（光学工程专业论文）城轨牵引用稀土永磁无刷直流电机的控制.pdf

摘耍 摘要 随着城市经济的发展，流动人口以及道路车辆的增加，国外纷纷丌始采用立 体化的快速轨道交通系统来解决日益恶化的城市交通问题，并逐步形成了以地铁 为主体的现代城市轨道交通发展格局。在我国，发展城市立体轨道交通也己开始 进入“陕车道”，可是目前我国在地铁、轻轨线上跑的大都是外国产的列车，其 动车牵引系统是以变频逆变器控制交流异步电机为主流，进口的动车组设备投资 及运营成本高得出人意料，为了在有限的资金能力条件下，实现我国城市的可持 续发展战略，城市轨道设施呼唤国产化和自主创新迫在眉睫。本文正是从这一点 出发，研究城市轨道牵引用的稀土永磁无刷直流电机的控制系统，以探索这种集 有刷直流电机和变频异步电机调速系统优点于一身的高效率、大扭矩稀土永磁无 刷直流电机调速系统在城轨牵引中的应用。 本文采用数字信号处理器( d s p ) 对城轨牵引用的大功率稀土永磁无刷直流电 机进行全数字控制方式的研究。设计了基于d s p 的城轨牵引用稀土永磁无刷直 流电机控制系统；给出了系统的控制硬件电路，并给出了在硬件电路不变情况下 用软件解决运行工况的控制方法；本文详细阐述了控制系统总体方案设计、硬件 电路设计和软件程序设计，并对该城轨牵引用大功率稀土永磁无刷直流电机的控 制系统进行了试制、调试及试验，取得了满意的结果。目前已完成样机的实验室 试验，有待于进一步完善和装车试验。 作者在完成城轨牵引用稀士永磁无刷直流电机全数字控制系统研究的同时， 还对基于专用集成芯j i i 的小功率稀土永磁无刷直流电机的调速控制系统进行了 研究，完成设计、试制、调试及试验，该控制电路可适用j ：其他小功率无刷电机 的控制。 最肟，作者对本论文的工作进行了总结，分析和探讨了研究过程t f | 存在的 些不足，并提出了进一步完善、改进的设想。 关键聊：稀1 ：永磁无刷直流r n 机数亨信弓处理器( d s p ) 城f “纠l 道交通牵引 卒铺4 器 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o l n ya n dt h e i n c r e a s eo fp o p u l a t i o na n d v e h i c l e s ，p e o p l eu s et h et h r e e d i m e n s i o n a lf a s tt r a c kt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mt os o l v et h e t r a n s p o r t a t i o np r o b l e mo na b r o a d i tg r a d u a l l yf o r m st h em o d e mc i t yt r a c kt r a f f i c d e v e l o p m e n tp a t t e m t h a tu s e dt h e s u b w a ya s t h em a i nb o d y i nc h i n a ，t h e d e v e l o p m e n to ft h r e e - d i m e n s i o n a lt r a c kt r a n s p o r t a t i o nh a se n t e r e dt h e ”f a s tl a n e b u t s t i l lu s et r a i nm a d eo na b r o a d t h et o w e ds y s t e m sr e l yo nc o n v e r s i o ni n v e r t e rc o n t r o l a s y n c h r o n o u sm a c h i n e t h ei n v e s t m e n ti ne q u i p m e n ta n dt h ec o s ti se x p e n s i v e i n o r d e rt or e a l i z a t i o no fo u rc o u n t r y ss u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti nt h el i m i t e d f u n d s t r a t e g y ，t h er a i lf a c i l i t i e sn e e dh o m e m a d ea n di n d e p e n d e n ti n n o v a t i o n f r o mt h i s p o i n t ，b m s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o rd r i v es y s t e mi nt h ed r a wm o t o ro ft r a c kv e h i c l e s i sr e s e a r c h e di nt h ep a p e r i tn o to n l yi n c o r p o r a t e st h ea d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a