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编号 20 JX15 安徽工程大学本科安徽工程大学本科 毕业设计 论文 毕业设计 论文 专专 业 业 自动化自动化 题题 目 目 基于基于 DSPDSP 的无刷直流电的无刷直流电 机控制系统设计机控制系统设计 作作 者者 姓姓 名名 刘苏扬刘苏扬 导导师师及及职职称称 陆陆华华才才 副副教教授授 导师所在单位 导师所在单位 安徽工程大学安徽工程大学 年年 月月 日日 安徽工程大学安徽工程大学 本科毕业设计 论文 任务书本科毕业设计 论文 任务书 届届 电气工程电气工程 学院学院 自动化自动化 专业专业 学生姓名 学生姓名 毕业设计 论文 题目毕业设计 论文 题目 中文 中文 基于基于 DSPDSP 的无刷直流电机控制系统设计的无刷直流电机控制系统设计 英文 英文 Design of BLDC Motor Control System Based on DSP 原始资料原始资料 1 龙驹 永磁无刷直流电动机转速控制系统的优化设计 M 成都 西南交通大学出版 社 2006 2 殷云华 郑宾 一种基于 Matlab 的无刷直流电机控制系统建模仿真方法 J 系统仿 真学报 2008 20 2 293 298 6 MuraiY KawaseY OhashiK Torque Ripple Improvement for Brushless DC Miniature Motors J IEEE Trans on Ind Appli 1989 25 3 441 449 毕业设计 论文 任务内容毕业设计 论文 任务内容 1 课题研究的意义 2 本课题研究的主要内容 3 提交的成果 1 毕业设计 论文 正文 2 3 至少一篇引用的外文文献及其译文 4 附不少于 10 篇主要参考文献的题录及摘要 指导教师 签字 教研室主任 签字 批 准 日 期 接 受 任 务 书 日 期 完 成 日 期 接受任务书学生 签字 安徽工程大学毕业设计 论文 I 基于基于 DSP 的无刷直流电机控制系统设计的无刷直流电机控制系统设计 摘摘 要要 随着计算机技术和现代控制 关键词关键词 数字信号处理器 刘苏扬 基于 DSP 的无刷直流电机控制系统设计 II Design of BLDC Motor Control System Based on DSP ABSTRACT With The end is modeling and simulation research of control system In Matlab Simulink environment the isolated functional blocks including BLDC general block including BLDCM block torque computation block rotation speed computation block Current hysteresis control block Speed control block rotor position computation block voltage s brushless DC motor control system that this paper proposes is analyzed and emulated proves that it is feasible The brushless DC motor control system reaches demand Key words Brus l Digital Signal Processor 安徽工程大学毕业设计 论文 III 目目 录录 摘 要 IV ABSTRACT V 目目 录录 VI 插图清单插图清单 VIII 引引 言言 1 第第 1 章章 绪论绪论 2 1 1 课题研究背景及意义 2 1 2 无刷直流电机控制技术的发展 2 1 3 本课题主要研究内容 4 第第 2 章章 无刷直流电机的工作原理无刷直流电机的工作原理 5 2 1 无刷直流电机的基本结构 5 2 1 1 电动机本体 5 2 1 2 转子位置检测器 6 2 1 3 驱动控制电路 7 2 2 无刷直流电机的控制原理 7 2 3 无刷直流电机的数学模型 9 2 3 1 电压方程 10 2 3 2 转矩方程 10 2 3 3 运动方程 11 2 3 4 状态方程和等效电路 11 第第 3 章章 基于基于 DSP 的无刷直流电机系统控制方案设计的无刷直流电机系统控制方案设计 12 3 1 控制系统总体方案设计 12 3 2 控制结构 12 3 3 控制芯片 13 