t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nh a l ls i g n a l sa n dm o s f e t 霍尔传感器的信号 对应导通的功率晶体管 1oo q 2 和q 5 ll0 q 4 和q 5 01o q 3 和q 4 0ll q 3 和q 6 o ol q 1 和q 6 1 ol q 1 和q 2 2 2 无刷直流电机控制系统设计 无刷直流电机控制系统是根据位置、速度和转矩等反馈信息构成的控制系统， 由无刷直流电机、传感器和控制器三部分组成。系统有开环运行、转矩控制、速 度控制和位置控制4 种基本运行方式【l 。 无刷直流电机是以电子换向线路来代替机械换向器的直流电动机，控制器是 整个控制系统的核心，它接收控制指令，对无刷直流电机的转矩和转速进行控制。 控制器的优劣在很大程度上决定了无刷直流电机控制系统性能的好坏。控制器按 其控制电路和软件的实现方式可分为模拟量控制、数字模拟混合控制和全数字控 制三种。传感器用来检测无刷直流电动机的转子位置、转速和电流。常用的传感 器有接近开关、光电编码器、旋转变压器、霍尔元件和电流传感器掣1 2 】 1 3 】。 本文采用图2 3 所示的控制系统，实现无刷直流电机的转速控制。给定转速 u 宰n 与转速反馈u n 比较产生转速偏差信号，经转速调节输出电流调节器的幅值给 定信号u 奉i ，它与电流反馈形成的偏差经信号电流调节后产生p w m 控制信号， 实现无刷直流电机调速。电流的反馈是通过采样电阻的压降来实现。速度反馈则 是通过霍尔位置传感器输出的位置量，经过计算得到的。位置传感器输出的位置 信号还用于控制换相【1 4 1 。 1 0 基于n i o si i 的无刷直流电机控制器设计 一j 拈高；国带i u - j 山溶；国枯1 位置检测 j 直流无刷i 输甘甘 一 l邂及啁j 一i 一电侃啁节r驱动电路 1 电动机r j ii - u n 。 t 。i j l上 i 转子位置 速度反馈 i 传感 jl i 电流传感 q l - i 电流反馈 i 速度传感 t 控制器传感器 i i 图2 3 调速系统框图 f i g 。2 3b l o c kd i a g r a mo fs p e e dc o n t r o ls y s t e m 2 3 无刷直流电机p w m 控制的研究 三相无刷直流电机的主电路目前多采用三相四级星形连接全控桥式逆变电 路。三相无刷直流电机通常为1 2 0 0 导通型工作方式，在任意时刻只有两相绕组处 于通电状态，绕组利用率低些，但产生的转矩要比三相正弦波无刷直流电机1 8 0 0 导通型大，同时转矩脉动也相对大些。 无刷直流电机的调速是通过脉宽调制( p w m ) 技术来实现的。对于三相无刷 直流电机而言，不同的p w m 调制方式关系到截止相续流电流的产生与否，从而 对电枢电流和电磁转矩产生不同的影响，为了使无刷直流电机具有更好的性能， 因此有必要对无刷直流电机的p w m 调制方式进行研究和改进。 2 3 1p w m 调制方式分类 对于功率逆变器为桥式电路结构的三相无刷直流电机而言，用p w m 实现调 压调速有半桥调制、全桥调制和上下桥臂轮流p w m 调制三种调制方式。对功率 逆变桥的所有开关元件q 1 q 6 进行脉宽调制，即“全桥调制。在任意时刻，只 对功率逆变桥的上半桥q 1 ，q 3 ，q 5 ( 或下半桥q 4 ，q 2 ，q 6 ) 进行脉宽调制，即 “半桥调制 。上下桥臂轮流p w m 调制则指在一相导通的1 2 0 0 电角度内，各管 第2 章无刷直流电机的t 作原理及系统结构 或者前6 0 0 电角度进行p w m 调制，后6 0 。电角度内维持导通；或者前6 0 0 电角度 恒定导通，而后6 0 。电角度内进行p w m 调制，即p w m o n 和o n p w m 方式， 由于该方式下，每一时刻都只对一个开关元件进行p w m 调制，也称为特殊的半 桥调制对称半桥调制。而半桥调制通常指上半桥调制或下半桥调制，即不对称 半桥调制，不对称半桥调制是指在1 2 0 。区间内要么只对上半桥调制，要么只对下 半桥调制【1 5 】【1 6 1 。 2 3 2p w m 调制方式对电枢电流的影响 对于方波无刷直流电机而言，其理想的反电势、相电流波形如图2 4 所示。 