无刷直流电动机及其控制系统

西京学院本科毕业设计（论文）西 京 学 院本科毕业设计(论文)题目：无刷直流电动机及其控制系统研究 教学单位： 机电工程系 专 业： 自动化 学 号： 姓 名： 马航里 指导教师： 阎治安 2012年5月II摘 要无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的。现阶段，虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位，但无刷直流电动机正受到普遍的关注。自20世纪90年代以来，随着人们生活水平的提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都越来越趋向于高效率化、小型化及高智能化，作为执行元件的重要组成部分，电动机必须具有精度高、速度快、效率高等特点，无刷直流电动机的应用也因此而迅速增长。本文在介绍电动汽车中电动机及其控制系统应用现状和性能要求的基础上，分析了无刷直流电动机的结构特点，再根据无刷直流电动机控制系统的仿真结果，设计了无刷直流电动机直接转矩控制系统的硬件和软件，其中，硬件控制系统主要包括三相全桥逆变电路、功率驱动电路、转子位置检测电路以及功率器件的保护电路等。该系统最大特点是以电子换相线路替代了由换相器和电刷组成的机械式换相结构，使传感器可以借助DSP的强大功能获取转子位置信号，克服了机械位置传感器的存在给无刷直流电动机所带来的诸多不利影响。关键词： 电动汽车，无刷直流电动机，转矩脉动， AbstractBrushless DC motor in a brush DC motor developed on the basis of. At this stage, although exchanges of all kinds of DC motors and motor drive in the application of the dominant, but brushless DC motor is under common concern.Since the 1990s, as peoples living standards improve and modernize production, the development of office automation, household appliances, industrial robots and other equipment are increasingly tend to be high efficiency, small size and high intelligence, as the implementation of components An important component of the motor must have a high accuracy, speed, high efficiency, brushless DC motor and therefore the application is also growing rapidly.On the basis of the introduction of electric vehicles, electric motor and its control system application status and performance requirements. According to the simulation results of the brushless DC motor control system, design of a brushless DC motor direct torque control system hardware and software, which the hardware control system mainly consists of three-phase full-bridge inverter circuit, drive circuit, the rotor position detection circuit and power device protection circuit. The system is characterized by electronically commutated line instead of the mechanical commutator and brush change to the structure, so that sensors can make use of the powerful features of the DSP to obtain the rotor position signals, to overcome the existence of the mechanical position sensors to the brushless many