ld c m o t o ra n da s y n c h r o n o u sa l t e r n a t i n gc u r r e n tm o t o r , b u ta l s og e t so v e rb o t ho ft h e i r d e f i c i e n c i e s u s ei ta sd r a wm o t o ro ft r a c kv e h i c l e sw i l lo b t a i n sh i g h e f f i c i e n c ya n d l a r g et o r q u e b m s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o rd r i v es y s t e mb a s e do nd s pi nt h ed r a wm o t o ro f t r a c kv e h i c l e si sr e s e a r c h e db yd i g i t a lc o n t r o lm a n n e ri nt h ep a p e r ar e p mb l d c m c o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s pi nt h ed r a wm o t o ro ft r a c kv e h i c l e si ss t u d i e d t h e nt h e s y s t e mc o n t r o lh a r d w a r ec i r c u i t d i a r a mi sg i v e n t h es o f t w a r ec o n t r o lt h es y s t e m w o r ki nt h ed i f f e r e n tp e r f o r m a n c ei sg i v e no nc o n d i t i o nt h a tt h eh a r d w a r eo fc o n t r o l c i r c u i ti sn o tc h a n g e d t h eo v e r a l lp r o j e c td e s i g n 、h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h e c o n t r o ls y s t e ma r ep r e s e n t e dp a r t i c u l a r l y t h ed e s i g ns c h e m eo ft h ep a p e ri st e s t e da n d t h es a m p l eh a sb e e nm a n u f a c t u r e d t h es a t i s f a c t o r yr e s u l ti ss h o w nb yt h ep r o t o t y p e t r i a l s a tp r e s e n t ，m o d e lm a c h i n et e s t i n gh a sc o m p l e t e di nt h el a b o r a t o r y i tw i l lr e f i n e a n di o a d i n gt e s t s a tt h es a m et i m e ，v e l o c i t ya d j u s t m e n tc o n t r o ls y s t e mo fr e p mb l d c mb a s e do n s p e c i a li n t e g r a t e dc i r c u i ti sr e s e a r c h e d t h ed e s i g ns c h e m ei st e s t e da n dt h es a m p l e h a sb e e nm a n u f a c t u r e d 7 f h es a t i s f a c t o r yr e s u l ti ss h o w nb yt h ep r o t o t y p et r i a l s l h e c o n t r o ls y s t e mi su s e dm a i n l yi ns m a l lp o w e ra c c e s s o r i a le l e c t r o m e t e rc o n t r 0 1 a b s t r a c t f i n a l l y , s u m m a r ya n ds h o r t a g ei np r o j e c lr e s e a r c hi sa n a l y z e da n ds u g g e s t i o ni s g z v e n - k e yw o r d s ： r e p mb l d c m t r a c kt r a n s p o r t a t i o n d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) d r a wc o n t r o l l e r 西北工业大学硕1 学位论文 第一章绪论 城市轨道车辆主要是指地铁车辆、轻轨车辆和独轨车辆，它是城市轨道交通 工程中最重要的设备，也是技术含量较高的机电设备。