（控制科学与工程专业论文）基于dsp的无刷直流电机控制系统的设计与仿真研究.pdf

摘要 无刷直流电机具有结构简单、运行可靠、维护方便、动静态特性好等优点， 在工业上已得到越来越广泛的应用。随着工业控制对系统的精度、响应速度以 及稳定性能等要求越来越高，使得研究合理的控制算法变得至关重要。因此， 目前对无刷直流电机伺服系统的控制策略研究是一个热点。 传统的闭环控制大多采用的是经典的p i d 控制算法。对线性时不变的控制 对象来说，p i d 控制可以有很好的控制效果。然而，无刷直流电机是一个非线性、 强耦合性以及时变的系统，并且电机的参数会随着运行条件而发生改变。因此， 传统的p i d 控制器不适合更高精度的控制要求的场合。本文探讨了模糊控制应 用于无刷直流电机控制策略的方法，设计了基于d s p 的无刷直流电机控制系统， 并进行了仿真研究。 首先，介绍了无刷直流电机的结构、工作原理，数学模型以及控制方法。 经过比较，确立了以d s p 为核心的无刷直流电机控制系统方案。本控制系统的 主要优势在于利用数字信号处理器的高速运算功能，易于实现各种高效的控制 算法，达到无刷直流电机的高精度控制的目的。 其次，详细阐述了无刷直流电机控制系统的设计，包括系统的硬件和软件 设计。以t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片为控制核心，设计了无刷直流电机控制 电路、驱动电路、检测电路以及保护电路。本文还对控制系统软件进行了简单 介绍，包括主程序、中断子程序、速度环以及电流环算法，并绘制出了程序流 程图。 另外，针对p i d 控制对无刷直流电机控制性能不足的缺点，研究了模糊控 制与p i d 控制相结合的控制方法，提出了模糊自适应p i d 控制策略，设计并实 现了无刷直流电机的模糊自适应p i d 速度控制器。 最后，在m a t l a b s i m u l i n k 环境下，建立了无刷直流电机控制系统的仿真模 型，仿真结果表明本文提出的方案是可行的，同时验证了模糊自适应p i d 控制优 于传统的p i d 控制，前者具有响应速度更快、超调更小、稳定性更好的特点。 文章最后对全文进行了总结，并提出下一步工作的展望。 关键词：无刷直流电机，d s p ，模糊自适应p i d ，m a t l a b s i m u l i n k ，仿真 a b s t r a ct b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r ( b l d c m ) h a sg o o dc h a r a c t e r i s t i e so fs i m p l e s t r u c t u r e ，r e l i a b l eo p e r a t i o n ，e a s ym a i n t e n a n c ea n de x c e l l e n ts t a t i ca n dd y n a m i c b e h a v i o r , e t c s oi ti si n c r e a s i n g l yp l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei na l t e r n a t i n gc u r r e n t t r a n s m i s s i o ns y s t e m s i n c et h ed e m a n do ft h ec o n t r o lp r e c i s i o n ，r e s p o n s es p e e da n d s t a b i l i t yo ft h ei n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e mi sb e c o m i n gm o r eh i g h e ra n dh i g h e r t h e n ， t h ec o n t r o ls t r a t e g yo fb l d c ms e r v os y s t e mi sar e s e a r c hh o ts p o t t h em o s tc o m m o n l yc o n t r o ls t r a t e g yo ft h ec l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e mi sp i d c o n t r o l l e r i tc a ng e tab e t t e rp e r f o r m a n c ew h e nc o n t r o lo b j e c ti s1 i n e a ra n d t i m e i n v a r i a n ts y s t e m h o w e v e r , b l d c mi san o n l i n e a r , s t r o n g - c o u p l i n ga n d t i m e - v a r y i n gs y s t e m i na d d i t i o n , t h ep a r a m e t