adverse effects brought about by the DC motor.Key words:Electric vehicles, brushless DC motor, Torque Ripple , 目录第1章 绪论1第2章 无刷直流电动机的组成及基本工作原理22.1 无刷直流电动机的基本组成及基本工作原理22.1.1 基本组成22.1.2 无刷直流电动机的工作原理32.2 无刷直流电动机的运行特性52.2.1 机械特性52.2.2 调节特性52.2.3 工作特性62.3 无刷直流电动机的转矩脉动7第3章 无刷直流电动机的主电路的工作方式83.1星形连接三相半桥式主电路83.2星形连接三相桥式主电路93.3角形连接三相桥式主电路11第4章 无刷直流电动机的控制策略134.1 无刷直流电动机的控制策略134.2 无刷直流电动机的DSP控制系统134.2.1 转速和电流调节144.2.2 PWM波控制策略15第5章 无刷直流电动机直接转矩控制系统设计165.1无刷直流电动机的基本硬件组成165.1.1 DSP控制器165.1.2控制电路195.1.3转子位置检测电路225.2数字控制系统的软件设计235.2.1整体设计论述235.2.2 换相检测和开环起动的软件实现245.2.3主要子程序255.2.4 PWM周期中断子程序(PWM ISR)255.2.5 ADC转换中断服务子程序（ADC ISR）26第6章 基于直接转矩的无刷直流电动机控制仿真296.1无刷直流电动机控制296.1.1仿真模型介绍296.1.2 PI调节器306.1.3 控制仿真结果316.2本章小结33结论34致谢35参考文献36西京学院本科毕业设计（论文） 第1章 绪论近二十多年来，电力电子技术、计算机技术、控制理论以及新材料技术都得到了迅速的发展，所有这些都推动着电动机控制技术的发展、进步。新材料技术的发展，例如稀土永磁材料Nd-Fe-B、磁性复合材料的出现，给电动机设计插上了翅膀，各种新型、高效、特种电机层出不穷。我们国家稀土资源十分丰富，近年来，永磁电动机的研究十分活跃。采用永磁材料激磁，特别是采用高性能稀土永磁材料，可大大提高电动机效率，缩小电动机体积。据不完全统计，500W以下的直流微电动机中，永磁电机占92%，而10W以下永磁电动机占99%。而在无刷化方面，主要是发展无刷直流BLDC (Brushless DC)电动机，以提高产品的可靠性和寿命。而电力电子技术、计算机技术和控制理论的发展更使得电动机调速技术得到很快的发展。新的电力电子器件，高性能的数字集成电路以及先进的控制理论的应用，使得控制部件功能日益完善，所需的控制器件数目愈来愈少，控制器件的体积也日益减小，控制器的可靠性提高而成本日益降低。从而使得电动机的应用不再局限于传统的工业领域。而在商业，家用电器、声像设备、电动自行车、汽车、机器人、数控机床、雷达和各种军用武器随动系统等领域也得到广泛应用。当前，电子产品正经历着从模拟到数字的转化，在这场数字化的革命当中，DSP(Digital Signal Processor)器件适时而动，取得了飞速的发展。今天，DSP己经成为通信、计算机、网络、工业控制以及家用电器等电子产品中不可或缺的基础器件。由于DSP具有较强的计算能力和较好的实时性，使得算法复杂的现代控制理论能够在实际中得到很好的应用，特别是实时性要求很高的系统，也可以通过DSP实现复杂的智能控制算法。在电力传动这个实时性要求很高的领域，DSP的应用越来越多，例如机器人，机械手等工业自动化系统；火炮位置伺服等军用设备；洗衣机，空调等家用电器设备；电动自行车等交通工具都用到了DSP控制器电力传动方案。DSP技术的提高和CPU相似，已经成为决定电子产品更新换代的决定因素之一。用DSP进行电力传动系统的设计，是未来电力传动系统实现数字化，智能化的发展方向。第2章 无刷直流电动机的组成及基本工作原理2.1 无刷直流电动机的基本组成及基本工作原理2.1.1 基本组成图2.1 无刷直流电动机的结构原理图无刷直流电动机的结构原理图如图2.1所示。它主要由电动机本体、 位置传感器和电子开关电路控制器三部分组成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他起动装置，其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等），转子由永磁钢按一定极对数(2p=2，4, )组成，三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件连接。在图2.1中A相、B相、C相绕组分别与功率开关管(VT1，VT4),(VT3，VT6),(VT5，VT2)相接，磁极位置传感器跟踪转子与电动机转轴相连接。当定子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相互作用而产生转矩，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，去控制电子开关电路，从而使定子各相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。