无论是其中哪种车辆，这 些电动车组实质上许多部分都是可以通用的，它们的受流器从架空接触网或第三 轨接收电能，由牵引电动机将电能转变为机械能，驱动电动车组运行。就供电电 网提供的电能而言有直流7 5 0 v 及1 5 0 0 v ，就牵引电动机而言，现有的主要是直 流串励电动机与交流三相异步电动机两种。近年来，稀土永磁电机因其体积小、 效率高、性能优异的特点而引起人们的重视，并有望成为轨道车辆牵引用电机的 新宠。 1 1 城市轨道车辆电机驱动控制技术的发展现状 1 1 1 城市轨道交通发展的背景及意义 城市轨道交通的诞生和发展已有t 0 0 多年历史，但重视和大规模修建城市轨 道交通系统则是在第二次世界大战结束以后。随着城市经济、文化活动的日益发 展，流动人口以及道路车辆的增加，城市交通量与运能之间的矛盾日显突出，行 车难、乘车难不仅成为市民工作和生活的一个突出问题，而且成为直接制约城市 经济发展的一个严重事实。另外，由汽车带来的废气、噪声、振动等污染环境的 因素也愈来愈引起人们的重视。在这样的背景下，世界各国纷纷开始采用立体化 的快速轨道交通系统来解决h 益恶化的城市交通问题，并且逐步形成了目耵以地 铁为主体，多种轨道交通类型并存的现代城市轨道交通发展格局。 我困人口众多，目前，百万人以上火城市有3 6 座之多，5 0 万1 0 0 万人口 m 的大城市有4 3 座。但这些城市的交通方式，绝大多数还是采刚公共汽车平 f 无 轨电车，这种单一的传统公萸交通方式已越来越难以满足现代城市居民出行的需 要。近年来，出r 各种原凶，公交车辆运营速度由4 0 k m h 下降为l o k l w h 左右， 再加上私家车的不断增加，更加剧了交通的捌挤程度。我幽的城市舰模和经济建 设都有了b 速的发展，城市化进程在逐步加快，城市人l j 存急剧增加，大量流动 人 j 涌入城市，人员 i l 行频繁使城市交通面临着严峻的局势。随着经济的发展， 第一章绪论 城市财力的增强，人们己形成共识：作为在城市公共交通中起骨干作用的城市轨 道交通，必将成为大城市公共交通的主要发展方向。在国家“十五”计划中，首 次提出了要发展城市轨道交通。这是中央从政策上、发展战略上第一次对城市公 其交通发展战略的指导意见，必然会推动全国大城市轨道交通的发展。 我国城市轨道交通的发展，已开始进入“陕车道”。大城市已把轨道交通的 建设纳入了城市发展的总体规划，并以此来带动城市建设和产业结构的调整，实 现城市的可持续发展战略。重要的问题是，要在有限的投资能力条件下，合理选 择轨道交通的类型、建设标准与技术标准。近年来，城市轨道交通在电力传动系 统上进步很快：驱动与调整系统由最初的变阻调速发展到斩波器调速，再后来在 应用交流三相异步牵引电动机的机车中采用了调压变频控$ i j ( v v v f ) ；在调控系 统中变流器及逆变器的元件中，广泛的采用了g t o ( g a t et u m o f 0 及 i g b t ( i n s u l a t eg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) ，后者对较高频率的电路也能较好适应：新 型城市轨道交通车辆中均采用静止逆变器辅助单元；微电子技术在地铁车辆的牵 引、制动、辅助控制，信息显示和存储、防滑与防空转控制及行车安全等方面得 到了广泛的应用。我国车辆和机电、通信设备制造业有能力提供绝大部分先进的 技术装备。大力采用国产的先进设备，不仅能保证实现与国外进口设备同样的运 营功能，而且能大幅度降低建设造价，并确保投入运营后长期的维修配件供应， 降低运营成本。我国各城市如果有一个正确的发展战略，未来2 0 3 0 年内，城 市轨道交通必然有一个大的发展。 1 1 2 电机驱动控制技术的发展现状 电机控制技术的发展是与控制器件的发展紧密相联的。目前在驱动技术方 丽，用大功率晶体管控制的永磁式直流i u 动机驱动装置，是高精度控制领域应用 得最为广泛的驱动形式，称之为p w m 驱动装置。随着大功率晶体管的容量和丌 关速度的不断提高，p w m 驱动装置已经成为现代驱动控制的佼佼者。 在所有f ! l 动机t l 调速性能最好的足直流电动机。它具有良好的起、制动性能， 。“于在大范内实现精密的速度和位簧控制。所以在系统性能要求高的场合都存 广泛的使用直流伺服系统。但是i 白于传统的直流 乜动机均采用电刷以机械方法进 行换向嘲而存在十h 对的机械摩擦， h l i - i ；带来了噪声，火花、无线电干扰以及寿 两北t 业大学顺士学位论文 命短等的致命弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，也大大限制了它的应 用范围。早在2 0 世纪3 0 年代人们就开始研制以电子换相来代替电刷机械换向的无 刷直流电动机。但是由于当时大功率电子器件仅处于初级发展阶段，无法找到理 想的电子换向元件，使得这种电动机只能停留在实验室研究阶段，无法推广。随 着电力电子工业的飞速发展，高性能半导体功率器件相继出现，再加上第三代永 磁材料的应用，为无刷直流电动机的广泛应用莫定了坚实的基础，并且促使无刷 直流电机向高效率、小型化、节能方向迈进。