DSP基于DSP无刷直流电动机调速系统的设计课件

1、基于DSP无刷直流电动机调速系统的设计1 无刷直流电动机本文针对有刷直流电动机存在换向火花、机械换向困难、磨损严重等缺点，提出了采用无刷直流机来代替有刷直流电动机，来提高控制系统的控制质量,本文设计了无刷直流机的数字控制方法。由于DSP具有处理数据量大、实时性好和精度高等优点,所以本文控制器采用的是DSP。此系统的双闭环就是通过DSP软件编程实现的，比起以往的用模拟器件实现的控制系统，其整个系统结构比较简单、控制精度高并且具有很强的灵活性，系统可根据用户的控制要求只需更改设定参数（即指令操作数）就可以实现其控制结果。本文对无刷直流机的结构和工作原理做了简单的介绍，以为了更好地理解无刷直流机控制

2、系统。虽然用位置传感器检测转子位置的方法比较直接，但位置传感器必须安装在电动机轴上，使电动机更加笨重，并且增加了整个系统的机械磨损等，所以本文采用了无位置传感器方法来获得转子位置信号,本文采用反电势检测法。为了使整个系统能够可靠运行，因而采用了转速电流双闭环，转速环和电流环都采用PI调节器。1.1 无刷直流机的结构无刷直流机的转子是由永磁材料制成的,具有一定磁极对数的永磁体。为了能产生梯形波感应电动势，无刷直流机的转子磁钢的形状呈弧形（瓦片状），气隙磁场呈梯形分布。定子上有电枢，这一点与永磁有刷直流电动机正好相反。无刷直流机的定子电枢绕组采用整距集中式绕组，绕组的相数有二、三、四、五相，但应用

3、最多的是三相和四相。各项绕组分别与外部的电子开关电路相连，开关电路中的开关管受位置传感器的信号控制。无刷直流机的工作离不开电子开关的电路，因此由电动机本体、转子位置传感器和电子开关电路三部分组成了无刷直流机控制系统。其原理框图如图1-1所示。图中，直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，位置传感器随时检测到转子所处位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止。从而自动地控制了哪些绕组通电，哪些绕组断电，实现了电子换向。直流电源电动机开关电路位置传感器 图1-1无刷直流电动机原理框图1.2 无刷直流机的工作原理普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场。为了使直流电动机旋转，

4、需要通过换向器和电刷不断的改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转。无刷直流机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子做成永磁体，这样的结构正好与普通电动机相反。然而即使这样改变还不够，因为定子上的电枢通入直流电以后，只能产生不变的磁场电动机依然转不起来。为了使电动机的转子转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子磁场随着转子的位置不断地变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持90o左右的空间角，产生转矩推动转子旋转5。在换相的过程中，定子各项绕组在工作气隙中所形成的旋转磁场是跳跃式运动。这种旋转磁场在一周有三种状态，每种

5、状态持续120o。它们跟踪转子，并与转子的磁场相互作用，能够产生推动转子继续转动的转矩2 系统硬件平台设计 2.1 系统总体方案设计系统总体的硬件电路可分为以下几个部分:1) DSP控制系统电路设计2) 功率主电路设计3) 检测电路设计4) 故障处理保护电路设计。系统的总体的硬件框图如图2-1所示图2-1系统总体硬件框图前级整流滤波电路提供给整个系统稳定的直流电源；逆变电路选用的是IPM模块，由DSP提供的6路PWM信号经过高速光耦的隔离后经驱动电路驱动从而控制电机的运转；反电动势检测电路则是提供给DSP信号用来确定转子位置的。保护电路则是对整个系统提供安全的保护措施，包括过压、欠压等。2.2

6、 功率主电路由于无刷直流机的供电电压为直流，在其定子中流过的是交流电的原因，所以对于系统的主电路来说采用常用的交-直-交变换。图2-2交直变换电路结构图交直部分采用三相桥式不可控整流电路(电路图如2-2所示)，用来提供电路所需的直流电压。滤波电容C1用来稳定直流电压，降低直流电源的输出阻抗。其中A, B, C三相为从DSP系统开发控制板输出的三相交流电。2.2.1 IPM模块的内部结构图2-3 IPM的等效电路图由图2-3可见，IPM是一种包括反并联续流二极管在内的由IGBT组成的逆变器。在此电路中，功率变换由6个IGBT开关管及续流二极管构成三相逆变桥。六个IGBT开关管的开关触发信号受TM