随着转子的转动，位置传感器不断的送出信号，以改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变，这就是无刷直流电动机的换流原理。由于电子开关电路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换相器的换相作用。因此，所谓无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关电路、永磁同步电动机以及位置传感器三电者组成的“无刷直流动机系统”。其原理框图如图2.2所示。直流电源开关电路电动机位置传感器n如图2.2 无刷直流电动机的原理框图2.1.2 无刷直流电动机的工作原理众所周知，一般的永磁式直流电动机的定子由永磁磁钢组成，其主要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磁场。由于电枢的换相作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产生转矩而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相，首先把电枢绕组放在定子上，永磁磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，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子转动。所以，无刷直流电动机除了由定子和转子组成电动机的本体以外，还要有位置传感器、控制电路以及功率开关共同构成的换相装置，使得无刷直流电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所产生的永磁磁场，在空间始终保持在左右的电角度。下面以图2.1和图2.3为例(两两导通、Y连接、三相六状态)加以简要说明: 图2.3 无刷直流电动机旋转原理示意图当转子永磁体位于图2.3a所示位置时，转子位置传感器输出磁极位置信号，经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开关管、 导通，即绕组A、B通电，A进B出，电枢绕组在空间的合成磁势，如图2.3a所示。此时定转子磁场相互作用拖动转子顺时针方向转动。电流流通路径为:电源正极管A相绕组B相绕组管电源负极。当转子转过600电角度，到达图中2.3b位置时，位置传感器输出信号，经过逻辑变换后使开关管截至，导通，此时仍导通。则绕组A、C通电，A进C出，电枢绕组在空间合成磁场如图2-3b中。此时定转子磁场相互作用使转子继续沿顺时针方向转动。电流流通路径为:电源正极管A相绕组C相绕组管电源负极，依次类推。当转子继续沿顺时针每转过600电角度时，则转子磁场始终受到定子合成磁场的作用并沿顺时针方向连续转动。在图2.3a到b的600电角度范围内，转子磁场顺时针连续转动，而定子合成磁场在空间保持图2.3a的的位置不动，只有当转子磁场转够600电角度到达图2.3b中的位置时，定子合成磁场才从图2.3a中位置顺时针跃变至的位置。可见定子电流产生的磁场在空间不是连续旋转的磁场，而是一种跳跃式旋转磁场，每个步进角为600电角度。当转子每转过600电角度时,逆变器开关管之间进行一次换流，定子通电状态就改变一次。可见,电机有6个状态，每一状态都是两两导通，每相绕组中流过电流的时间相当于电角度1200。两两导通、Y连接、三相六状态无刷直流电动机的三相绕组与各开关管导通顺序的关系如表2.1所示。表2.1 两两导通Y连接三相六状态时绕组合开关管导通顺序表电角度3600300024001800120060000导通顺序ABCBCABVT1VT2VT3VT4VT5VT62.2 无刷直流电动机的运行特性2.2.1 机械特性无刷直流电动机的机械特性为： （2.1）-开关器件的管压降-电枢电流Ce-电机的电动势常数-每级磁通量可见无刷直流电动机的机械特性与一般直流电动机的机械特性表达式相同，机械特性较硬。在不同的供电电压驱动下，可以得到如2.3图所示机械特性曲线簇。图2.3 机械特性曲线当转矩较大、转速较低时，流过开关管和电枢绕组的电流很大，这时，管压降随着电流增大而增加较快，使在电枢绕组上的电压有所减小，因而图所示的机械特性曲线会偏离直线，向下弯曲。2.2.2 调节特性无刷直流电动机的调节特性如图2.4所示。图2.4 调节特性调节特性的始动电压和斜率分别为： （2.2） （2.3）从机械特性和调节特性可以看出，无刷直流电动机与一般直流电动机一样，具有良好的调速控制性能，可以通过调节电源电压实现无级调速。但不能通过调节励磁调速，因为永磁体的励磁磁场不可调。2.2.3 工作特性 电枢电流与输出转矩的关系、效率输出转矩的关系如图2.5所示。图2.5 工作特性在输出额定转矩时,电机效率高、损耗低是无刷直流电动机的重要特点之一。