直流电机控制系统研究.doc

精品直流电机控制系统研究摘要无刷直流电动机是集材料科学、电力电子技术、微电子技术和电机理论等多学科为一体的机电一体化产品，在诸多领域有着广阔的应用前景。随着大功率开关器件集成电路及高性能的磁性材料的进步，采用电子换向原理工作的无刷直流电机取得了长足的发展。无刷直流电机既有直流电机的结构简单，运行可靠，维护方便的一系列优点。又具备交流电机运行效率高，无励磁损耗及调速性能好等诸多优点，在当今国民经济的各个领域里的应用日益普及。通常我们靠霍尔元件来得到转子的位置，然而传感器有一些缺点，比如增加了成本占空间，附加了传感器电路对温度不稳定，除此之外，它不能用于在一些恶劣的环境中。由于无位置传感器技术能解决上述问题，因此吸引了各国科研工作者研究的兴趣。我们用美国TI公司专门为电机的数字化控制设计的16位定点DSP控制器TMS320X240作为微控制器。它集DSP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于一体，可以为高性能传动控制提供可靠高效的信号处理与控制硬件。关键词：无刷直流电机,控制系统，DSP, TMS320F240目 录1绪论 11.1 选题的目的和意义 11.2 永磁无刷直流电机的国内外研究概况 21.3 直流无刷电机控制方法 31.4 本课题主要研究内容 42 无刷直流电机 52.1 无刷直流电动机的基本组成 52.1.1 电机本体 62.1.2 位置传感器 62.1.3 电子换向线路 72.2 直流无刷电机的工作原理 72.3 永磁无刷直流电机特点 102.4 直流无刷电机与其它电机的比较 133 基于DSP的控制系统设计原理 143.1 无刷直流电机的DSP控制系统 143.2 无刷直流电机调速系统 143.2.1 普通方式PWM信号的产生 143.2.2 PWM信号的分配和系统的四象限运行 163.3 TMS320F240 简介 183.3.1 TMS320F240 的体系结构 183.3.2 中央处理器CPU 193.3.3 事件管理器（Event manager） 203.3.4 片内外设 213.3.5 TMS320F240 与其他微处理器的性能比较 223.3.6 事件管理模块的中断系统 223.4 基于DSP的无刷直流电动机控制解决方案 233.4.1 有位置传感器的无刷直流电动机控制方案 243.4.2 无位置传感器的无刷直流电动机控制方案 274 控制系统的硬件电路设计 304.1 系统概述 304.2 以DSP芯片TMS320F240为核心的控制单元 314.2.1 TMS320F240性能简介 314.2.2 IGBT模块以及驱动单元 314.3 主回路散热设计 334.4 电流检测电路的设计 334.5 转速给定电路 354.6 轴角编码检测单元 364.7 主电源、驱动及控制电源回路 364.7.1 主电源设计 364.7.2驱动以及控制电源设计 374.8 故障检测和保护环节 384.9 电机姿态显示 394.9.1 232通讯接口 394.9.2 CAN总线接口 405 总结 41致 谢 43参考文献 441绪论1.1 选题的目的和意义永磁无刷直流电机是一种电子电动机。随着电力电子技术的发展，许多新型的高性能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT等相继出现以及高性能永磁材料，如稀土永磁材料的问世，为无刷直流电动机的广泛应用奠定的基础, 它由直流电源经过逆变器、位置检测装置向电动机供电，因而既保持了直流电机的优良特性，又改善了有刷直流电机效率低、耗电多、噪音大、维护困难、使用寿命短等运行状况。电机系统属环保节能型产品，是国家产业政策支持的高新技术项目，正处在产品成长期，具有广阔的市场前景。无刷永磁直流电机正在以其特有的优势不断蓬勃发展。