稀土永磁无刷直流电动机不仅具备 交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列的优点，又具备有刷直流 电动机调速性能好的特点，另外，它还具有起动力矩大、力能指标好、温升低等 特点。因此在控制系统中用永磁无刷直流电动机代替其他的电动机也是目前控制 系统发展的一个方向。 我国的稀土资源丰富，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4 倍左右，是 名符其实的“稀土王国”，稀土矿石和稀土永磁的产量都居世界前列。充分发挥 我国稀土资源丰富的优势，在现有研究成果的基础上进一步扩大对稀土永磁电机 为代表的各种永磁电机的研究，对我国社会主义现代化建设是十分有利的。另外， 国内目前以交流电传动技术作为电力牵引的主要技术，因此，我们在这一方面必 须学习国外在城轨车辆牵引方面的先进经验襁技术，其中永磁无刷直流电机作为 城轨车辆的牵引电机，在国外已研制出了样机，并取得非常良好的试验效果，然 而国内在这一方面还是空白，这也不能不说是没有充分发挥出我们“稀土王国” 的优势。依据国家发展计划委员会制订的城市轨道交通设备国产化实施方案 的实施，今后城市轨道交通建设项目在建成时，其全部车辆和机电设备的平均国 产化率要达到7 0 以上。在此情况下，迫切需要我们能够设计制造生产出有我们 自主产权的城轨车辆及电气成套设备。本文难是从这一点出发，研究城轨牵引用 的稀二 = 永磁无刷直流电机控制系统。 1 2 本文的主要研究内容 本文研究的主要内容是对城轨牵引用的基于d s p 的稀土永磁无刷直流屯机 控制系统进行设计、试制及试验。具体包括以f 几个方面。 第一章绪论 1 2 1 城轨牵引用基于d s p 的永磁无刷直流电机控制系统总体方案 控制系统的总体方案包括闭环控制技术、控制策略以及实现方法。该阶段的 主要工作包括： 1 系统总体方案的论证：通过查阅国外相关技术资料，研究各型d s p 芯片的 特性以及稀土永磁无刷直流电机控制系统闭环控制技术以及控制策略并对基于 d s p 控制器的稀土永磁无刷直流电机驱动控制系统的各种实现方案进行论证。 2 系统总体方案的设计：根据系统要求，从简化电路结构、降低成本、减少 故障率以及提高系统灵活性和通用性方面来统一考虑，合理安排软、硬件分工， 确定系统的硬件总体方案和软件总体方案。 1 2 2 系统硬件电路设计 根据前一阶段所确定的总体方案来完成控制系统硬件电路的设计，并完成电 路板的制作以及调试工作。该阶段的工作包括： 1 系统硬件电路的设计：根据确定的系统总体设计方案完成系统硬件电路的 设计，其中有电路原理图的设计、印制板图的设计。 2 系统硬件电路的制作和调试：根据印制板图制作电路板并完成系统硬件的 组装，利用测试工具先对各功能模块进行调试，然后而对整体进行调试。 1 2 3 系统软件程序设计 根据系统软件的整体方案，对系统软件进行合理的分析、舰划以及设计，并 对系统软、硬件进行联合调试。该阶段的主要工作包括： 1 系统软件分析：根据系统技术指标的要求以及选, r f = d s p 芯片的特点对系统 软件进行整体的分析和胤划。 2 系统软件1 世计与实现：采用结构化、模块化软件设计方法设计软件。 3 系统软、硬件进行联调：对系统硬件和软件进行联合调试。 1 2 4 小功率无刷直流电机控制器 最后，在完成刘城轨牵引羽稀卜永磁无刷直流电机控制系统的研究后，还完 西北工业大学硕上学位论文 成了小功率无刷直流电机闭环速度调节控制系统的设计、试制及试验，该系统主 要采用了专用集成芯片m c 3 3 0 3 5 、m c 3 3 0 3 9 以及功率模块i r a m s l o u p 6 0 a ，可 用来控制功率达7 5 0 w 的三相无刷直流电机。 第二章光刷直流电动机的控制方法 第二章无刷直流电动机的控制方法 电动机作为机电能量转换装置，其应用范围遍及国民经济的各个领域以及人 们的日常生活之中。电动机主要类型有同步电动机、异步电动机和直流电动机三 种。直流电动机具有调速性能好和控制方法简单等诸多优点，但由于传统的直流 电机采用电刷，因而存在机械摩擦，由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿 命短等致命弱点，大大限制了它的应用。随着许多新型的高性能大功率电力电子 器件的出现，以及高性能永磁材料的问世，为无刷直流电动机的广泛应用奠定了 坚实的基础。由于无刷直流电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维 护方便等一系列优点，又具备有刷直流电动机调速性能好的特点，故在当今国民 经济各个领域，如在医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面的应 用日益普及。 2 1 基本组成 嘲疆1 鼍? r jl 一】j 两北t 业大学颂e 学位论文 位置传感器 一 一_ _r 。l，、。一 i 、 ，r 。r 。l ：【，? ，一一i i 卜1 、，r ：- ， _ bj 。 j i ! ! 二! l 一i 1 1 j j l 卜 i 。 p j 一| 、 _ 二 r 。r 。r 。