e r so ft h em o t o ro f t e nc h a n g ew i t ht h e d i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s s ot h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e ri sn o ts u i t a b l ef o r m o r ep r e c i s i o nr e q u i r e m e n ts i t u a t i o n t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ea p p l i c a t i o no ff u z z y c o n t r o ls t r a t e g y t h eb l d c mc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ef u z z y - p i dc o n t r o l l e ri s d e s i g n e da n ds i m u l a t i o ni sa l s op r e s e n t e di nt h ep a p e r f i r s t l y , t h eb a s i cs t r u c t u r e ，w o r k i n gp r i n c i p l e s ，m a t h e m a t i c a lm o d e la n dc o n t r o l p e r f o r m a n c eo fb l d c mi si n t r o d u c e d t h eb l d c me o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h e c o r eo ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ai sb u i l du p t h es y s t e mt a k e sa d v a n t a g eo ft h es u p e r i o r i t yo f l l i g h 。s p e e dd i g i t a lc o m p u t i n gp e r f o r m e db yd s p i ti se a s yf o ru st oc a r r yo u tm a n y e f f i c i e n tc o n t r o la l g o r i t h m s s ot h ea i mo fh i g h - a c c u r a c yc o n t r o lo fb l d c mc a nb e r e a l i z e d s e c o n d l y , t h es y s t e mi sd e s i g n e di nt w oa s p e c t s ( h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ) t h i s t h e s i sp u t se m p h a s i so nt h eh a r d w a r ei n t e g r a t e dd e s i g n ，i n c l u d i n gt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s pc o n t r o lc i r c u i t ，d r i v e rc i r c u i ta n ds o m ed e t e c t i n gc i r c u i t s t h eb r i e fi n t r o d u c t i o n o fc o n t r o l s y s t e m ss o f t w a r ei sg i v e ni nt h ep a p e r , i n c l u d i n gm a i np r o g r a m ， i n t e r r u p t i o np r o g r a m ，a l g o r i t h mo fs p e e dl o o pa n dc u r r e n tl o o p t h ef l o wc h a r to ft h e p r o g r a mi si l l u s t r a t e d t h i r d l y , i nv i e wo ft h ed i s a d v a n t a g eo ft h ef u z z yc o n t r o lt h a ti sd i f f i c u l tt o e l i m i n a t et h es t a t i ce r r o r , r e s e a r c h e sah y b r i dc o n t r o ls t r a t e g yo ff u z z yc o n t r o la n d p i dc o n t r 0 1 am e t h o