3 3 1 控制芯片的选择 13 3 3 2 TMS320LF2407A 控制器介绍 14 3 4 控制技术 15 3 4 1 调速原理 15 3 4 2 PWM 调制方式 15 3 4 3 PWM 波的产生 16 3 5 控制策略 18 3 5 1 PID 控制原理 18 3 5 2 数字 PID 控制算法 19 3 6 转子位置直接检测方法 20 3 7 速度和电流的检测方案 21 3 7 1 速度的检测 21 3 7 2 速度的计算 22 3 7 3 电流的检测 23 第第 4 章章 无刷直流电机的控制系统建模和仿真无刷直流电机的控制系统建模和仿真 24 4 1 无刷直流电机控制系统模型的建立 24 4 1 1 无刷直流电机总体模块 25 4 1 3 电流滞环控制模块 28 刘苏扬 基于 DSP 的无刷直流电机控制系统设计 IV 4 1 4 参考电流模块 28 4 1 5 位置计算模块 29 4 1 6 电压逆变器模块 30 4 2 仿真结果与分析 30 结束语结束语 35 致谢致谢 36 参考文献参考文献 37 附录附录 A 外文文献与译文外文文献与译文 39 A 1 英文原文英文原文 39 A 2 译文译文 42 附录附录 B 文献题录与摘要文献题录与摘要 44 安徽工程大学毕业设计 论文 V 插图清单插图清单 图 2 1 无刷直流电动机的构成 5 图 2 2 BLDC 三相全控电路原理图 8 图 2 3 开关顺序及定子磁场旋转示意图 9 图 2 4 无刷直流电机等效电路图 11 图 3 1 系统总体框图 12 图 3 2 无刷直流电流电机双闭环控制系统 13 图 3 3 全桥 PWM 调制 16 图 3 4 半桥 PWM 调制 16 图 3 5 对称 PWM 波产生原理图 17 图 3 6 低电平有效时加入死区的对称 PWM 波形 18 图 3 7 常规 PID 控制系统原理图 19 图 3 8 脉冲编码器输出波形 22 图 4 2 Matlab 中 BLDC 仿真建模整体控制框图 25 图 4 3 无数按直流电机总体模块结构图及封装 25 图 4 4 BLDCM 本体模块结构图及封装 26 图 4 5 转矩计算模块及封装 27 图 4 6 转速计算模块结构框图及封装 27 图 4 7 速度控制模块及封装 28 图 4 8 电流滞环控制模块结构框图及封装 28 图 4 9 参考电流模块结构框图及封装 29 图 4 10 电压逆变器模块结构框图及封装 30 图 4 11 相电流 Ia Ib Ic 波形 32 图 4 12 相电动势 Ea Eb Ec 波形 33 图 4 13 转速响应曲线 34 图 4 14 转矩响应曲线 34 安徽工程大学毕业设计 论文 1 引引 言言 无刷 究 刘苏扬 基于 DSP 的无刷直流电机控制系统设计 2 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 课题研究背景及意义 用国外成熟的系统 所以 基于 DSP 的无刷直流电机控制系统的研究具有重要的 现实意义和广阔的发展前景 1 2 无刷直流电机控制技术的发展 表的控制策略 实现全数字化 智能化是未来无刷直流电机控制的重要发展方向 1 31 3 本课题主要研究内容 link 的无刷直流电动机双闭环控制系统的仿真模型 并对给定电机模型进行仿真 给出仿真波形 安徽工程大学毕业设计 论文 3 第第 2 2 章章 无刷直流电机的工作原理无刷直流电机的工作原理 无刷直流电机实际属于永磁同步电机 一般转子为永磁材料 随定子磁场同步转 动 这种电机结构简单 而且由于移去了物理电刷 使得电磁性能可靠 维护简单 从而被广泛 这一系列 DSP 的典型应用之一 2 1 无刷直流电机的基本结构 图 2 1 无刷直流电动机的构成 2 1 1 电动机本体 电机 2 1 2 转子位置检测器 实现定子绕组的换流 完成对电动机的驱动 电动机就会连续的运转起来 2 2 无刷直流电机的控制原理 一般的直流电机由于电刷的换相 使得由永久磁钢产生的磁场与电枢绕组通电后 产生的磁 刘苏扬 基于 DSP 的无刷直流电机控制系统设计 4 功功率率驱驱动动 DSP VT1 VT3 VT5 VT2 VT4VT6 三三相相交交流流电电 BLDC VD1 VD2 VD4 VD3 VD5 VD6 图 2 2 BLDC 三相全控电路原理图 想的电动势和电流波形 A S N A N S A S N A S N a b c d 图 2 3 开关顺序及定子磁场旋转示意图 表 2 1 表示三相逆变器的开关顺序 安徽工程大学毕业设计 论文 5 表 2 1 功率管导通与状态位置关系 功率管 状态 123456 VT1110000 VT2000110 