【i cr i | 4 _ 1 、，h 、，_ - 1 卜一1 ：、丘 l 一l l l ! j 图2 2 无刷直流电动机结构原理图 当定予绕组的某一相通电时，该电流与转子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，去控制电子开关线路，从而使定子各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。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角 同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。 2 2 工作原理及控制方法 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电枢反应磁场。出于换向器 的换向作用，使得这两个磁场在直流电动机的运行过程中始终相互作用，从而产 生转矩驱动电动机不停地运转。无刷直流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，把永久磁钢放在转子上，这与传统有 刷直流永磁电动机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行，因为用一般直流电源 给定二f 上各绕组供电，只能产生同定磁场，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予转动。所以，无届4 直流电动 机除了由定子和转子组成电动机本体以外，还要l = i 位置传感器、控制电路以及功 率逻辑丌关荚同构成换f 0 装胃，使得无刷直流r 乜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，在宁问始终保持在f 州2 1 豫d 左右 的电角度。 第二章无刷直流电动机的控制方法 我们己经知道无刷直流电动机是一个由电动机本体、功率主回路以及转予位 置传感器等部分组成的闭环系统。一般常把功率管主回路和转子磁钢位置传感器 合并在一起称为电子换向器，其主要功能是保证电动机定子绕组准确换向，确保 无刷直流电动机在运行过程中定转子两磁场始终保持基本上垂直，以提高其运行 效率。对于三相无刷直流电动机定子绕组同电子换向器之间的联接，即主回路驱 动类型分为：三相半控电路、三相y 联接全控电路、三相联接全控电路。其中 三相半控电路的特点是简单，但是电动机本体的利用率很低，每个绕组只通电l 3 时间，另； b 2 3 时间处于断开状态，没有得到充分的利用。而且在运行过程中转 矩的波动较大，而三相联接全控电路在生产实践当中应用比较少，在这里就不 再做详细的介绍，我们主要介绍一下本文所采用的三相y 联接全控电路。 图2 3 是一种三相全控电路，在该电路中，电动机的三相绕组为y 联接。其中 v f , 、阡：v f 6 为功率管，起绕组的开关作用。它们的通电方式可以分为两两导 通方式和三三导通方式两种。 【译 一 码 一三一驱 i 动 h 一_ _ 电 ! 路 图2 3 三相y 联接全控电路 ( 1 ) 、两两通电方式所谓两阿通电方式是指每瞬间有两个功率管导通，每 隔l 6 周期( 6 0 。电角度) 换相一次，每次换相一个功率管，每一功率管导通1 2 0 。电角 度。备功率管的导矧顷序是啊峨、幔仍、v f , 帆、峨呱、嘎阮、 吃啊。当功率管啊和幔导通时，电流从啊流入a 相绕组，再从c 相绕组 流出，经过呱管刚到电源。如果没定流入绕身【的电流所产生的转矩为萨，那么 西北工业大学硕j ：学位论文 拶i l 、正剖、i i , 二t 吵7 卜、f 、t c 图2 - 4 三相y 联接两两通电方式转矩图 ( 2 ) 、三三通电方式所谓三三通电方式，是指每一瞬问均有三只功率管同时 导通，每隔6 0 嗽向一次，每个功率管通电1 3 0 。它们的导通顺序是阡： 巧阡；、 嘎嘎啊、嘎峨嘎、啊嘎暖、呱峨啊、哦啊幔、啊嘎嵋。 当阡：阡i 阡；导通时，电流从阡：流入a 相，经b 相和c 相绕组分别从阡：和阡；流 出。这时流过b 相和c 相的电流分别为流过a 相绕组的- - - , ，其合成转矩如图2 5 所示，方向同a 相，大小为1 5 瓦。经过6 0 。电角度后，换向到啊峨喝通电， 即先关断汗：而后导通野；( 注意，一定要先关断线而后导通阡j ，否则就会出 现佤和阡；同时通电，则电源被短路，这是绝对不允许的) 。这时电流分别从啊 和e 流入，经过a 相和b 相绕组再流入c 相绕组，经过阡：流出。而后以此类推。 9 第二章尤刷直流电动甘【的控制方法 、 ij ，7 图2 5 三相y 联接三三通电方式转矩图 可以看出在这种通电方式单，绕组的利用率最高，各相绕组在每一时刻都有 电流通过，正向和反向电流各1 2 时间，而且绕组也是每隔6 0 。换相一次，转矩波 动也很小。 对于同一台无刷直流电动机可以有多种驱动方式。不同的驱动方式所产生的 电磁转矩大小，绕组的利用率以及转矩的波动情况都是不同的。在诸多的通电方 式中，用的最多的是三相y 联接全控电路两两通电方式。 l 一 、 卜。卜j 西北工业大学硕上学位论文 第三章城轨牵引用稀土永磁无刷直流电机 控制系统的总体方案 本文采用t i 公司生产的高性能、低价位的1 6 位定点t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p ，外接功率开关器件后，构成一可用于城轨牵引用的稀土永磁无刷直流电机 控制系统，最终完成对稀土永磁无刷直流电机的实时安全有效的控制。