do fs e l f - a d a p t i n gp a r a m e t e r sf o rp i dc o n t r o l l e rb a s e do nt h e f u z z ym a t h e m a t i c a li sp r o p o s e d f i n a l l y ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo fc o n t r o ls y s t e mu s i n gm a t l a b s i m u l n ki s p r o v i d e di nt h et h e s i s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ev a l i d i t yo ft h ep r o p o s e d s c h e m e a l s o ，i tv e r i f yt h a tt h ef u z z y - p i dc o n t r o l l e ri ss u p e r i o rt ot r a d i t i o n a lp i d c o n t r o l l e ra n dt h ef o r m e rh a sb e t t e rp e r f o r m a n c es u c ha sf a s tr e s p o n s es p e e d ，s m a l l o v e r s h o o ta n dg o o ds t a b i l i t y a tt h ee n do ft h e s i s ，as u m m a r yo ft h ef u l lt e x ta n dt h es u g g e s t i o no ft h ef u t u r e w o r ka r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r , d s p ，f u z z y - p i d ，k a t l a b s i i d u l i n k ， s i m u l a t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 通j 鳖 日期：坦丝型二2 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c ：琢惯导师( ： 三毛呷日期舢卅 ( 注：此页内容装订在论文扉页) 。 武汉理工大学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 一百多年以来，电机相关理论得到了充分的发展，1 8 2 9 年亨利根据法拉第 发现的电磁感应定律制造了世界上第一台应用于实际的直流电机【l 】【2 1 。对于传统 的直流电机来说，其工作时需要利用电刷和换相器来换相，但是电刷很容易磨 损甚至产生火花，因此降低了电机的可靠性。另一方面，传统直流电机的制造 成本高并且维修十分困难，从而大大的限制了它的应用范围。因此目前工业生 产中三相异步电机得到了广泛的应用。但一直有学者来研究，目的是想通过电 子换相来取代传统的机械换相。但是由于受到了大功率电力电子器件发展的限 制，直流电机的发展也受到了很大的阻碍。 针对传统直流电机的不足，美国科学家d h a r r i s o n 等人于1 9 5 5 年采用晶体 管换向电路来代替机械换相器换相，就此宣告了现代无刷直流电机的问世。根 据h a l l 元件来实现换相的直流无刷电机于1 9 6 2 年问世，这是无刷直流电机的发 展过程中重要的里程碑。2 0 世纪7 0 年代以来，电力电子技术的飞速发展与高性 能永磁材料的问世，许多高性能功率的开关器件m o s f e t 、i g b t 等的问世，都 为无刷直流电机的应用打下了坚实的基础【5 】。 无刷直流电机的特点是结构简单、运行可靠、维护方便。它又有传统直流 电机控制简单、调速性能好、功率密度高、输出转矩大等特点【2 】。因此，无刷直 流电机在工业机器人控制、数控设备、纺织、化工等工业控制领域得到了广泛 的应用。所以，对无刷直流电机及其控制方法进行系统、深入的研究有十分重 要的意义【5 1 。 1 2 国内外研究现状 目前，国内外的许多专家、学者在无刷直流电机的费了很多精力去研究无 刷直流电机及其控制，目的是为了研制高性能的无刷直流伺服电机的控制系统， 取得了很大的进步，但也还有很多需要有待深入研究的问题。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 电机本体设计 无刷直流电机的绕组结构的设计一般参考交流电机，无刷直流电机的参数 也是参照交流电机的公式计算出来的。这些计算公式是否需要修正，如何修正， 目前还没有结论。无刷直流电机转子永磁体的放置形式也可以多种多样，磁场 分布的实际情况又非常复杂，传统的等效磁路分析法有很多不足之处【6 】。 ( 2 ) 转矩脉动 无刷直流电机控制存在的难题之一是转矩脉动，转矩脉动限制了速度控制 精度和位置控制性能的进一步提升，比如在音响设备、电影机械中的无刷直流 电机，要求电机能够运行平稳、尽可能减小噪声，因此抑制甚至消除转矩脉动 成为提高系统性能的关键。