2.3 无刷直流电动机的转矩脉动无刷直流电动机中存在的转矩脉动问题使它很难实现更精确的位置控制和更高性能的转速控制，尤其是在直接驱动应用的场合，转矩脉动问题更为突出。引起转矩脉动的因素很多，主要有以下几个方面：（1）齿槽效应引起的转矩脉动在无刷直流电动机的任何电枢电流都不存在的情况下，当转子旋转时，由于定子齿槽的存在，定子铁心磁阻的变化而产生的磁阻转矩，就是齿槽转矩。齿槽转矩是交变的，与转子位置有关，因此它是电动机本身空间和永磁励磁磁场的函数。在电动机制造上，将定子齿槽与永磁体斜一个齿距，或采用合理的分数槽，可以使齿槽转矩减小到额定转矩的百分之一左右。（2）谐波引起的转矩脉动在无刷直流电动机中，恒定转矩主要是由基波磁链和基波电流相互作用产生的，更高次的同次谐波间产生的恒定转矩可以忽略不计，不同次谐波磁链和电流间不产生脉动转矩。但在实际电动机中，输入定子绕组中的电流不可能是矩形波，因为电动机的电感限制了电流的变化率。反电动势的波形偏差越大，引起的转矩脉动越大，另外，非理想的磁链波形对转矩脉动也有影响。（3）电流换相引起的转矩脉动电流换相也是引起转矩脉动的主要原因之一，转矩脉动基本频率是电流频率的6倍，也就是说，转矩脉动起决定作用的是6次谐波转矩，主要因为电流在每周期内要进行6次换相。平均转矩随换相角而变化，换相角度越大，转矩脉动幅值越大。特别，在低速区BLDCM电动机的转矩脉动会引起转速波动，将严重影响系统的性能。无刷直流电动机的输出转矩脉动比普通直流电动机的转矩脉动大。一般相数越多，转矩的脉动越小；采用桥式主电路比采用非桥式主电路的转矩脉动小。第3章 无刷直流电动机的主电路的工作方式目前，无刷直流电动机的电动机本体大多采用三相对称绕组，由于三相绕组既可以是星形连接，也可以是角形连接，同时功率逆变器又有桥式和非桥式两种。因此，无刷直流电动机的主电路主要有星形连接三相半桥式、星形连接三相桥式和角形连接三相桥式三种形式。3.1星形连接三相半桥式主电路常见的三相半桥主电路如图3.1所示，图中，A、B、C三相绕组分别与三只功率开关管VT1、VT2、VT3串联，来自位置检测器的信号H1、H2、H3控制三只开关管的通断。在三相主半桥电路中，位置信号有1/3周期为高电平、2/3周期为低电平，各传感器之间的相位差也是1/3周期，如图3.2所示。图3.1三相半桥主电路 图3.2三相半桥主电路中位置传感器信号当转子磁极转过图3.3（a）所示的位置时，H1为高电平，H2、H3为低电平，使功率开关VT1导通，A相绕组通电，该绕组电流同转子磁极作用后所产生的转矩使转子沿顺时针方向转动。当转子磁极转到图3.3（b）所示的位置时，H2为高电平，H1、H3为低电平，使功率开关VT2导通，A相绕组断电，B相绕组通电，电磁转矩仍使转子沿顺时针方向转动。当转子磁极转到图3.3（c）所示的位置时，H3为高电平，H1、H2为低电平，使功率开关VT3导通，B相绕组断电，C相绕组通电，转子继续沿顺时针方向旋转，而后重新回到图3.3（a）所示的位置。图3.3电枢绕组通电与转子磁极的相对位置这样，定子绕组在位置检测器的控制下，便一相一相地依次馈电，实现了各相绕组电流的换相。在换相过程中，定子各相绕组在气隙中所形成的旋转磁场是跳跃式的，其旋转磁场在360电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态持续120电角度。我们把这种工作方式叫做单相导通星形三相三状态。三相半桥主电路虽然结构简单，但电机本体的利用律很低，每相绕组只通电1/3周期2/3周期处于关断状态，绕组没有得到充分利用，在整个运行过程中转矩脉动也比较大。3.2星形连接三相桥式主电路图3.4所示是一种星形连接三相桥式主电路。图3.4中，上桥臂三个开关管VT1、VT3、VT5是P沟道功率MOSFET，栅极电位低电平时导通；下桥臂三开关管VT4、VT6、VT2是N沟道功率MOSFET，栅极电位高电平时导通。这种逆变器电路利用P沟道MOSFET和N沟道MOSERT导通规律的互补性，简化了功率开关管的驱动电路。位置检测的三个输出信号通过逻辑电路控制这些开关管的导通和截止，其控制方式有两种：二二导通方式和三三导通方式。1二二导通方式二二导通方式是指在任一瞬间使两个开关管同时导通。这种工作方式就是两相导通星形三相六状态方式，下面根据反电动势和电磁转矩的概念来分析其导通规律及特点。图3.4星形连接三相桥式主电路电机的瞬时电磁转矩可由电枢绕组的电磁功率求得： （3.1）式中、A、B、C三相绕组的反电动势。、A、B、C三相绕组的电流。 转子的机械角速度。可见，电磁转矩取决于反电动势的大小。在一定的转速下，如果电流一定，反电动势越大，转矩就越大。为了使电机获得最大转矩，在二二导通方式下，开关管的导通顺序应为：VT1、VT2VT2、VT3VT3、VT4VT4、VT5VT5、VT6VT6、VT1。在这种工作方式下，每个电周期共有六种导通状态，每隔60电角度工作状态改变一次，每个开关管导通120电角度。由此可见，如果忽略换相过程的影响，当梯形波反电动势的平顶宽度大于等于120电角度时，电机的转矩脉动为0。