系统选用 的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是c 2 0 0 0 系列中一种功能最全、速度最快的d s p 芯片，基 于该芯片的控制系统能提供优良的d s p 控制方案，实现稀土永磁无刷直流电机 控制系统在城市轨道车辆中的全数字化控制。 3 1 系统硬件总体方案 图3 - i 给出了城轨牵引用稀土永磁无刷直流电机控制系统的系统组成框图。 该系统由上位机、控制板、功率驱动电路、电机本体几部分组成。 图3 1 稀二卜永磁无刷直流电机控制系统组成框图 3 2 系统控制策略 3 2 1 上位机对系统的控制 i 二位机将为控制主板提供运行、力速、制动，停止以及故障等指令，控制阪 第三章城轨牵引用稀t 永磁无删直流电帆控制系统的总体方案 通过d s p 的i o 口接收上位机发送的指令，通过软件控制系统工作于不同的工 况状态。上位机提供的加速信号经d s p 的a d 转换，作为系统的闭环控制参考 电流，参与电机的速度控制。 3 2 2 功率驱动电路 功率驱动电路包括由i g b t 大功率模块构成的三相逆变桥电路、隔离、升压、 驱动保护电路和开关系统。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 通过p w m i p w m 6 引脚经驱 动信号电平转换后接到六个开关管，实现定频p w m 和换相控制。电机本体的三 相绕组为y 联结，逆变桥电路采用两两导通方式。 3 2 3 相电流检测 电流传感器将三相绕组电流l 、厶、l 送入电流取样电路，每一个p w i v i 周 期都对电流进行一次采样，将选出的晟大电流输出乙经过电流整定后，再由 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的a d 转换后作为反馈电流信号，和给定的闭环控制参考电流 经p i d 控制，对速度( p w m 占空比) 进行控制。 图3 2 是对本文中的稀土永磁无刷直流电机用软件实现全数字闭环控制的框 图。加速信号经d s p 的a d 转换后作为电流参考量，与相电流取样再经d s p 的 a d 转换后形成的电流反馈量的偏差经电流调节后形成p w m 占空比的控制量， 实现电动机的速度控制。 r 1 一1 加迷信垮f 硪换；参睾f 。篓? 一- 妇5 r 鞲懈! 电豌厦馈m 流检潮 图3 - 2 稀土永磁无刷直流电机调速控制框图 3 2 ，4 转子位置与速度检测 存本文f ：图所给出的凋速控制系统中，位胃检测是山二：个位置| 刊隔1 2 0 。分 伽的霍尔传感器h i 、h 2 、1 1 3 完成的，它们经整形隔离电路后分别与 西北工业大学预七学位沧文 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的三个捕捉引脚c a p i 、c a p 2 、c a p 3 相连，通过产生捕捉中 断来给出换相时刻，同时给出位置信息。位置信号还可以用于产生速度控制量， 每个周期有6 次换相，因此转子转过3 0 0 机械角都有一次换相，只要测得两次换 相的时间间隔t ，就可以根据式子。o = 3 0 0 a t 来计算出两次换相间隔期间的平均 角速度。 3 2 5 保护电路 桥臂故障、过热、过流、过压等故障信号相与产生故障中断请求信号，经过 电平转换后接至功率保护输入引脚p d p i n t a ，封锁p w m 输出。其中过流故障 是非常重要的，本文采用了软硬件双重保护的设计，将过流信号经锁存器锁存之 后，与p w m 控制信号相与，从而中断p w m 输出。 3 3 系统软件总体方案 本文控制系统的软件主要根据前面所介绍的控制策略来设计。系统所采用的 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 支持两种语言编程，一种是t m s 3 2 0 c x i 专用汇编语言，一种 是c 语言。考虑到调速系统的实时性要求以及本系统采用了多种中断，软件采 用汇编语言比较直观，更容易控制各中断流程。 一个完整的汇编应用程序由三个不同格式的文件所组成：头文件、汇编程序 文件和命令文件。 头文件用来定义系统用到的一些寄存器的映射地址，以及用户自行定义的一 些变量和寄存器。该文件的扩展名为h 。该文件只在程序编译的过程中使用，不 占用程序存储单元：另外，系统中没有用到的寄存器，不必在头文件中进行定义。 汇编语言+ 文件足完成用户功能的应用软件，是系统软件的主体部分，其扩展 名为a s m 。此部分文件编译以后存储在程序存储单元。在汇编语言文件的开头 要将所定义的楗关的头文件包含进来，这。部分，也是我们将在第五章中所要重 点介绍的部分。 系统配置文件又称命令文件，用来实现对程序存储空i j t l 数据存储空间的分 配，具体地讲是定义用户的 r 编程序存放在程序存储器。p 的位置，定义用户程序 第r 三章城轨牵引用稀士永磁无刷直流电机控制系统的总体方案 中自定义的变量在所使用数据存储器中的确定位置。系统配置文件的扩展名 为c m d 。 就控制系统来讲，软件的设计应该达到实时性、可靠性和可维护性的基本要 求。