转矩脉动分为：纹波转矩脉动、换流转矩脉动、齿 槽效应转矩脉动、枢反应产生而转矩脉动。其中纹波转矩脉动是因为在电机的 设计及其制造过程中，受精度及其他条件的限制会产生纹波转矩脉动【5 】。无刷直 流电机的电枢电流理论上为1 2 0 。的矩形波，这样无刷直流电机可以产生恒定的 转矩。但在实际换相过程中，绕组中的电感存在着储能作用，使得电枢电流在 实际运行中很难达到期望的矩形波。此外，由于电机定子的齿槽效应也会产生 齿槽效应转矩脉动。另外，电枢绕组流过的电流会产生的电枢反应磁势。这个 磁势造成电机内部气隙磁场的畸变，从而也会引起电枢反应产生而转矩脉动。 针对以上问题，有研究学者提出把转矩闭环控制的策略，比如d t c 控制策 略，来抑制转矩脉动，但这样会增加转矩检测的困难，提高系统的复杂程度。 此外，还有力矩反馈法等方法可以在一定程度上消除转矩脉动。但不能从根本 上消除转矩脉动，这一问题还有待于进一步的深入研究。 ( 3 ) 无位置传感器 近年来，无位置传感器由于具有成本低、可靠性高、系统维护方便、对环 境适应能力强等优点，使得无刷直流电机的无传感器控制研究与实践得到了越 来越多的关注。而在无传感器控制技术的关键之处在于速度和位置检测。目前 主要方法都是通过检测电枢电压、电流来进行转子位置的估计方法。与有位置 传感器检测法相比，无位置传感器系统省去了位置传感器，简化了电机结构， 有很好的控制效果。到目前较为成熟位置检测方法有反电动势检测法、电感检 测法等，其中反电动势检测法是无传感器系统中最常见和应用最广泛的一种方 法，也是目前为止比较实用的一种方法【5 】。 ( 4 ) 起动问题 对于无位置传感器无刷直流电机控制系统，起动问题是一个非常重要的问 2 武汉理工人学硕士学位论文 题。当采用反电势法时，电机静止时，由于电机反电势幅值与转子转速成正比， 反电动势信号为零，检测电路无法检测到准确转子位置信号，系统低速性能比 较差。目前应用于起动的常用方法有：随意位置起动法、查询起动法、特殊位 置开环起动法【5 】，更好起动方法还有待进一步的研究。 ( 5 ) 控制算法 无刷直流电机是一个具有非线性、多变量、强耦合的被控对割5 1 。对于这样 一个复杂的系统，没有精确的数学模型，传统的p i d 控制对这样一个控制对象 很难达到理想的控制效果。因为在无刷直流电机控制系统中，p i d 控制算法虽然 简单易用，但在无刷直流电机控制系统中很难发挥它的作用。 随着控制理论的发展，近年来出现了很多先进的控制方法，比如变结构控 制、智能控制等。这些先进控制理论的应用，大大提高了无刷直流电机控制系 统的动静态性能。变结构控制的最主要特点是：结构简单、响应速度快、对控 制对象参数变化依赖性不强。智能控制是近些年发展的一类新型控制策略，智 能控制的主要特点是它有自学习、组织、以及适应功能，能够解决控制对象的 数学模型不确定问题、非线性控制问题和其他一些比较复杂的问题。研究表明 对于无刷直流电机这个控制对象，利用智能控制可以取得较满意的控制效果。 模糊控制、专家系统、人工神经网络控制等是智能控制几种常见形式。 ( 6 ) 抗干扰问题 目前，e m c 在很多工业现场得到了越来越多的关注。电子技术和电力电子技 术中要特别注意e m c 。无刷直流电机控制系统包括机械和电路两大部分，对于这 样的系统，既要防止其对外界的抗干扰能力也要防止其对外界产生干扰和辐射 【5 1 。无刷直流电机控制器中包含强电驱动和弱电控制电路，特别是由于逆变器中 的开关管的开关频率都很高，高的调制频率很容易导致电路受到外部的电磁干 扰，随着电力电子设备本身功率容量和密度的不断增大，这个也会对电网产生 谐波及污染周围的电磁场。无刷直流电机的抗干扰措施进行研究很有必要。一 般的抗干扰措施有：强电驱动与弱电控制的完全隔离，考虑电路板中的布线， 减小电路板的电磁辐射【5 】。 ( 7 ) 电枢反应 和传统的直流电机相比，无刷直流电机的电枢反应有其自身的特点，但是 受到客观条件的限制，对电枢反应的具体影响只能通过磁场进行分析计算，到 目前为止还没有预测和估计电枢反应的通用计算公式。同时由前面叙述可知， 电枢反应会对转矩脉动也会产生一定得影响【6 】。 武汉理j r 大学硕士学位论文 1 3 本文研究的主要内容 本文工作主要内容安排如下： ( 1 ) 介绍无刷直流电机的基本结构、原理、数学模型及系统控制方法，通过 对等几种不同控制器的分析比较，确立了以d s p 为核心的无刷直流电机控制系 统方案。 ( 2 ) 从系统可靠性和实用性出发，以t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心，按 照模块化电路的设计思想，设计了基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的无刷直流电动机控制 系统。包括d s p 外围电路、驱动电路以及检测与保护等硬件电路。 ( 3 ) 阐述无刷直流电机控制系统软件的整体设计思想，对控制系统软件做了 简单的介绍。包括主程序、中断子程序及速度控制算法，并基于模块化的编程 思想绘制出了各个程序流程图。 ( 4 ) 介绍p i d 控制与模糊控制两种控制方法及各自的优势，设计一种模糊自 适应p i d 控制器，并且将其应用于本文所设计的无刷直流电机双闭环控制系统 中。 ( 5 ) 在分析无刷直流电机数学模型的基础上，在m a t l a b s i m u l i n k 环境 下对系统进行仿真研究。 4 武汉理工人学硕士学位论文 第2 章预备知识 2 1 无刷直流电机的结构与工作原理 无刷直流电机，又称为无机械电刷和换向器的直流电机( b r u s h l e s sd i r e c t c u r r e n tm o t o r ，简称b l d c m ) ，和传统有刷直流电机相比，省去了机械换向器和 电刷，通过电子换向来实现无刷运行【2 j 。 无刷直流电机的定子是电枢绕组，转子是永磁体。按转子的结构上可以分 为两种：面装式和内嵌式。面装式是将瓦状片的永磁体贴在转子外表上。内嵌 式是将永磁体内嵌到转子铁心中。无刷直流电机的基本结构如下图2 一l 所示。 + 电机本体 电子换向线路 i 一一一一一一一一一- j 图2 - 1 无刷直流电动机的结构图 无刷直流电机，从其基本结构而言，可以看做是一永磁电动机、电子开关 线路以及位置传感器组成的电机系统。其基本原理框图如下图2 2 所示： 控制与功率 d c 电源 永磁电动机 驱动电路 j i 位置传感器 图2 - 2 无刷直流电机基本原理框图 定子三相绕组的导通时间和顺序由无刷直流电机的控制与功率驱动电路来 武汉理- 人学硕士学位论文 决定。功率驱动单元是将直流侧的电源功率分配到无刷直流电机定子上的各相 绕组，使其通电后，这样电机才能够产生持续不断的转矩，它是控制电路的核 心部分。位置传感器主要用于电路换向的控制信掣1 1 。 一般来说，传统的直流电机的电枢在转子上，而产生固定的磁场的是电机 的定子。为了使电机运转起来，电枢绕组的电流的方向得到了不断地改变，使 得转子的电枢电流产生的磁场和定子固定的磁场相互正交，所有，只有在这种 情况下电机可以产生最大转矩【l 】。 2 2 无刷直流电机的数学模型 接下来以转子结构永磁面装式结构、三相无刷直流电机定子电枢绕组星形 接法、两相通电模式为例，分析无刷直流电机的数学模型。为了便于分析，现 作如下五个假设【3 7 - 3 8 1 ： ( 1 ) 电机定子的三相电枢绕组完全对称，结构上相差1 2 0 。电角度，参数相同； ( 2 ) 功率器件的导通和关断时间对系统性能无影响，功率器件的导通压降为 恒定值，并且当开关关断后的等效电阻为无穷大； ( 3 ) 忽略定子绕组的电枢反应对系统性能的影响； ( 4 ) 电机转子永磁体产生的气隙磁场的波形为梯形波，三相绕组反电势也为 梯形波，且波顶是1 2 0 。电角度宽度： ( 5 ) 电机内部气隙磁场均匀，磁路不会产生饱和现象，不考虑磁滞损耗。无 刷直流电机主电路拓扑如图2 3 所示。 图2 - 3 无刷直流电机主电路拓扑 6 武汉理下大学硕士学位论文 1 ) 无刷直流电机的电压方程可以用如下表示【3 9 】： “口 “6 “c 亿0 0 0 r 6 0 00r 。 + 三。三曲三。 l b dl bl b c l l c bl c + 巳 巳 ( 2 1 ) 厶，厶，t 为三相定子绕组的自感，单位为亨利( h ) ； 三口6 ，厶。，k ，k ，k ，厶为三相定子绕组之间的互感，单位为亨 称乞= 厶= l c = l 乙= 三船= k = 乞= 乞= 厶= m ，兄= r = 愿= r 。 三； = 享4 - oo i i a1 + 三三m 三m 三兰m p 兰 + 三； c 2 2 ， z = ( 巳乞+ 吃屯+ e j 。) w ( 2 3 ) 上式中w 为转子机械角速度( r a d s ) 。由上式可知，电磁转矩大小和反 电动势和电流成正比，即控制了电流就可以间接地控制转矩。若要产生恒定的 转矩，则首先要求反电动势为梯形波，定子电流为方波，由无刷直流电机的工 作原理可知，在任何时刻，定子只有两相绕组是导通的。所以电磁转矩的方程 又可表示为： z = k r 厶 ( 2 4 ) 其中：k 7 一电机转矩常数； l 一电机的转速。 7 武汉理工人学硕十学位论文 3 ) 电机的运动方程为： r , - 互- b w = ，警 其中，互为电机的负载转矩，单位为( n m ) ； 男为电机的阻力系数，单位为( n m s r a d ) ； ，为电机的转动惯量，单位为( k g r n 2 ) 。 4 ) 电机的反电动势可以表示为： 乞= k e w 其中，疋为电机的反电动势常数，单位为( v s r a d ) ； w 为电机的转速，单位为( r a d s ) ： 5 ) 电机的转速方程可以有以下公式来表达： w ：v - 2 u r - 2 r o 2 k 由上式可得出无刷直流电机的机械特性为： w ：u - 2 u r 一土 2 k ,k t k e e 6 ) 电机的调节特性曲线如图2 - 4 所示： w u lu 2u 3u 4u ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 图2 4 无刷直流电机调节特性曲线 从以上的调节特性图可以看出，无刷直流电机有很好的调速性能，可以通 过改变直流侧电源电压来使电机进行无级调速。由于电机的转子采用的是永磁 武汉理丁大学硕：t 学位论文 体，即不需要进行励磁调节而来控制电机速度。 2 。