直流无刷电动机有着很多其它电动机无可比拟的优点使得它在很多领域得到了很广泛的应用。1直流无刷电动机在家用电器中的应用。在空调器行业，永磁直流无刷电动机的应用已成为衡量空调技术水准的重要指标之一。目前，变频空调技术已从异步电机变频控制发展到无刷电动机的变转速控制，即市场上宣传的“直流变频空调”，其压缩机电机和室内、室外风机都采用永磁直流无刷电动机，与采用异步电机的交流变频空调相比，直流变转速空调具有起动功率大、高效节能，抗电压波动能力强等优点。目前直流变转速空调电控系统的技术难点主要包括:压缩机控制系统的换相转矩脉动抑制技术，无位置传感器控制技术，高效率低噪音的室内外风机驱动系统。变频洗衣机是近年来进入居民家庭消费的又一热门产品。目前应用于变频洗衣机的电机类型主要有三相异步电动机，开关磁阻电动机和直流无刷电动机三大类。永磁直流无刷电动机直接驱动洗衣机具有机械传动结构简单、高效节能、洗涤脱水运行噪音低等一系列优点，代表了未来的发展趋势。2直流无刷电动机在计算机外设和办公自动化设备中的应用。3直流无刷电动机在工业中的应用。4直流无刷电动机在汽车、摩托车、自行车等交通工具中的应用。5直流无刷电动机在其他领域中的应用。综上所述，由于永磁直流无刷电动机具有效率高、功率密度大、转动惯量小、调速性能好等一系列优点，己经在工业、交通、航空航天、军工、伺服控制领域以及家用电器领域得到广泛应用，虽然我国和国外在电机制造技术方面的差距不大，但是控制系统的研究和开发却需要加大力度。从另外一个角度来讲，我国的稀土资源特别丰富，占世界总储量的75%，发展永磁直流无刷电动机产业对发展我国的经济有特殊的意义。由于直流无刷电动机固有的特点，常规的控制方法必须有位置传感器，这带来了种种限制。因此，研究无位置传感器直流无刷电动机调速系统也很有必要。1.2 永磁无刷直流电机的国内外研究概况20世纪七十年代以来，随着电力半导体工业的飞速发展，许多新型的全控型半导体功率器件如GTR、MOSFET、IGBT等相继问世，加上新型高磁能积永磁材料陆续出现均为无刷直流电动机的广泛应用奠定了坚实的基础，随着电机本体及其相关技术的迅速发展，新型电机不断涌现。“无刷直流电动机”的概念己由最初“特指”具有特定电子换向的直流电动机发展到“泛指”一切具备有刷直流电动机外部特性且没有电刷的永磁直流电动机。无刷直流电动机系统按其绕组反电势BEMF的波形和电流的波形可分为两大类:方波无刷直流电动机和正弦波无刷直流电动机。由于可以获得更好的节能效果和节省材料，目前日本90%以上的空调器采用永磁无刷直流电机替代异步电机变频调速，我国空调制造厂也开始采用永磁无刷直流电机。对于今后永磁无刷直流电机的发展，会上也有专业人士表示，为了尽可能提高效率，永磁无刷直流电机永磁体采用烧结钕铁硼。我国具有丰富的钕铁硼永磁材料资源，有数据表明，2005年全球钕铁硼永磁材料产量将达到2.3万吨，我国生产1.4万吨，预计2010年全球产量可达到9万吨，我国将生产5万吨。此外，我国永磁无刷直流电机领域近几年还出现了专门用于电机控制的高性能、低价位的数字信号处理器DSP，集成电路和计算机技术快速发展，这为永磁无刷直流电机应用提供了坚实的基础。因此，空调、洗衣机、电冰箱等家电将可能越来越多采用永磁无刷直流电机。专家们同时也指出，由于我国使用的精密永磁交流伺服驱动控制系统绝大部分依赖进口，据不完全统计，每年进口费用需2亿美元左右，这已经阻碍了永磁无刷直流电机在我国的应用发展，永磁无刷直流电机要想普及亟待解决的问题并不少，还无法很快替代现有产品。自上世纪末起，逐渐形成BLDCM的研究热潮，针对其存在转矩波动的问题，各国纷纷推出了自己最新科研成果。其中美国的专家研制出一种新型的BLDCM,其转子跟普通的BLDCM一样，而其定子却和普通的有刷直流机的转子极为相似，并能以转子位置传感器及逻辑开关电路，使定子绕组依次换向。