软件应该能够让控制器在一定的时间内，完成对输入信号的采样、计算逻辑 判断积分折，按照规定的控制算法进行数值计算，输出各种信号，以及对可能出 现的故障进行及时处理；软件设计过程中，应该充分考虑到系统运行过程中可能 出现的非正常情况，并且在出现故障时，也有一定的措施与对策，迅速恢复系统， 减小故障损失；一个完整的控制软件通常需要经过一个不断设计、调试、修改以 及完善的过程，最终才能很好地满足系统所需要的功能要求，因此，软件设计时， 要有一个很好的结构，以便程序的反复调试以及修改补充。 西北工业人学_ 颐j 学位论文 第四章控制系统硬件电路设计 对于一个控制系统来说，确定了控制方案以后，就要开始着手系统软、硬 件的设计。一般来讲，系统软、硬件的设计是相辅相成的，软件的设计是以硬件 为基础，硬件的设计也要考虑软件将来的工作，因此，一般是将软、硬件设计工 作穿插进行。本章主要介绍控制系统的硬件设计，控制系统的软件设计将在随后 的第五章中进行介绍。 4 1 数字信号处理器( d s p ) 目前，各种各样的控制系统、通信系统、网络设备、仪器仪表等等，都是以 微处理器为核心的。随着大规模集成电路技术的不断发展，微处理器的性能越来 越高、体积越来越小、系列越来越多。微处理器一方面由8 位向着1 6 位、3 2 位、 6 4 位发展，另一方面微处理器与外围设备集成到一块芯片上以单片机形式适应控 制器体积越来越小的工程要求。单片机不但小巧、成本低，而且由于将众多的设 备集成到了一块芯片上，带来了功耗d , l n 抗干扰能力强的优点。数字信号处理器 d s p ( d i g i t ms i g n a lp r o c e s s 0 0 是一款高性能的单片机，它将中央处理单元、控制 单元和外围设备集成到一块芯片上，它有别于普通的单片机，采用了多组总线技 术实现并行运行机制，从而极大地提高了运算速度，也提供了非常灵活的指令系 统。近年来，各种集成化单片d s p 的性能不断得以改进，相应的软件和开发工具 同臻完善，价格迅速下降，使得d s p 在控制领域的应用备受关注。 在d s p 中，德州仪器( t i ) 公司的产品及其配套技术与开发工具最有竞争力， 其中t m s 3 2 0 d s p 是它的代表系列。自从1 9 8 2 年t i 公司的t m s 3 2 0 系习 d s p 芯片的 第代处理器t m s 3 2 0 c 1 0 问世以来，t m s 3 2 0 系列已经成为d s p 市场的主流产品。 在t i 公司的系列产品中，t m s 3 2 0 c 1 x c 2 x c 5 x 系列d s p 芯片为1 6 位定点处理器， t m $ 3 2 0 c 3 x c 4 x c 8 x 为3 2 位浮点处理器。随着半导体技术的发展，芯片的制造 工艺不断的提高，d s p 的性能有了极大内提高，其执行指令速度已经达到了几百 m i p s ( 百万条指令数每秒) ，时钟的频率也山2 0 m i t z 发展到- f 2 0 0 m h z 。 第到章控制系统硬件电路设汁 4 1 1 数字信号处理器的特点 d s p 芯片有以下特点 ( 1 ) 哈佛结构 早期的微处理器，其片内程序空间和数据空间是合在一起的，取指令和取操 作数都是通过一条总线分时进行。当高速运算时，不但不能同时取指令和取操作 数，而且还会造成传输通道上的瓶颈现象。而d s p t 内部采用的是程序空间和数据 空间分开的哈佛( h a v a r d ) 结构，允许同时取指令( 来自程序存储器) 和取操作数( 来 自数据存储器) 。而且，还允许在程序空间和数据空间之间相互传送数据，即改 进的哈佛结构。 ( 2 ) 多总线结构 许多d s p 芯片内部都采用多总线结构，这样可以保证在一个机器周期内可以 多次访问程序空间和数据空间。对d s p 来说，内部总线是个十分重要的资源，总 线越多，可以完成的功能就越复杂。 ( 3 ) 流水线结构 d s p 执行条指令，需要通过取指、译码、取操作数和执行等几个阶段。在 d s p 中。采用流水线结构，在程序运行过程中这几个阶段是重叠的，也就是说在 执行本条指令的同时，还依次完成了后面3 条指令的取操作数、泽码和取指的操 作，将指令周期降低到最小值。利用这种流水线结构，加上执行重复操作，就能 保证数字信号处理器中用的最多的乘且累加运算可以在单个指令周期内完成。 ( 4 ) 多处理单元 d s p b q 部般都包括多个处理堆元，如算术逻辑运算单元( a l u ) ，辅助寄存 器运算单元( a r a u ) ，累加器( a c c ) 以及硬件乘法器( m u l ) 等，它们可以在一个指 令周期内同时进行运算。冈此，d s p 在进行连续的乘法运算时，每一次乘加运算 都足单周期。d s p 的这种多处理币元的结构，特别适用于f i r 干i l l l r 滤波器。 ( 5 ) 指令周期短，运算精度高，硬件配置强。 4 1 2t m s 3 2 0 f 2 4 xd s p t m s 3 2 0 f 2 4 xd s p 瞄f j 器，是t i 公- 刮专门针对i 乜机，逆变器，机器人，数控 机床等控制而设计的。它以c 2 x i 。p 1 6 b i t 定点d s p c p u 为内杉，眦胃j 完善n 勺外 6 西北工业大学硕士学位论空 围设备。它的单周期指令的时间仅为5 0 n 2 0 m i p s ) ，在空闲状态下有多种降低功 耗的方式。 