7、S320LF2407A DSP芯片所输出的六路PWM波的控制，开关管有规律的通断将直流电逆变为交流电提供给无刷直流机的三相定子。2.2.2 IGBT驱动电路本系统的IGBT门极触发采用的是日本东芝公司TA8316AS，通过大电流直接驱动IGBT。其内部和控制电路连接如图：图2-4 TA8316AS内部和控制电路图2.3 位置检测电路无刷电动机是一闭环的机电一体化系统，它是通过转子磁极位置信号作为电子开关线路的换相信号，因此，准确检测转子位置，并根据转子位置及时对功率器件进行切换，是无刷直流机正常运行的关键。为适应无刷电动机的进一步发展，无位置传感器应运而生，它一般利用电枢绕组的感应反电动势来间

8、接获得转子磁极位置，与直接检测法相比，省去了位置传感器，简化了电动机本体结构，取得了良好的效果，并得到了广泛的应用。因此本系统采用无位置传感器方法进行位置检测。2.3.1 反电势过零检测电路的组成反电势过零检测法是通过将电动机电枢绕组的端电压与电枢中性点电压比较得反电势过零点，从而确定转子磁极的位置，其检测电路由端电压检测、低通滤波、过零比较和光电隔离等环节组成，如图2-5所示。 图2-5 无位置传感器位置检测电路结构由于端电压不是完全的梯形波，总带有毛刺和谐波干扰，这些干扰将严重影响反电动势过零点的正确检测，为此必须对其进行深度滤波。滤波后的端电压检测信号与电机的中性点电压进行比较，获得反电

9、动势的过零点。为了避免电压过高损坏DSP，必须将反电动势过零点信号经过光电隔离。为了计算不通电相的感应电动势，需要测量三个相电压。反电势检测电路取代了位置传感器和测量电路，采用廉价的分压电阻和滤波电容组成反电势过零检测电路。反电势检测电路如图2-6所示。图2-6端电压检测电路及其与DSP接口2.4 电流检测与保护电路对于两相导通三相六状态无刷直流机，在任意时刻，只有两相绕组通电，电流从一相绕组流入，再从一相绕组流出，电流大小与直流侧电流大小相等。这样，只需要在直流侧接入一个采样电阻就可以检测导通相的电流。图2-7 电流检测与保护电路原理如图2-7示，电流信号通过检测采样电阻R两端的电压得到。电

10、流检测信号一方面作为DSP的过流保护信号，接至DSP的引脚；另一方面作为电流环的反馈信号，输入到DSP的ADCIN00引脚。过流检测是为了防止电机过载、起动或异常运行时由于电流过大而对控制电路、功率逆变器和电动机本体的损害而设计的。在直流侧串联一个采样电阻，通过将采样电阻两端电压进行比较来确定主电路电流是否过流，过流信号送至DSP的中断引脚，封锁功率开关的驱动信号。如图2-8所示，其中电容C1和C2的作用是滤去采样电阻两端电压的高频干扰信号，防止过电流误动作。采样电阻应根据最大允许电流的限值来选取，其阻值以端电压为0.5V为基准。由于TMS320LF2407A的A/D转换单元输入信号的电压范围

11、为03.3V，而电流采样信号比较小，所以需要进行放大。同时为了保护DSP不因过流信号而损坏，还应该对电流信号进行隔离。具体的放大电路可参照端电压检测电路。2.5 故障处理和保护电路2.5.1 过欠电压保护电路 DSP实时监测交流母线电压，当电网电压过低或过高时，关闭逆变器，使控制器不会损坏。电机在起动过程中，如果出现了欠压的情况，电机将起动不了，会使电机出现堵转的现象，从而对系统造成损坏。为了避免上述情况，我们设计了下面的电路如图2-8。图2-8过、欠电压保护原理图过、欠压保护电路的输入电压IN必须能反映三相交流输入电源的变化，这样当三相交流电出现过压或者是欠压时，过、欠压保护电路的输入电压I

12、N就会发生变化，输出端的信号LOWVOL和OVERVOL就会输出信号给控制电路进行处理。2.6 DSP控制电路设计TMS320LF240X芯片为公司的MS320C200系列下的一种定点DSP芯片，特别适合于运动系统全数字化控制。它具有低成本、低功耗、高性能的处理能力。它将几种外设集成到芯片内，形成了真正的单芯片控制器，具有运算速度在30MPIS以上、外设集成度高、程序存储量大（片内FLASH）、ADC模块的转换速度快等特点。同时，该类芯片具有强大的外部通信接口（SCI、SPI、CAN）便于构成大的控制系统。因此本系统选用DSP的型号为TMS320LF2407A。2.6.1 起停电路、DSP晶振

