关 键 词：

基于 DSP 直流电机 电流 峰值 控制

资源描述：

收稿日期 2015 04 24 基金项目 国家自然科学基金资助项目 61273010 作者简介 边春元 1973 男 河南镇平人 东北大学副教授 第37卷第7期 2016 年 7 月 东北 大 学 学 报 自 然 科 学 版 37 7 2 0 1 6 10 3969 1005 3026 2016 07 002 基于 DSP 的无刷直流电机电流峰值控制 边春元 薛胜先 李世印 康淼淼 东北大学 信息科学与工程学院 辽宁 沈阳 110819 摘 要 针对大功率无刷直流电机电流方波实现问题 提出一种在 调制方式下的电流 峰值控制策略 详细说明了该策略的控制原理 并给出了具体实施方案 该策略通过对非换相相电流的直接控 制 提高了系统的反应速度 使得电机电流波形接近于理想方波 最终达到了减小电机转矩波动的目的 通过 仿真工具 搭建无刷直流电机仿真模型 实现电流峰值控制方式的仿真 基于 控制芯片 搭建无刷 直流电机电流峰值控制实验平台 仿真和实验结果显示 该控制策略不仅能实现方波控制 而且功率管开关频 率可控 关 键 词 无刷直流电机 方波 电流峰值控制 仿真 实验 中图分类号 301 2 文献标志码 文章编号 1005 3026 2016 07 0918 04 Current Peak Control of Brushless DC Motor Based on DsP BIAN Chun yuan XUE Sheng xian LI Shi yin KANG Miao miao 110819 岳 Abstract Key words 无刷直流电机具有运行效率高 启动转矩大 控制简单等优点 使其不仅调速方便 而且具有较 大的调速范围 1 目前已在许多领域得到了广泛 应用 2 3 近年来 方波驱动的无刷直流电机的研 究已经成为热点 4 6 但是对于大功率的无刷直 流电机 由于控制系统控制电流的实时性有限 所 以实现方波控制的效果都不太理想 文献 4 提 出了 调制方式 但其需要检测 绕组中的反电动势 所以控制系统比较复杂 而且 对 与 状态相互转换的时刻的检测不够 精确 文献 5 提出了电流换相补偿的控制策略 但其控制算法太过复杂 并且对转速检测精度要 求很高 文献 6 提出了电流滞环控制的策略 但 直接导致了功率管开关频率不可控 本文结合了 前人的研究成果 提出了电流峰值控制的策略 这 种策略不仅能实现近乎理想的方波 而且功率管 开关频率可控 1 无刷直流电机的数学模型 为了便于数学模型的建立和分析 7 8 忽略 电机铁心饱和与齿槽效应的影响 不计磁滞损耗 和涡流损耗 不计电枢反应 假设气隙磁场分布为 平顶宽度 120 电角度的梯形波 三相绕组完全对 称 逆变电路的功率管和续流二极管具有理想的 开关特性 无刷直流电机及其驱动等效电路如图 1 所示 图 1 无刷直流电机及其驱动等效电路 Fig 1 EquivaIent circuit of BLDCM and its driver 电机的数学模型可表述为 越 0 0 0 0 0 0 垣 0 0 0 0 0 0 垣 1 式中 分别为每相绕组的相电压 和 分别为电机每相绕组对应的等效电阻和等效电 感 和 分别为三相绕组中的反电 动势和流过的电流 为微分因子 电机的电磁转矩可表示为 越 垣 垣 2 霍尔位置传感器信号与相电流和反电动势对 应关系如图 2 所示 从图中可以看出 每相绕组有 120 电角度处于正电流导通状态 有 120 电角度 处于负电流导通状态 把每相绕组的正向电流和 负向电流平均分为 4 个区域 每 30 电角度为一 个区域 中间 60 电角度的区域定义为非换相相 电 流 以图2中 0 2区间为例 此时非换相相电 图 2 霍尔位置信号与相电流和反电动势对应关系 Fig 2 Corresponding reIations of HaII position signaI phase current and back EMF 流就是 相电流 在此期间内 如果电机处于非 换相状态 以在 0 1内为例 此时 越 越 0 越 将此代入式 2 可得 越 2 3 在 0 2时间段内与此类似 在此不再重复 叙述 如果电机处于换相状态 即图 2 中的 1时 刻 为了便于分析 假设换相期间内的反电动势都 保持不变 9 10 则在换相期间内 垣 垣 越 0 越 越 将此代入式 2 可得 越 2 4 由于反电动势与转速成正比 并且对于一台 电机而言其比值是固定的 因此电机的转矩只与 电机的非换相相电流成正比 所以 要想控制电机 的转矩 只需要控制非换相相电流即可 2 电流峰值控制原理及实现 2 1 PWM ON PWM 调制方式的实现 检测电机转子位置的霍尔位置传感器选用 6 个 分为两组 每组3 个 即图2 中所示的 和 每组内的 3 个传感器在空间上互差 120 电角度 而第一组的 相比于第二组 的 分别在空间上超前30 电角度 最终 这 6 个霍尔位置信号将 360 的电角度空间划分成了 12 组电平状态 每组电平状态对应 30 电角度 而 调制方式恰好是每 30 电角度 进行一次调制状态转换 这与霍尔位置信号电平 转换时间完全重合 