t m s 3 2 0 f 2 4 0 的基本组成如下： 中央处理单元 有3 2 位中央算术逻辑单元( c a l u ) ，3 2 位累加器、1 6 x 1 6 位的乘法器、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 r a u ) 存储器 5 4 4 字片内双i s i 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 字片 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，程序存储器空问6 4 k ，数据存储器空间6 4 k ，i o 空间 6 4 k ，还有3 2 k 字全局存储器空间 - 程序控制 4 级流水线操作 8 级硬件堆栈 6 个外部中断 事件管理模块 3 个1 6 位通用定时器 3 个全比较p w m 单元 3 5 单比较p w m 单元 4 个捕获单元 2 个8 通道1 0 位a d 转换器 串行异步数字通信模块( s o ) 串行外漫接川模块( s e l ) 由看门狗和实时中断定时器组成的系统监视模块 一2 8 川4 独立编程的i o 引脚 t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 控制器非常方便电机控制，主要归功于它功能强大的片内 外发。 ( 1 ) 通用定时器 d s p 控制器的三个通用定时器部采用1 6 位的引算器，它们的数范围是0 到 第四章控制系统硬件电路设计 6 5 5 3 5 个脉冲。计数器可以由内部时钟经分频产生，也可以由外部引脚提供时钟。 计数方向可以是增计数也可以是减计数。定时器内部设有周期寄存器和比较寄存 器。定时器除了产生上溢、下溢事件外，当计数值与比较寄存器或者周期寄存器 的值相等时，还会产生周期匹配或者比较匹配两种事件，如果开启了比较输出功 能，这些事件还将引起输出引脚的电平变化。所以，d s p 控制器的通用定时器为 控制系统的各种应用提供了设计+ 上的便利。 ( 2 ) 比较单元与p w m 发生器 d s p 控制器内部有三个单比较单元和三个全比较单元。每个全比较单元有一 对关联的输出引脚c 缉p 删和c q “p w m y + ( y = 1 ，3 ，5 ) ，这是为桥式电 路设计的。一对输出引脚对应组桥臂，当上桥臂开启时，下桥臂关闭，反之亦 然。 ( 3 ) 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记录它发生的时 刻。普通的微处理器也能做到这一点，但是需要由c p u 完成判断和记录工作，占 用c p u 的资源。另外，对于二次问隔很短的跳变( 微秒级) 的捕获，普通的微处理 器就显得力不从心。d s p 的捕获单元不需要占用c p u 的资源，与c p u 并行工作， 它有二级先入先出堆栈缓冲器，对于二次问隔很短的跳变捕获也能得心应手。 ( 4 ) a d 转换模块 d s p 控制器的数模转换模块包括两个独立的模数转换器，每个转换器带有一 个内部的采样保持电路和一个i o 位双积分的转换器。每个转换器可以接8 路模拟 输入通道，每个模数转换器每次只能转换一个模拟通道的输入，但是两个独立 的模数转换器可以同时转换2 个模拟输入。 ( 5 ) s c i 串行通信接口模块 d s p 控制器的串行通信接口( s 0 1 ) 是一个标准的通用异步接收( u a r t ) 通信接 口。它的接收器和发送器都是双级缓冲的，有自己的使能和中断位，它们可以半 双工或者仝双 ：方式工作。为了保证数据的完整性，串行通信接口对接收的数据 进行间断检测、奇偶性、超时和帧错误检查，而且通信接口的波特率可高达 6 4 k b p s 。 f 6 ) s p i 串行外蹬接j 模块 西北工业大学硕 学位论文 为了使数字处理器系统微型化，d s p p q 部配置了与s p i 总线兼容的s p i 串行接 口模块。它只需要3 根引脚就可以与外部设备相接，实现两个设备之间的信息交 换。它与s c i 串行异步通信有相似的地方，也有不同的地方。相同之处在于它们 都是串行的交换信息，不同的是，s c i 是一种异步或( 准同步) 方式，而s p i 是真正 的同步方式。它的传输速率远远高于s c i 。 ( 7 ) 中断管理系统 d s p 控制器的中断由d s p 内核中断、事件管理器模块的中断、系统模块中断 组成。d s p p q 核中断包括：由i n t r 、n m i 、和t r a p 产生的软件中断以及来自复 位r s 、非屏蔽n m i 和可屏蔽i n t x 硬件中断：事件管理模块的中断包括：通用定 时器的周期中断、比较事件中断、上下溢出事件中断、单比较中断、全比较中断、 捕获中断、电源驱动保护中断；系统模块的中断包括：a d 转换中断、串行通信 接收和发送中断、串行外设接口中断、外部引脚x i n t x 产生的可屏蔽中断。 可以看出t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 控制器片内外设资源非常丰富，尤其是在电机控 制方面，能够满足多方面的需求，为系统的设计丌发带来了很大的便利。 与2 0 4 x 器件相比，2 4 0 x a 器件增加了以下新的特点： 4 0 m h z 的运行速度( 2 4 0 x