13、及复位电路设计1)起停电路的实现起动、停止电路如图2-9所示: 图2-9起动、停止控制电路图起动、停止电路都是最基本的RC充放电路。控制电机起动，通过按按钮SW2，START信号由高电平变为低电平，送DSP的ADCIN04(I/O) 多功能口，通过程序将ADCIN04（I/O）口配置成I/O口，当DSP检测到START信号变低时，系统便开始电机起动程序。而电机停机是通过SW1按钮控制，STOP信号送DSP的ADCIN04(I/O)口，当SW1按下时，DSP检测到高电平时，电机停转。电阻R17和R18是为了防止在高电平到低电平的突变，起到续流的作用。2)复位电路系统的复位电路采用的为简单实用的上

14、电复位电路，电源刚加上时，TMS320LF240LF7A处于复位状态，为低电平使芯片复位。为使芯片初始化正确一般应保证为低电平至少3个CLKOUT周期，即当时钟为20MHz时的600ns。但是，在上电后，系统的晶体振荡器往往需要几百毫秒的稳定期，一般为100ms200ms。图2-10 复位电路系统采用图2-10电路的复位时间主要由R和C确定。3)晶振电路给DSP芯片提供时钟一般有两种方法，一种是利用DSP芯片内部提供的晶振电路，在DSP芯片的X1和X2CLKIN之间连接一晶体可起动内部晶体振荡器，这种方式的晶体应为基本模式，且为并联谐振。第二种是将外部时钟源直接输入X2CLKIN引脚，X1悬空

15、。采用封装好的晶体振荡器，这种方法使用方便，在实际应用中得到了广泛的应用。在本系统中正是利用第二种方法提供给DSP芯片时钟信号源，电路图如图2-11所示图2-13时钟电路系统时钟SYSCLOCK和看门狗时钟都由CPU时钟提供。系统时钟，一般采用CPU时钟频率的1/2或1/4，供DSP的所有外围设备总线上的设备使用。而WATCHCLOCK时钟频率较低，为watchdog计数器和实时中断模块使用。3 软件系统设计3.1 无刷直流机控制系统原理无刷直流机工作在由位置检测器控制逆变器开关管通段的“自控式”变频方式下，逆变器的变频是自动完成的，并不需要控制系统加以干预及控制。要控制电机的转速就应控制电机

16、的转矩，调节直流侧电压即可调节转速。通常采用PWM（Pulse-Width Modulation,脉宽调制）调节方式，通过改变控制脉冲的占空比来调节输入无刷直流机的平均直流电压，以达到调速的目的。无刷直流机系统通常采用转速、电流双闭环控制，系统原理图如图3-1所示。其中，ASR和ACR分别为转速和电流调节器，通常采用PI算法实现。速度为外环，电流为内环，由于，电流调节的实际上是电磁转矩。速度给定信号，与速度反馈信号送给速度调节器（ASR），速度调节器的输出作为电流信号的参考值，与电流信号的反馈值一起送至电流调节器（ACR），电流调节器的输出为电压参考值，与给定载波比较，形成PWM调制波，控制I

17、PM模块的实际输出电压。被确定要导通的相并不总是在导通，它受PWM输出信号的控制，逻辑与单元的任务就是把换向信号和PWM信号结合，再送到IPM模块。 图3-1无刷直流机系统原理图3.2 无刷直流机的起动无位置传感器无刷直流机是利用反电势来决定换流时序的。当转子静止或低速时，反电势为零或太小，无法利用。因此电机必须以他控式同步电动机方式起动、加速，最后切换至无刷电机状态。之所以要连续N次检测到开路相的感应电势过零点后，才从他控式状态切换到自控式状态，目的是为了防止干扰等引起的误检测和转速未趋于稳定，影响起动过程的顺利完成。所提出的方法起动可靠、实现简单、方便。调试中需要注意的是To和PWM的占空比的选择，以及对加速过程中占空比的变化速度的控制。图3-2起动程序框图4 结论本文的基于TMS320LF2407A DSP的全数字无刷直流机无位置传感