3 无刷直流电机的控制方案 2 3 1 开环控制 开环控制是系统接受到速度信号后，输出一定的p w m ，如果给定速度需要 变化，系统只需改变p w m 各个模块的占空比大小，从而改变电机电枢电压的大 小，最后用于控制电机的转速。开环控制结构图如图2 5 所示【4 1 1 。 一 p w m 驱动器 图2 5 无刷直流电机的开环控制系统框图 开环控制优点是：结构简单、控制方便、成本低；缺点是：系统的稳定性 差、精度不高。适用于精度不高的场合。 2 3 2 单闭环控制 单闭环控制方式即是转速闭环控制方式。反馈量是电机的转速，它由速度 给定，速度检测以及速度控制组成。给定转速值通过键盘输a n ，根据反馈的 实际转速刀厂，可以得到转速误差信号n p ，转速误差信号经过速度调节器后就输 出p w m 值，经过p w m 驱动器后就可以来驱动电机转起来，这样做可以实现速度的 实时反馈与调整。单闭环控制结构图如图2 - 6 所示。 图2 - 6 无刷直流电机的单闭环控制系统框图 单闭环控制优点是：结构比较简单、控制方便、转速响应好；缺点是：系 9 武汉理：r 大学硕士学位论文 统带负载后，转矩响应慢；一般控制场合可以采用单闭环来进行控制，若系统 对动态性能等要求很高的情况下，比如要求快速起制动，突加负载等。单闭环 系统就很难满足要求。这主要是由于在单闭环系统中不能很好地控制电流和转 矩的动态响应过程。即转速单闭环控制系统有一定的局限性，在只要求转速控 制的场合推荐使用。 2 3 3 双闭环控制 给定速度值n ，通过键盘设定，根据反馈的实际转速n 厂，就可以得到转速误 差信号n ，转速误差信号经过速度调节器后就可以作为电机的电流参考值， 同时，通过电流检测电路实时检测出定子绕组的电流值，两者的差值就为电 流误差信号，。最后根据转子位置检测电路计算的转子位置，经过电流调节器 后确定各个功率开关器件i r f 3 2 0 5 导通时间及占空比，再经过p 1 | m 驱动器后就 使得电机转动起来，最后再次对这些步骤进行循环。系统总体框图如图2 7 所示。 图2 7 无刷直流电机的转速电流双闭环控制系统框图 本系统采用的是转速电流双闭环控制，其中电流环为内环，转速环为外环。 双闭环控制系统的优点是：转速响应和转矩响应都很快、精度高、稳定性高； 缺点是：结构相对复杂、成本高。 2 4 本章小结 本章介绍了无刷直流电机的基本结构、工作原理、数学模型，然后经过比 较，确定了无刷直流电机控制系统采用转速电流双闭环的系统控制方案。 1 0 武汉理工人学硕十学位论文 第3 章系统的硬件设计 3 1 硬件系统总体设计 系统的硬件部分主要由主电路、控制电路和辅助电路等构成，其主电路部 分包括整流、滤波、逆变电路等。逆变电路是由功率开关管构成的三相桥式结 构。逆变电路对整流、滤波后的直流电压进行斩波，形成电压、频率可调的三 相交流电，供给无刷直流电机，这样无刷直流电机就开始运转起来。控制电路 以美国t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 a 1 9 】芯片为核心，构成全数字化控制系统，对系统 的控制与保护等负责，系统的控制参数和故障信息等保存在t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 a 的存 储器中。辅助电路由电源电路、驱动电路、检测与保护电路等组成。系统的硬 件框图如图3 - 1 所示。 图3 1 系统硬件结构框图 d s p 对三相绕组电流进行采样，同时通过位置传感器检测的位置并计算转 速，然后通过设计的控制算法，最后结果输出p w m 控制信号，经过驱动电路就 可以控制电机。同时d s p 还有监控系统运行状态的功能，当有故障发生时，d s p 将立即封锁p 1 】i m 输出信号，使电机停机，并且发出报警信号。无刷直流无刷电 机控制系统主要由如下部分组成： ( 1 ) 逆变主电路 ( 2 ) t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 a 控制单元 ( 3 ) 驱动电路 ( 4 ) 检测电路 ( 5 ) 保护电路 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 主电路设计 3 2 1 功率器件的选择 无刷直流电机和传统的直流电机的最大区别就在于前者是电子换向，而后 者是采用的是机械电刷换相。而功率开关器件是无刷直流电机实现换相的核心 部件，选择合适的功率开关器件在设计中显得非常的关键。 功率场效应晶体管( p o w e rm o s f e t ) 是一种单极型电压控制器件，具有速度 快、稳定性高等显著优点，因此p o w e rm o s f e t 在中小功率逆变电路中，非常适 合作为开关管，它得到了广泛的应用。本系统中采用控制的无刷直流电机为 1 8 0 w ，属于小功率电机的范畴。根据以上分析，本系统采用功率m o s f e t 作为功 率开关器件。 三相全桥逆变电路功率管需要承受的最大反向电压为电枢绕组的相电压， 即为2 4 * 3 = 4 2 v ，一般情况下考虑( 2 3 ) 倍的裕量，则功率开关管的额定电压 要为( 8 4 1 2 6 v ) 。