因此，无刷直流电动机在设计时，应尽量增大磁极的极弧系数，以获得足够宽的磁密分布波形，从而得到平顶部分较宽的反电动势波形。同时，如果假定电流为平顶波，电机工作在两相导通星形三相六状态方式时，总的电磁转矩是每相电磁转矩的两倍。如果假定气隙磁密在空间呈正弦分布，容易根据相量图得出此时合成电磁转矩是每相电磁转矩的倍的结论。必须指出，这个结论对于无刷直流电动机来说并不准确，但可用于逆变器工作方式的定性分析。2三三导通方式三三导通方式是在任一瞬间使三个开关管同时导通，各开关管导通顺序为：VT1、VT2、VT3VT2、VT3、VT4VT3、VT4、VT5VT4、VT5、VT6VT5、VT6、VT1VT6、VT1、VT2，由此可见，三三导通方式也有六种导通状态，同时也是每隔60改变一次导通状态，每改变一次工作状态换相一次，但是每个开关管导通180,导通时间增加了。当VT1、VT2、VT3导通是，电流的路线为：电源VT1、VT3A相绕组和B相绕组C相绕组VT2地。其中A相B相相当与并联。如果假定C相绕组的电流为I，则A、B相绕组的电流分别为I/2 ，可以求得电枢绕组产生的总的电磁转矩约为每单相转矩的两倍。在三三导通方式下，各相绕组不是在反电动势波的平顶部分换相，而是在反电动势的过零点换相。因此，在电枢电流和转速相同的情况下，三三导通方式下平均电磁转矩比二二导通方式下要小，同时瞬时电磁转矩还存在脉动。如果假定气隙磁密在空间呈正弦分布，则合成电磁转矩是单相电磁转矩的1.5倍。比较两种通电方式可见：在二二通电方式下，每个管子均有60的电角度的不导通时间，不可能发生直通短路故障。而在三三通电方式下，因每个管子导通时间为180电角度，一个管子的导通和关断稍有延迟，就会发生直通短路，导致开关器件损坏。并且，两相导通三相六状态工作方式很好地利用了方波气隙磁场的平顶部分，是电动机出力大，转矩平稳性好。所以两相导通三相六状态工作方式最为常见。3.3角形连接三相桥式主电路图3.5所示的角形连接三相桥式主电路的开关管也采用功率MOSFET。与星形连接一样，角形连接的控制方式也有二二导通和三三导通两种。图3.5 三角形连接三相桥式主电路1二二导通方式三相角形连接二二导通方式的开关管导通顺序为：VT1、VT2VT2、VT3VT3、VT4VT4、VT5VT5、VT6VT6、VT1，t当VT1、VT2导通时，电流的路线为：电源VT1A相绕组、B相绕组和C相绕组VT2地。其中B相与C相串联，在与A并联。如果A相绕组中的电流为I，则B、C两相绕组中的电流约为I/2，总电磁转矩约为单相电磁转矩的两倍。但各相绕组在反电动势的过零点导通，在反电动势平顶波部分关断，瞬时电磁转矩存在脉动。如果假定气隙磁密在空间呈正弦分布，则容易得出此时合成电磁转矩约为单相电磁转矩的1.5倍。可见，角形连接二二导通方式下无刷直流电动机的工作情况与星形连接三三导通是情况相似。2三三导通方式三相角形连接三三导通方式的各开关管导通顺序为：VT1、VT2、VT3VT2、VT3、VT4VT3、VT4、VT5VT4、VT5、VT6VT5、VT6、VT1VT6、VT1、VT2，当VT1、VT2、VT3导通时，电流的路径为：电源VT1、VT3A相绕组B相绕组VT2地。A、B两相绕组并联，流经A、B两相的电流大小相同。因此，总的电磁转矩为单相电磁转矩的两倍。如果假定气隙磁密在空间呈正弦分布，容易得出此时合成电磁转矩为单相电磁转矩的倍。所以角形连接三三导通方式下无刷直流电动机的工作情况与星形连接二二导通时情况相似。所不同的是，在星形连接二二通电方式下，两通电绕组为串联；而三角形连接三三通电时，两相绕组为并联。第4章 无刷直流电动机的控制策略4.1 无刷直流电动机的控制策略控制策略指电动机运行是对哪些参数进行控制，如何进行控制使电动机达到规定的运行状况（如规定的转速、转矩），并使电动机保持较高的性能指标（如效率、温升等）。本节给出了无刷直流电动机控制的基本策略，包括无刷直流电动机的转速调节及PWM波控制。4.2 无刷直流电动机的DSP控制系统我们知道，在两两导通的情况下无刷直流电机的转矩基本上和相电流成正比。由这个结论可以得到以下的BLDCM 的控制方案：图4.1 无刷直流电机的DSP控制系统在本系统中，三个霍尔传感器的信号分别连接到DSP56F803的PHASEA0、PHASEB0 和INDEX0端口。系统根据检测到的位置信号情况判断电机处于哪个区间，并根据两次捕获的时间差计算出电机运行速度。此速度作为速度参考值Speed_ref的负反馈，然后经过转速PI调节后，得到参考电流I_ref。另外，由霍尔电流传感器可以得到相电流I_phase信号，此信号作为I_ref的负反馈，经过电流PI调节后，调节PWM输出的占空比，这样可以根据电机运行情况而调节逆变器IGBT管的导通时间，使电机的速度满足设定的要求。为了获得良好的静动态性能，两调节器一般采用PI调节器，并且两个调节器的输出都是带限幅的。转速调节器的输出限幅决定了电流调节器给定电流的最大值，电流调节器的输出限幅限制了功率管输出电压的最大值。