VT3001100 VT4100001 VT5000011 VT6011000 2 3 无刷直流电机的数学模型 近似梯形波 平顶宽度为 120 电角度 5 转子上没有阻尼绕组 永磁体不起阻尼作用 2 3 1 电压方程 由电机电压平衡方程组 di URiLE dt 2 1 BLDC 三相定子电压的平衡方程可以用以下的状态方程表示 00 00 00 aaaaabacaa bbbbabbcbb ccccacbccc uRRLLLie uRRLLLP ie uRRLLLie 2 2 式中 ua ub uc 为三相定子电压 V ea eb ec 为三相定子的反电动势 V ia ib ic 为三相定子相电流 A 中点电压方程为 刘苏扬 基于 DSP 的无刷直流电机控制系统设计 6 0 33 abcabc uuueee U 2 4 2 3 2 转矩方程 BLDC 的电磁转矩方程可表示为 a ab bc c e e ie ie i T 2 5 其中 为 BLDC 的角速度 rad s 由 2 4 式可看出 无刷直流电动机的电磁 转矩方程与普通直流电动机相似 其电磁转矩大小与磁通和电流幅值成正比 所以控 制逆变器输出方波电流的幅值即可控制无刷直流电动机的转矩 为产生恒定的电磁转 矩 要求定子电流为方波 反电动势为梯形波 且在每半个周期内 方波电流的持续 时间为 120 电角度 梯形波反电动势的平顶部分也为 120 电角度 两者应严格同步 由于在任何时刻 定子只有两相导通 则 电磁功率可表示为 ea ab bc css Pe ie ie iE I 2 6 电磁转矩又可表示为 2 eess TPE I 2 7 BLDC 的运动方程可表示为 eL d TTBJ dt 2 8 其中 B 为阻尼系数 N m s rad J 为电机的转动惯量 kg m2 TL 为负载转矩 N m 2 3 3 运动方程 2 10 由 BLDC 的电压方程 可以将其等效地表示为图 2 4 所示的等效电路 BLDC 的每 相绕组由定子绕组电阻 R 电感 L M 及一个反电动势 e 串联构成 图 2 4 无刷直流电机等效电路图 安徽工程大学毕业设计 论文 7 第第 3 3 章章 基于基于 DSPDSP 的无刷直流电机系统控制方案设计的无刷直流电机系统控制方案设计 3 1 控制系统总体方案设计 图 3 1 系统总体框图 系统的核心是 DSP 主控电路模块 该模块主要负责产生电机驱动波形 与显示控 制电路通信 处理由电流检测电路和转子位置检测电路送来的反馈信号并控制电机的 运动状器产生的信号送入 DSP 来确定电机转子位置 从而决定电机下一时刻的驱动方 式 电流检测电路是对电流进行采样 为电流环的控制提供当前时刻的电流值 从而 实现双闭环控制 3 2 控制结构 3 3 控制芯片 在直流电源恒定供电的情况下 通过调节 PWM 波的脉宽来改变直流电压 Ud 实现对 图 3 4 半桥 PWM 调制 图 3 8 脉冲编码器输出波形 光电编码器输出的 A1 B1 两路脉冲信号经整形后直接送入 QEP 单元 QEP 单元能 对脉冲前后沿进行计数 即其本身能对脉冲进行 4 倍频 也即在无需添加任何硬件的 情况下 使速度和位置的检测精度大大提高 从而大大简化了系统的硬件 3 7 2 速度的计算 以改用较大 P 值的脉冲发生器 或者增加检测的时间 2 T 法测速 测量相邻两个脉冲的时间来确定被测速度的方法叫做 T 法测速 用一已知频率为 f 的时钟脉冲向一计数器发送脉冲数 此计数器由测速脉冲的两个相 邻脉冲控制其起始和终止 如果计数器的读数为 m 则电机每分钟的转速为 60 f n Pm 3 11 T 法的分辨率为 2 6060 1 60 ffm P n PmP mfmP 3 12 可见 随着转速的升高 Q 值增大 转速愈低 Q 值愈小 所以 T 法在低速时有较 刘苏扬 基于 DSP 的无刷直流电机控制系统设计 8 大的分辨率 而且 随着转速的升高 同样两个脉冲检测时间将减小 所以确定两个 脉冲的间隔的原则是又要使检测的时间尽量的小 又要使计算机在电机最高运行时有 足够 安徽工程大学毕业设计 论文 9 第第 4 4 章章 无刷直流电机的控制系统建模和仿真无刷直流电机的控制系统建模和仿真 4 1 无刷直流电机控制系统模型的建立 图 4 1 BLDC 控制系统设计框图 图 4 2 为 BLDC 建模的整体控制框图 其中主要包括 BLDCM 本体模块 速度 控制模块 参考电流模块 电流滞环控制模块 转矩计算模块和电压逆变器模块 把 这些功能模块和 S 函数相结合 在 Matlab Simulink 中搭建出 BLDC 控制系统的仿真模 型 并实现双闭环的控制算法 图中各功能模块的作用与结构简述如下 图 