图中的e a ，e b ，e c 分别为电机三相绕组的反电势，乞，i b ，分别为三相绕组的电 流。 -一彳 i i ： f 2 毛 7 倒 - p -v 古 - i i 7 ( a t i - -d： iy 。 i i x 弋( - o r i _ l ： r倒 。 l il l7 纠 0 。 k r o x 图2 4 无刷直流电机反电动势、电流的理想波形 f i g 2 4t h e o r e t i cw a v e f o r m so fr e v e r s ee m fa n dc u r r e n to fb l d cm o t o r 1 2 基y - n i o si i 的无刷直流电机控制器设计 不同的调制方式对电枢电流会产生不同的影响，进而对转矩产生不同的影响。 下面分别对半桥调制和全桥调制这两种p w m 调制方式进行分析。在不对称半桥 调制时，见图2 2 ，以q 1 和q 2 导通的6 0 。( 电角度) 时间为例，此时a ，b 两 相为导通相，c 相为截止相，乞，e b ，巴波形见图的一岛。电机运行时，设相反 电动势幅值e ，所以 q 5 的反并联二极管d 5 正偏，从而导致c 相导通，这就是非换向期间的截止相导 通现象。同理，设q 2 接受导通信号，q l 接受p w m 信号，经过分析可知，当 q 1 截止时，以 0 ，二极管d 6 正偏，c 相仍然会导通。由于电机运行当中，截 止相也续流导通，导致电机此时处于三相同时导通状态，这将引起电机电枢绕组 内电流发生较大的波动，从而也使电机转矩脉动增大。无论是不对称半桥调制还 是对称半桥调制，p w m 信号都只对导通周期内的一对元件中的一个起作用，所 以不对称半桥调制方式和对称半桥调制方式在一氏时间内对截止相的影响作用 其实是相同的。也就是说，在对称半桥调制时仍然会出现截止相续流导通的现象。 但是由于对称半桥调制时上下桥臂的调制是对称的，电压和电流对称，所以电流 和转矩的脉动比不对称半桥调制时要小。 全桥调制时，仍以毛时间为例，p w m 信号对q l 及q 2 都起作用。q 1 、 q 2 导通时的电流与半桥调制时相同，此时，中点o 的电位u o = 2 ；当q l 、q 2 同时截止时，电机a ，b 两相的电流通过d 4 ，d 3 及电容构成回路，中点o 的电 位仍然有u o = 2 ，所以c 相端电压在2 + e 到2 - e 间变化，即6 0 。电 1 3 第2 章无刷直流电机的工作原理及系统结构 角度内，都有0 仉 q ) q 1 | 一j a 。 一鼍一 兰，= = c 8f c q 4 詹多q 逗多q 迮 越是j ) 图3 1 4 逆变电路的结构 f i g 3 1 4i n v e r t e rc i r c u i ts 廿u c t m ed i a g r a m 主要元器件的选择及正确使用对逆变电路设计非常重要。若选择和使用不合 理，则不但控制目标难以实现，更使电机发热严重，噪声增大，效率和可靠性降 低。因此在设计p w m 调速系统时要特别注意并认真地选择逆变桥这一关键电路 的元器件。工业上的逆变电路通常采用智能功率模块i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e r m o d u l e s ) 或由分立器件搭建。集成逆变器由于采用驱动电路和桥的模块化设计， 散热能力一般，价格高，而且只要有其中一个管子烧掉就要换掉整个集成块，故 不适用于实验阶段。分立元件可以单独散热，更换方便，通常使用的全控型电力 电子器件如g t r 、g t o 、功率m o s f e t 、i g b t 等。由于它们在耐压、容量、开 关速度等方面的差异很大，需要根据实际情况选取。首先，逆变器的开关频率很 高，功率开关元件不宜采用晶闸管，而双极性大功率晶体管在大电流导通时其导 通电阻很小，但却要求较大的驱动功率，其开关速度也比m o s f e t 、i g b t 低。 m o s f e t 是一种多数载流子器件，无少数载流子的存储效应，因此开关速度快， 而且m o s f e t 是一种理想的电压控制器件，驱动电路较为简单，m o s f e t 没有 二次击穿现象，工作的安全区较大，因此m o s f e t 非常适于高频变流装割3 0 】。 由于工艺上的原因，大功率p 沟道m o s f e t 产量很低，很难买到而且价格较 高，所以在本设计中三对m o s f e t 都采用n 沟道。