4.2.1 转速和电流调节本设计中，我们采用了双闭环调速系统，即对转速和电流都进行PI调节。其中，转速环作为外环，电流环作为内环。（1） 转速PI调节转速调节器是整个系统的外环，它使转速随给定转速变化,静态无误差，并且其输出限幅为允许的最大限幅，对负载的变化起抗干扰能力。本系统通过键盘设定电机给定速度。速度反馈信号与给定的速度信号相减得到速度误差，经过一个简单的PI算法即可得到新的电流参考值： （4.1） （4.2）其中-速度调节器的输出；-为转速环比例系数；-为转速环积分系数；在这里有两参数需要调节，它们是和。要想获得良好的动态性能必须适当的选择各参数的数值。另外，为了防止数值溢出或太高的电流输出，速度误差的大小通常设定在一定的范围内。（2）电流PI调节电流调节器使电流在速度调节中跟随给定转速变化，起动时获得最大的允许电流，过载时限制电枢电流最大值，同时对电网电压起抗干扰能力。其实整个电流调整过程也就是PWM 输出信号的变化过程，通过调整PWM信号的占空比就可以调整电流的平均值。PWM 波的脉冲宽度由参考电流与检测电流之间的误差决定，调整过程如下： （4.3） （4.4） 其中 -为电流反馈测量值。-为电流环比例系数；-为电流环积分系数；经过一个PI调节器产生一定的PWM波。电流误差的大小正负决定了PWM波脉宽的变化。当等于零时，PWM的脉宽不变；当过大即参考电流大于实际电流很多，则计算所得的PWM脉宽可能超过PWM周期，就令PWM的脉宽为整个周期，此时输出最宽的PWM波，最快的增大转速；当过小（为负值）即参考电流小于实际电流很多，可能使PWM脉宽小于零，则令PWM的脉宽为零，此时以较快的速度降低转速。在本设计中，转速环和电流环的参数和是先根据实际经验初步给定，再经过反复实验确定出的。4.2.2 PWM波控制策略本系统采用PWM波控制方式，通过调整PWM波的占空比调节绕组电压平均值，进而能间接限制和调节绕组电流的大小，实现转速的调节。在这里PWM波频率是固定的，其占空比根据电流误差得到，因而在这种情况下电流与电流误差的变化率都是可控的。本系统逆变器为三相全控电路，采用两两通电方式，任意时刻上下管都各有一个导通，所以PWM只需控制下桥臂（或上桥臂）的三只功率管的导通即可。PWM波频率越高，斩波得到的平均电压越均匀，电流的脉动越小，但频率的提高却使电路损耗增大，对功率管的要求也越高，所以PWM频率应根据实际选择合适的范围。本系统PWM频率设定为5kHz左右，实验证明，运行效果良好，噪声较低。第5章 无刷直流电动机直接转矩控制系统设计5.1无刷直流电动机的基本硬件组成无刷直流电动机主要由五部分组成，分别是数字信号处理器（DSP）、永磁电动机本体、控制电路部分、转子位置检测部分、接口电路部分。这里先给出硬件控制系统的总体框图，如图5.1所示：功率驱动电路三相全桥逆变电路M电流检测电路反电动势检测电路其他接口电路及必要PWMADCADCTMS320F240核心控制器图5.1 硬件控制系统总体框图整个控制系统采用TMS320F240 DSP芯片位控制器，DSP 控制器的PWM 输出通过6路光耦电路与预驱动器IR2130 相连,预驱动器的输出经电阻接至功率器件的控制板。反电势检测电路中星形连接定子绕组的对地端电压经分压滤波后直接连至TMS320F240芯片ADC模块的测量通道，经过ADC转换得到端电压信号。电流检测电路中的电流信号(绕组电流检测)通过DSP的一路模/数转换通道检测。本系统还设置了多种保护措施以保证系统各个组件的安全。下面我们将分别描述硬件控制系统中的各个组成部分。5.1.1 DSP控制器基于DSP控制器构成的电机控制系统事实上是一个单片系统，因为整个电机控制所需的各种功能都可由DSP控制器来实现，因此，可大幅度缩小目标系统的体积，减少外部元器件的个数增加系统的可靠性。另外，由于各种功能都能通过软件编程来实现，因此，目标系统升级容易，扩展性、维护性都很好。同时，DSP控制器的高性能使最终系统既可满足那些要求比较低的系统，更可满足那些对性能和精度要求较高的场合的需要。TMS320x24x系列DSP控制器是TI公司推出的专为数字控制系统设计的高速微处理器，它继承了数字信号处理器运算速度快、信号实时处理的优点。同时，由于它面向数字控制系统，特别是面向运动控制系统进行了优化，使得它能够运行复杂控制算法，如自适应Kalman滤波、功率因素校正、FFT算法以及繁重的矢量变换信号处理任务。专门为实现数字控制系统（包括运动控制系统等）而设计的芯片结构大大简化了目标控制系统的结构，节省了目标系统的成本。作为一个系统的管理者，DSP必须具有强大的片内I/O端口和其他外围设备。TMS320F240的事件管理器（应用优化的外围设备单元）与高性能的DSP内核一起，使在所有类型电机的高精度、高效、全变速控制中使用先进的控制技术成为可能。