4 2 Matlab 中 BLDC 仿真建模整体控制框图 4 1 1 无刷直流电机总体模块 如图 4 3 所示 无刷直流电机总体模块包括 BLDCM 本体模块 转矩计算模块和 转速计算模块 9 Te 8 W 7 Theta 6 ec 5 eb 4 ea 3 Ic 2 Ib 1 Ia Te TL Theta w zhuansu Ia Ib Ic ea eb ec w Te zhuanju Ua Ub Uc w Pos Ia Ib Ic ea eb ec BLDCM Ua Ub Uc TL Pos Ia Ib Ic ea eb ec Theta W Te BLDC 5 Pos 4 TL 3 Uc 2 Ub 1 Ua 图 4 3 无刷直流电机总体模块结构图及封装 1 BLDCM 本体模块 在整个控制系统的仿真模型中 BLDCM 本体模块是最重要的部分 该模块根据 BLDC 电压方程式 2 2 求取 BLDC 三相相电流 结构框图如图 4 4 所示 图 4 4 BLDCM 本体模块结构图及封装 由电压方程式 2 2 可得 要获得三相电流信号 Ia Ib Ic 必需首先求得三相 刘苏扬 基于 DSP 的无刷直流电机控制系统设计 10 反电 2 转矩计算模块 根据 BLDC 数学模型中的电磁转矩方程式 2 3 可以建立图 4 5 所示的转矩计 算模块 图 4 5 转矩计算模块及封装 3 转速计算模块 图 4 6 转速计算模块结构框图及封装 4 1 2 速度控制模块 速度控制模块如图 4 7 所示 速度给定信号与速度反馈信号比较后 送入速度调 节器 PI 控 1 Is n ref n Is Speed controller Saturation PI Discrete PI Controller 2 n 1 n ref 图 4 7 速度控制模块及封装 4 1 3 电流滞环控制模块 在这个仿真模块中采用滞环控制原理来实现电流的调节 使得实际电流随跟定电 流的变化 安徽工程大学毕业设计 论文 11 1 Pulse Relay2 Relay1 Relay Ia Ib Ic iar ibr icr Pulse Current controller 6 icr 5 ibr 4 iar 3 Ic 2 Ib 1 Ia 图 4 8 电流滞环控制模块结构框图及封装 4 1 4 参考电流模块 参考电流模块的作用是根据控制器输出的电流参考信号 Is和转子角度位置信号 pos 计算出三相参考电流 iar ibr icr 输出的三相参考电流直接输入电流滞环控制模块 用 于与实际电流比较 从而进行电流滞环控制 结构如图 4 9 所示 的 仿真结果证明了本文所提出的这种新型BLDCM仿真建模方法的有效性及控制 系统的合理性 图 4 13 转速响应曲线 刘苏扬 基于 DSP 的无刷直流电机控制系统设计 12 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t s Te N m Te 图 4 14 转矩响应曲线 安徽工程大学毕业设计 论文 13 结束语结束语 无刷直流电动机采用高磁性材料和电子换向原理 克服了有刷直流电动机换向器 带来的可靠性和可维护性差的缺点 保持了直流电动机的良好控制性能 随着微电子 技术和功率集成电路的技术进步 各种无刷直流电动机专用控制和驱动芯片大量出现 给高性能无刷电动机驱动控制提供了多种有效的解决方案 使得无刷直流电机在控制 领域具有很好的应用前景 数字信号处理器 DSP 具有功耗小 速度快 集成度高等优点 不仅可以满足电 机对运动控制的要求 又能很大程度地减小硬件资源的使用 所以采用 DSP 作为微控 制器核心是电动机控制技术的发展方向 本论文以无刷直流电机为研究对象 建立了 基于 DSP 的控制系统 本论文的主要工作 本文在深入分析了无刷直流电机的结构 工作原理和数学模 型的基础上 采用 PID 和双闭环控制策略 建立了基于 MATLAB SIMULINK 系统的仿真 模型并分析了仿真结果 使无刷直流电机控制系统趋于完善和合理 值得注意的是 由于无刷直流电机在换相时存在一定的转矩波动 低速性能受到 限制 如何最大限度的消除转矩波动的影响 达到更高性能的控制效果具有重要的意 义 同时 同时 其自身也存在一些固有的问题有待解决 例如直流无刷电机需要用 位置传感器来检测位置信息来控制换向 而转子位置传感器不仅增加额外费用 而且 增大了系统体积 并降低了可靠性 正因为如此 研究基于 DSP 无位置传感器的解决 方案 更进一步保证无刷直流电机的控制性能 是一个值得后续进一步研究的工作 刘苏扬 基于 DSP 的无刷直流电机控制系统设计 14 致谢致谢 安徽工程大学毕业设计 论文 15 参考文献参考