电机的额定电流为7 5 a ，启动电流设计为两倍即1 5 a ，考虑( 2 3 ) 倍的裕量的情况下，选取额定电流为5 5 a 的功率管。根据以上分析。我们选择 i r 公司的i r f 3 2 0 5 c 4 3 】作为逆变电路中的功率开关器件，其中。= 1 1 0 9 ， r o s ( d ) = 0 0 8 q ，1 0 = 5 5 a 。 3 2 2 主逆变电路 无刷直流电机结构各种各样都有，并且分为三相、四相、五相绕组。驱动 电路又可以选择为半桥驱动和全桥驱动。全桥驱动中电机绕组又可分为星形和 三角形连接。不同的情况的组合会使电机产生不一样的控制性能，分析后主要 有以下几个方面的原因： 1 ) 转矩的脉动；无刷直流电机的转矩脉动比传统直流电机的大，所以设计 过程中一定得尽量减小转矩脉动，因为很多场合不允许电机有很大的转矩脉动， 这样会使系统产生抖动。全桥驱动电路比半桥驱动电路的转矩脉动小。相数越 多，转矩的脉动越小。 2 ) 绕组利用率；无刷直流电机的电枢绕组在实际运行过程中是断续供电的， 提高了绕组的利用率后，可使其等效电阻下降，最后可以提升了系统的效率。 从这个角度来考虑，全桥驱动比半桥驱动好，三相绕组比四相绕组利用率高， 同理，四相也比五相好。即相数越低利用率会越高。 1 2 武汉理工人学硕十学位论文 3 ) 成本；显然，全桥驱动电路所需的开关管的数量是半桥驱动的两倍，成 本会越高。电机绕组的相数越多，电机制造相应会成本越高。 由上分析可知，综合考虑的话，三相星形全桥驱动的综合性能指标最好， 应用最为广泛，本设计采用这种方式。主逆变电路如图3 2 所示： 图3 2 主逆变电路 上图中，巧到圪为i r f 3 2 0 5 功率m o s f e t ，d l 至d 6 为续流二极管，当开关管 从开通到断开时候，二极管起一个续流的作用。在三相星形绕组连接的状态下， 每次有两个m o s f e t 处于导通状态。开关管总共有八种状态，但只有六种状态是 有效的，控制电路通过位置传感器来检测电机的转子位置，控制单元根据当前 位置信息来输出p w m 波形。 3 3t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 a 控制单元 3 3 1 控制器的选择 控制器是无刷直流电机控制器的核心，选用控制器需要考虑的是控制器要 可靠，易于维护，可移植性强，效率高。 1 ) 专用芯片；目前，无刷直流电机专用控制芯片有很多种，比如摩托罗拉 公司的m c 3 3 0 3 5 ，这些芯片为专门的某种控制用途而进行设计的。从控制范围上 看受到了一定的限制。若电机结构等发生变化时就很难达到满意的控制效果。 2 ) 单片机【4 3 】；如今，在一般的自动控制系统中，单片机得到了广泛的应用。 单片机种类繁多，很多公司都有自己的产品，有着不同的应用背景，其中5 1 系 1 3 武汉理工人学硕十学位论文 列、a v r 、p i c 系列的最多。但单片机受到了本身速度的限制。对无刷直流电机 的控制上，特别是主逆变电路中，单片机输出p w m 的速度不够高，会产生很大 的转矩脉动，并且不适合做很复杂的算法，因为一般的算法里会涉及到浮点运 算。由于单片机的速度不够快，精度也会很难达到要求。 3 ) 数字信号处理器；数字信号处理器( d s p ) 采用了不同的内部结构。传统 的通用微处理器大多采用的是冯诺依曼结构( v o nn e u m a n na r c h i t e c t u r e ) ， 它片内的程序空间与数据空间共用一个公共的存储空间。为了提高速度，现代 d s p 芯片内部一般采用的是哈佛结构( h a r v a r da r c h i t e c t u r e ) 或改进的哈佛结 构。而哈佛结构最大特点是计算机具有独立的数据和程序存储空间【1 9 1 。这样允 许c p u 可以同时执行取指令和取数据，提高了数据吞吐率，进而提升了系统的 运算速度。流水线技术也可以帮助系统提高效率。硬件乘法器可以使得d s p 在 单周期内就可以完成取操作数，相乘并把结果放在累加器中。除此之外，特殊 的d s p 指令也会大大提高系统的性能，d s p 有着非常丰富的片内外设。利用d s p 来进行电机控制，可以减小系统的成本，另外，d s p 还有如下的优势： 1 ) 速度快；目前无刷直流电机控制中，绝大多数是p w m 控制技术，通常p 1 j | m 的频率设为5 - 2 0 k h z ，中小功率电机p w m 的开关频率为1 0 1 8 k h z 最为合适。由 上可知，高性能的控制算法必须要在5 0 一1 0 0 s 完成，一般单片机就很难满足此 类要求，d s p 就可以满足这些需求。 2 ) 存储容量大；许多d s p 内部f l a s h 存储空间在3 2 k b 以上，甚至达到1 2 8 k b 。 若还是不够的话，还可以进行外部扩展，多数d s p 都可以外扩存储器在仿真调 试的时候用。 3 ) 软件编程灵活；d s p 软件开发环境的功能越来越强，同时，c 语言和汇编 语言的混合编程也使得系统更加灵活，方便。目前有的d s p 软件，比如c c s 软 件还可以将数据以曲线的形式输出。 由此可见，数字信号处理器比较适合作为电机控制的中央控制单元。