以下是TMS320F240的特点：1) TMS320F/C240 核心CPU（1）32位的中央算术逻辑单元（CALU）（2）32位加法器（3）16位*16位并行硬件乘法器，并带有32位的结果寄存器（4）三个定标移位寄存器（5）8个16位辅助寄存器，带有一个专用的算术单元，用来做数据存储器的间接寻址2) 存储器（1）片内544字*16位的双端口数据/程序RAM（2）16K字*16位的片内PROM或闪速EEPROM（3）224K字*16位的最大可寻址存储器空间（64K字的程序空间，64K字的数据空间，64K字的I/0空间和32K字的全局空间）（4）软件等待状态发生器的外部存储器接口模块，具有16位地址总线和16位数据总线（5）支持硬件等待状态3) 程序控制（1）4级流水线（2）8级硬件堆栈（3）6个外部中断：电源驱动保护中断（PDPINT），复位（RS），非屏蔽中断（NMI）和三个可屏蔽中断（XINT1、XINT2、XINT3）4) 指令系统（1）与TMS320家族的C1x/C2x/C2xx/C5x定点产品在源代码级兼容（2）单指令重复操作（3）单周期的乘法/加法指令（4）程序/数据管理的存储器块移动指令（5）索引寻址功能（6）支持位反转寻址功能5) 电源（1）静态CMOS工艺技术（2）4种低功耗操作模式6) 事件管理器（1）2个比较/脉宽调制（PWM）通道（其中9个相互独立）（2）3个16位通用定时器，有6种工作模式（3）3个16位全比较单元，有死区功能（4）3个16位简单比较单元（5）4个捕获单元，其中两个有正交编码器脉冲接口功能7) 10位模数转换器（ADC）、28个独立可编程的多路复用I/O引脚、锁相环时钟发生器、具有实时中断的看门狗定电路、串行通讯接口（SCI）、串行外部设备接口（SPI）等功能外设9) 50ns（20MIPS）的单指令周期，多数指令可在单周期内完成，如图5.2 TMS320F240芯片结构ROM or FlashFERROMDARAM B0DARAMB1/B2程序控制器指令寄存器状态/控制寄存器辅助寄存器输入移位算数逻辑累加器输出移位乘法器积移位时钟模式 系统接口模式双十位模数转换串行外设接口串行通信接口看门狗定时器测试和仿真接口扩展寄存器接口事件管理器通用定时器比较单元捕获/编码单元数据总线程序总线中断7414944中断数字输入输出接口复位31642外设总线C2XXCPU图5.2 TMS320F240芯片结构5.1.2控制电路控制电路包括三相全桥逆变电路和功率驱动电路两部分。1.三相全桥逆变电路 图5.3所示为三相全桥逆变电路。准确检测转子位置信号是触发导通换相的关键，反电势过零点检测法是将逆变器开关管导通信号设置成占空比可调的PWM信号，通过调节占空比改变加在电动机上的平均电压来实现电机调速。 图5.3 三相全桥逆变电路图中的六个功率IGBT管E1E6起绕组的开关作用，分别控制电动机三相中的两相导通。其中，E1、E4属于A相，E3、E6属于B相，E5、E2属于C相，电容C起滤波作用。它们的通电方式采用两两通电方式，所谓两两通电方式是指每一瞬间有2个功率管导通，每隔1/6周期（600电角度）换相一次，每次换相一个功率管，每一功率管导通1200电角度。各功率管的导通顺序依次为E1E2、E2E3、E3E4、E4E5、E5E6、E6E1。当功率管E1和E2导通时，电流从E1管流入A相绕组，再从C相绕组流出，经E2管回到电源。如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为正，那么从绕组流出电流所产生的转矩为负，其合成转矩大小为Ta。当电动机转过60以后，由E1E2通电换成E2E3通电，这时，电流从E3流入B相绕组再从C相绕组流出，经E2流回到电源，此时的合成转矩大小同样为Ta，但合成转矩的方向转过了60电角度。而后，每次换相一个功率管，合成转矩矢量方向就随着转过60电角度，但大小始终保持着Ta不变。所以，同样一台直流无刷电动机，每相绕组通过与三相半控电路同样的电流时，采用三相星型连接全控电路，在两两换相的情况下，合成转矩增加了倍，每隔60换向一次，每个功率管通电120，每个绕组通电240，其中正向通电和反向通电各120。任意时刻上面三个功率管(E1、E3、E5)和下面三个功率管(E2、E4、E6)同时各有一个导通，并且同一相上下两个功率管不能同时导通。E1E6的开关触发信号受TMS320F240 DSP芯片所输出的六路PWM波的控制，功率管按照换相顺序有规律的通断，将直流电逆变为交流电提供给无刷直流电机的三相定子绕组，实现无刷直流电动机的正确换相。必须注意反电动势过零点还不是换相点。2.功率驱动电路TMS320F240 DSP芯片输出的PWM触发控制信号不足以驱动功率管的通断，因此在触发控制信号和功率管栅极之间应设置功率驱动电路，本文所研究的系统选取IR2130组成驱动电路，一片IR2130驱动六个功率管，功率驱动电路如图5.4所示。图5.4 功率驱动电路IR2130是IR公司的桥式驱动集成电路芯片，IR2130是一种高电压、高速度的功率MOSFET和IGBT驱动器，可用来驱动工作在电压不高于600V的电路中的功率MOS门器件，其可输出的最大正向峰值驱动电流为250mA，而反向峰值驱动电流为500mA。