其优点为大大减少了转矩波动，可在较大范围内自然换向，充分提高了电机体积的利用率。此外还有人利用定子电流谐波的最优权重的设计方法，通过电流调节器等装置有效减少了电磁转矩及齿槽引起的转矩波动。英国研究人员研制成功了无齿槽的BLDCM,其主要作用也是减少转矩波动，提高电机效率。针对位里传感器的改善，美国人最近研制出一种混合观测装，通过固定于定子上的霍尔元件获得信号监测转子位置。以此代替价格不菲的光学编码器，大大降低了电机成本，且提高了监测精度，可谓物美价廉。另外，台湾的研究人员通过智能换向调节装置实现了无位置传感器的控制。其主要原理是:监测电机端电压，通过开关信号发生器对换向位置作粗略估计，然后给出最佳转矩产生特性，通过智能自调系统对换向瞬间进行微调。1.3 直流无刷电机控制方法目前，直流无刷电机的控制有带位置传感器、无位置传感器以及智能控制三种。一、带位置传感器控制带位置传感器控制是在直流无刷电动机定子上安装位置传感器来检测转子位置而控制定子绕组换向。所用的位置传感器有电磁式(如磁阻旋转变压器)、光电式(如遮光板)、磁敏式(如霍尔传感器)等，其中霍尔传感器使用最为广泛。二、无位置传感器控制无位置传感器的直流无刷电动机控制法，不直接在直流无刷电动机的定子上安装位置传感器来检测转子位置。它一般采用直接反电势检测、反电势三次谐波法、电流通路监视法、开路相电压检测法、相电感法、反电势逻辑电平积分比较法等方法来间接检测转子的位置。三、智能控制智能控制是控制理论发展的高级阶段，一般包括模糊控制、神经网络控制、专家系统等。智能控制系统具有自学习、自适应、自组织等功能，能够解决模型不确定性问题、非线性控制问题以及其它较复杂的问题。严格来说，BLDCM是一个多变量、非线性、强耦合的对象，因此利用智能控制可以取得较满意的控制结果。目前，已有许多较为成熟的智能控制方法应用于直流无刷电动机控制，例如:模糊控制和PID控制相结合的Fuzzy-PID控制、模糊控制和神经网络相结合的复合控制、隶属度参数经遗传算法优化的模糊控制、单神经元自适应控制等。1.4 本课题主要研究内容本论文以永磁无刷直流电动机的原理、结构为理论墓础，研究永磁无刷电机的系统结构、控制规律，接着分别提出了基于DSP技术的有位置传感器和无位置传感器控制方案。根据方案进行了硬件电路设计，以DSP芯片TMS320F240为核心的控制单元，研究了无刷直流电机调速系统，IGBT模块以及驱动单元，相电压及电流检测单元，速度给定环节，轴角编码检测单元，主电源、驱动及控制电源回路，故障检测和保护环节，电机姿态显示单元分别进行了阐述。特别是直流无刷电机的原理、控制方案以及以IGBT模块的具体应用。5 总结本论文以永磁无刷直流电动机的原理、结构为理论墓础，研究永磁无刷电机的系统结构、控制规律，接着分别提出了基于DSP技术的有位置传感器和无位置传感器控制方案。根据方案进行了硬件电路设计，以DSP芯片TMS320F240为核心的控制单元，IGBT模块以及驱动单元，相电压及电流检测单元，速度给定环节，轴角编码检测单元，主电源、驱动及控制电源回路，故障检测和保护环节，电机姿态显示单元分别进行了阐述。特别是以IGBT模块的具体应用以及相电压、电流检测方法，本章进行了详细的叙述，并对硬件设计过程中的注意事项也做了较为详细的描述。通过研究得出以下结论:(1)通过本文的分析可以看出，采用dsp技术的永磁无刷电动机的电力推进系统可高效率地提供对象运动的所有必须方式：启动、运行、反向、全速度范围的平滑调节、制动。(2)本文所述的智能功率模块，作为主回路逆变器的开关器件采用IPM模块大大简化了主回路的设计，同时也方便了与DSP芯片的信号接口，提高系统的电磁兼容性。目前，IPM模块还只是应用于中小功率场合，大功率场合的产品也在逐步推出，但是对于本系统的设计来说，IPM模块已经完全满足要求。(3)对于无刷电机的有位置传感器控制，关键是对于