由于采用的是4 8 v ，6 0 w 的 直流无刷电机，根据耐压和电流，通过多次实验调整，最后选用的是i r f 5 4 0 ，它 基于n i o s 的无刷直漉电机控制器设计 的结构和封装外型如下图3 1 5 所示叫。 图3 1 5i r f 5 4 0 的结构和封装 f i g31 5 i k f 5 4 0 s t r a c t x u ea n d e n c a p s u a f i o n i r f 5 4 0 的主要参数如下： 漏极击穿电压p - 肺= 1 0 0 v ( = o f ，j 肿= 0 2 5 m a ) 通态电阻最大漏极电流j 删= 9 2 4 ； 通态电阻r 埘f 州l = 4 9 m q ( 裔= i o v ，l = 1 7 a ) ； 开通延迟时间o 。，= 8 n s ； 关断延迟时间矿) = 2 6 n s ； 上升时间l = 3 9 n s ； 下降时间t f = 2 4 n s ； 最大功耗e o 2 5 4 c = 1 0 0 w 工作温度范围- 5 5 1 7 5 。c 。 此开关管在使用时外加铝合金散热片，通过合理布局电路板，可以满足散热 要求。 3 3 4 电流检测电路 电流传感器是无刷直流电机控制系统的关键部件，电流的检测精度和实时性 直接影响系统闭环工作的效果，电流检测不精确或延时太长，都会使电机的运行 性能变差，甚至不能正常工作。本系统中电流的检测主要用于电流环的调节和电 食、 第3 章系统硬件设计 枢电流的监测和保护，电流检测的方法有电阻检测、光耦检测和电磁检测等不同 方法。 本设计采用电阻检测方法，将被测电流流过己知电阻，然后测得电阻两端的 压降，按照欧姆定理算出电流，这样的电路很简单也很常用。但是在大功率直流 无刷电机的系统设计中控制目标的母线的电压很大，而控制系统中a d 采样的基 准电压很小，两者之间相差十几倍，而且电机是感性负载，转子在旋转时，有很 大的干扰可能串入母线，所以需对电阻两端的电压做一定的处理。 控制系统母线上的电流按照电机额定值计算应当为1 2 5 a ，采样电阻两端的 电压和s i 9 9 7 9 内部比较电路的设定电压1 0 0 m v 比较后判断该电流是否超出了额 定范围，当电流过大时，限流电路会关闭导通的m o s f e t 一段时间，该时间由 r c 电路决定。当电流低于额定电流后，m o s f e t 重新导通，限流电路如图3 1 6 所示。因此，采样电阻应当按照在最大电流通过时分压不超过1 0 0 m v 为原则选取， 而且要保证电阻功率要求。选取电阻o 0 5q 1 w ，这样当额定电流经过电阻时， 产生的压降为6 2 5 m v 。 l - l - - -i 图3 1 6 限流电路 f i g 3 16c u r r e n tl i m i t e rc i r c u i t 这样用控制系统中的a d 转换模块对电机运行时母线上的电压进行周期采 基于n i o si i 的无刷直流电机控制器设计 样，采样的结果根据欧姆定理可以运算出电机母线上电流的大小，在电压量接入 控制系统的a d 转换模块之前运用运算放大器对小电压量进行适当的放大，以充 分利用a d 模块的精度。运算放大器选择t i 公司的o p a 3 4 0 ，是专门运用于低电 压、单电源供电场合的高精度运算放大器。按照运算放大器正向输入比例放大的 原理，使最大电压输出达到3 3 v 。下图3 1 7 为运算放大器o p a 3 4 0 驱动a d 转 换芯片的典型应用图，其中r c 网络是用于滤除高频噪声【3 2 1 。 i r c n 蝴氍l 协晤h 口h 青e 犁坤n c y n d 豫 一 i 图3 1 7o p a 3 4 0 驱动a d 转换芯片图 f i g 3 17o p a 3 4 0d r i v i n ga d c o n v e r t e rd i a g r a m 3 l 第4 章系统软件设计 第4 章系统软件设计 4 1 系统开发软件工具介绍 n i o si i 的开发包括了以3 2 位n i o si i 软核处理器为核心的硬件配置、硬件设 计、软件仿真、软件设计、软件调试等，基本的软件工具有【3 3 】： q u a r t u si i ，用于完成n i o si i 系统的综合、硬件优化、适配、编程下载和 硬件测试； s o p cb u i l d e