基于 以上分析，本设计中采用t i 公司用于电机控制的2 0 0 0 系列c p u ，其型号为 t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 a 【4 4 】。 3 3 2 控制板设计 由前面分析可知，系统采用的控制器是t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 ad s p 芯片1 9 1 。 下面介绍d s p 及其最小系统的外围接口电路。主控制板结构框图如图3 3 所示： 1 4 武汉理工人学硕士学位论文 l 曼 t m s 3 2 0 f 2 4 0 7x c 9 5 1 4 4 丁 人机交互 图3 - 3 主控制板结构框图 d s p 控制板主要由d s p 芯片、外扩存储器、j t a g 仿真调试接口和c p l d 译码 电路组成。下面介绍下外扩存储器电路，j t a g 仿真调试接口和c p l d 译码电路组 成。t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 a 内部存储容量有限，同时考虑到调试过程中可以将程序下载 到片外高速s r a m 中，系统进行了外部r a m 的扩展，系统选用两片i s 6 1 l v 6 4 1 6 1 1 ， 用于存储数据。在d s p 存储器的扩展中，需要注意的是存储芯片的数据读写速 度，因为d s p 的指令周期都很短，对于速度很慢的存储器需要插入很多等待周 期，以免d s p 对它的读写发生错误。 t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 ad s p 采用基于扫描( s c a n - b a s e d ) 的仿真，用于代码和硬件开 发支持。测试访问( t e s t - a c c e s s ) 端口提供串行扫描接口。基于扫描的仿真允许 仿真器控制目标系统中的处理器，并且无需使用连接至器件全部引脚的插入式 电缆。d s p 外部有两个存储器，并且为了更加方便地与其他外设进行通信和连接， 考虑到系统可能会加上些其他功能模块，系统采用x c 9 5 1 4 4 的c p l d 来对各个芯 片是否被选中工作进行控制，这款c p l d 的主要作用是实现芯片的译码片选工作， 对x c 9 5 1 4 4 的控制可以很方便地通过v h d l 语言来实现。通过c p l d 可以实现任 意引脚的配置，能够输出的信号也增加了很多，提升了系统的可扩展性。 3 4 驱动电路设计 由3 2 中的逆变主电路可知，整个系统的核心就是d s p 产生6 路p 1 】l m 波， 并且控制每个p w m 的脉冲宽度和导通时间，p w m 信号经过驱动电路来控制 m o s f e t ，由前面分析可知，选择的m o s f e t 是i r 公司的i r f 3 2 0 5 ，这是一款电压 型控制器件，其开通电压为1 2 - 1 5 v ，但d s p 输出的电压高电平为3 3 v ，不能满 武汉理工大学硕士学位论文 足驱动i r f 3 2 0 5 的要求。则需要设计一个电平转换电路来把d s p 的3 3 v 信号， 转化为1 5 v 信号，此时就考虑到用一个光电器件。由于p w m 频率为i o k ，则就需 要选择一个高速的光耦，一般高速光耦有h c p l 4 5 0 4 、p c 8 1 7 和东芝系列的t l p 2 5 0 。 我们选择了日本东芝公司的t l p 2 5 0 ，光耦t l p 2 5 0 是一种可直接驱动小功率 m o s f e t 和i g b t 的功率型光耦，由日本东芝公司生产，其最大驱动能力达1 5 a 。 选用t l p 2 5 0 光耦既保证了功率驱动电路与p w m 脉宽调制电路的可靠隔离，又具 备了直接驱动m o s f e t 的能力，使驱动电路特别简单。 其中，t l p 2 5 0 的电气特性如下【2 0 】： 1 ) 光耦输入端开通需要的电流为5 1 0 m a ，推荐典型值为8 m a ； 2 ) t l p 2 5 0 的供电电压为1 0 - 3 5 v ； 3 ) 光耦的开通时间最大为1 5 9 s ； 4 ) t l p 2 5 0 的最大输出电流1 5 a ； 三相逆变主电路中有六个m o s f e t 需要控制，可以分为三对开关管，三相逆 变电路示意图如图3 1 0 所示。 图3 1 0 三相逆变电路示意图 v l 与v 2 为一对管。v l 与v 2 两个不能同时导通，否则会出现电源与地直通 情况。六个m o s f e t 都需要控制。其中下桥臂的三个m o s f e t 可以共地。采用典 型的t l p 2 5 0 应用电路来实现m o s f e t 的驱动。电路图如图3 - 1 l 所示： 1 6 武汉理： 人学硕士学位论文 d 3i b l 5 8 1 9 | 1 l8v o i r r 、 n c1 9 i 0 c j 3 v 幽27= 一- - - c l i l n o d e轴 1 0 4 i c l l l i 2 2 1 ip w m 436p w m4 c t e o 睫轴 4 5 r l l 5 1 l亿ghd 图3 一l lf 桥臂的m o s f e t 驱动电路 电路参数选择：r 7 为光耦输入端的限流电阻，由于t l p 2 5 0