因此可以通过检测霍尔位置 信号来确定此时的调制状态 观察图 2 中三相电流信号与第二组霍尔传感 器电平信号可以发现 非换相相电流的选择与第 二组传感器电平信号是一一对应的 对应关系如 表 1 所示 因此 可以运用一个多选一芯片将非换 相相电流选择出来 的电平信号作为选择 器的选通信号 表 1 霍尔信号与非换相相电流关系表 TabIe 1 HaII signaI and non commutation phase current reIation tabIe 霍尔信号 001101100110010011 非换相相电流 2 2 电流峰值控制原理 在 调制方式下 在同一时 刻 始终有一个功率管处于恒通状态 一个功率管 919第 7 期 边春元等 基于 的无刷直流电机电流峰值控制 处于斩波状态 对于斩波状态的功率管而言 其 占空比通过图 3 所示的方式获取 其中 为给定电流峰值 其值由转速环通过 调节后获 得 97 占空比的 波由主控芯片 给 出 其周期固定 图 3 电流峰值控制原理示意图 Fig 3 Schematic diagram of the current peak controI principIe 下面以图 3 中 0 2时间段来说明整个控制 过程 当 波处于高电平时 即图 3 中 0 1 区间内 非换相相电流的绝对值 会随时间的变 化逐渐上升 8 当其上升到给定电流峰值 时 即 1时刻 将 波封锁 并保持到此 周 期结束 即图 3 中 1 2区间 在此区间内 非换 相相电流通过二极管续流 在进入下一个 周期时 利用 波的上升沿将 波解封 波再次进入高电平区间 如此往复 由于 波在一个周期内只封锁和解封一次 而且 从 中输出的 97 占空比的 波周期是 固定的 因此 作用到斩波管上的 波周期也 是固定的 这样便实现了定周期的电流峰值控制 2 3 电流峰值控制软硬件实现 图 4 所示为电流峰值控制框图 首先 速度调 节器根据速度给定 和速度反馈 通过 调 节得出电流给定 此过程在 中实现 得出的数字信号经过 芯片转化成模拟信号 给到比较器的正输入端 其次 选择器根据 三路码盘信号选择非换相相电流 再经过绝对 值电路变成正电压信号 此正电压信号为电流反 馈 把电流反馈 给到比较器的负输入端 当电 流给定 大于电流反馈 时 比较器输出高电 平 当电流给定 小于电流反馈 时 比较器输 出低电平 最后 将比较器输出的电平信号和 产生的97 占空比 波通过逻辑控制单元进 行逻辑 与 操作 就得出了最终电机运行时所需 要的 波 波发生器根据逻辑控制单元 得出的 波和位置传感器检测到的转子位置 产生无刷直流电机所需要的驱动波形 使电机能 够稳定运行 图 4 电流峰值控制框图 Fig 4 BIock diagram of the current peak controI 3 仿真和实验验证 运用 仿真软件搭建无刷直流电机电 流峰值控制系统 系统中电机参数为 额定功率 越25 定子的相电阻 越 7 5 定子的相 电感 越 0 06 极 对 数 为 4 母 线 电 压 越320 相反电动势系数 越0 28 1 开关频率为 15 给定负载转矩为 79 6 图 5 给出了采用传统双闭环控制和采用电流峰值 控制方式的仿真电流波形 图 6 为 实 验 平 台 控 制 器 以 公 司 的 28335 为主控芯片 以 公司的 芯片为逻辑控制芯片 实验所用电机参数与上述 仿真所用电机参数一致 图 7 为在基于数字信号处理器 28335 的无刷直流电机实验平台上测得的相电流波形 从图中可以看出 相比于传统双闭环控制 用电 流峰值控制时 电机的相电流波形接近于理想方 波 029东北大学学报 自然科学版 第 37 卷 图 5 仿真电流波形 Fig 5 SimuIation current waveform 传统双闭环 电流峰值控制 图 6 实验平台 Fig 6 ExperimentaI pIatform 图 7 实验电流波形 Fig 7 The experiment current waveform 传统双闭环 电流峰值控制 4 结 语 本文针对大功率无刷直流电机电流方波实现 问题提出一种控制策略 分析其工作原理并给出 了具体实现硬件电路设计方案 通过仿真验证了 这种策略的优越性 并通过实验验证了理论分析 的正确性 对大功率无刷直流电机的推广应用具 有重要意义 参考文献 1 2007 21 3 255 257 2 2008 36 2 161 168 3 2005 54 3 809 816 4 2006 1 2 194 198 5 孟光伟 李槐树 熊浩 调制下无刷直流电机的转矩 脉动抑制 电气传动 2011 41 1 26 30 2011 41 1 26 30 6 李珍国 章松发 周生海 等 考虑转矩脉动最小化的无刷 直流电机直接转矩控制系统 电工技术学报 2014 29 1 139 146 2014 29 1 139 146 7 1989 25 2 265 273 8 2014 50 6 3744 3753 9 1993 8 2 231 236 10 7 2000 217 220 129第 7 期 边春元等 基于 的无刷直流电机电流峰值控制

内容简介：

-