它内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络，使用户可方便的用来保护被驱动的MOS门功率管，加之内部自举技术的巧妙运用使其可用于高压系统，它还可对同一桥臂上下2个功器件的门极驱动信导产生2s互锁延时时间。它自身工作和电源电压的范围较宽(320V)，在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通过的电流成线性关系的电流放大器，电路设计还保证了内部的3个通道的高压侧驱动器和低压侧驱动器可单独使用，亦可只用其内部的3个低压侧驱动器，并且输入信号与TTL及COMS电平兼容。VB1VB3：是悬浮电源连接端，通过自举电容为3个上桥臂功率管的驱动器提供内部悬浮电源，VSIVS3是其对应的悬浮电源地端。HIN1HIN3、LIN1LIN3：逆变器上桥臂和下桥臂功率营的驱动信号输入端，低电平有效。ITRIP：过流信号检测输入端，可通过输入电流信号来完成过流或直通保护。CA-、CAO、VSO；内部放大器的反相端、输出端和同相端，可用来完成电流信号检测。HO1HO3、LO1L03：逆变器上下桥臂功率开关器件驱动器信号输出端。FLT：过流、直通短路、过压、欠压保护输出端，该端提供一个故障保护的指示信号 它在芯片内部是漏极开路输出端，低电平有效。IR2130采用高度集成的电平转换技术，大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，同时提高了驱动电路的可靠性。对于典型的6管构成的三相桥式逆变器，采用1片IR2130驱动3个桥臂，仅需1路10 V20 V电源。这样，在工程上大大减少了控制变压器体积和电源数目，降低了产品成本，提高了系统可靠性。5.1.3转子位置检测电路转子位置的检测是通过反电动势的检测而实现的。本文所研究的控制系统中，无刷直流电动机定子绕组采用星形接法，其电枢绕组中具有梯形的反电动势波，在任何时候其三相绕组中只有两相导通，为保证一相断路，系统采用两两导通、三相六状态PWM 调制1200电角度。在忽略永磁无刷直流电动机电枢反应影响的前提下，通过检测未导通相的反电动势过零点，来一次获取转子的六个关键位置信号，并以此作为逆变桥功率器件的触发信号轮流触发导通，实现电机动的正确换相，以驱动电动机运转。以检测A相反电势为例，其反电动势检测电路如图5.5所示。图5.5 转子位置检测电路实际上该电路是一个简单的端电压分压电路，图5.5中的Ua是A相绕组的对地端电压，R2 、R3为分压电阻，电容C起滤波作用（pF级），端电压Ua经分压滤波后直接连至TMS320F240芯片ADC模块的测量通道，经过ADC转换得到端电压信号。5.2数字控制系统的软件设计 本文所研究的无刷直流电动机数字控制系统中，有许多关键性的问题如：电动机的换相和起动等，都是通过软件的设计来实现的，可以说，软件部分是整个控制系统的灵魂。5.2.1整体设计论述整个控制系统的软件部分由主程序、中断服务子程序（ISR：Interrupt Sub Routine）、以及功能服务子程序组成。中断服务子程序主要包括PWM周期中断（实际是TMS320F240定时器1的下溢中断）和ADC转换结束中断等。功能服务子程序主要包括换相子程序和速度调节子程序等。主程序完成TMS320F240芯片事件管理器的初始化，中断的设置，变量的初始化和电动机的开环换相起动过程，之后主程序实际上进入一个查询操作的循环过程，程序不断地查询判断电流环更新标志是否为真，若为真则调用换相服务子程序以给电机动相应定子绕组馈电；若为假则等待电流环更新标志在ADC转换结束中断子程序中置为真。PWM周期中断子程序的主要作用是启动ADC转换以测量电动机定子绕组三相端电压和相电流。ADC转换结束中断在PWM周期中断发生后一段时间发生，该中断子程序负责处理通过ADC转换而得到的三相端电压值和相电流值，计算三相端电压的总和，由当前相电流值进行电流环的调节，每经过一定次数的电流环调节，就进行一次速度环的调节。ADC转换结束中断子程序还要负责判断转子是否旋转完一周，电动机是否处于转子初始位置的预定位阶段，负责从反电动势过零点起延时一定电角度以确定换相时刻。一个电流环周期（50us）内发生四次PWM周期中断，并且前两次PWM周期中断分别启动一次ADC转换，所以一个电流环周期内将发生两次ADC转换结束中断。在换相服务子程序中软件计时器加1，对换相瞬间的电抗电势干扰进行软件滤波，并计算判断反电动势过零点，实现反电动势过零点的检测功能。速度调节子程序的功能是计算速度反馈值，并对电动机转速进行调节。5.2.2 换相检测和开环起动的软件实现换相点的软件实现在上面的论述中，都指出反电动势的过零点并不是换相点，而是要从过零点延时适当的电角度才是换相点。但是当确定了延时电角度后，怎样实现从过零点到换相点之间的这段延时呢？通过硬件延时电路的方案固然可行，但是硬件延时电路不仅增加了系统控制电路的复杂性，而且电路本身会带来相移误差，增加了相移修正问题的难度，另外硬件电路的灵活性差，一旦电路固定了则难于改动以适应实际环境变化所带来的相移变化。因此，本文采取完全由软件程序计算的方案来实现相角