基于DSP的无刷直流电动机的 控制系统研究Word文件下载.docx
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DSPcontrol:
simulinkmodelingandsimulation
目录
第一章引言1
1.1无刷直流电机的发展与现状1
1.2论文的研究意义2
第二章无刷直流电机控制分析3
2.1电机结构分析3
2.1.1基本结构框图3
2.1.2电机本体3
2.1.3转子位置传感器简介4
2.2无刷直流电机工作原理5
第三章控制系统硬件和软件设计方案9
3.1控制芯片的选取9
3.2无刷直流电机控制系统方案设计9
3.2.1无刷直流电机控制技术的发展9
3.2.2有位置传感器的直流无刷电动机控制策略10
3.2.3PWM波控制策略12
3.3基于DSP技术控制的硬件设计12
3.3.1硬件电路设计12
3.3.2功率模块、驱动模块、保护电路设计13
3.3.3电源转换及复位电路14
3.3.4位置检测与调节15
3.3.5电流检测16
第四章无刷直流电机的控制系统建模和仿真17
4.1Simulink简介17
4.2无刷直流电机控制系统模型的建立17
4.2.1无刷直流电机总体模块18
4.2.2速度控制模块22
4.2.3电流滞环控制模块23
4.2.4电压逆变器模块25
4.2.5简化仿真26
4.3仿真结果26
4.4本章小结29
第五章成本估算30
第一章引言
1.1无刷直流电机的发展与现状
电动机作为机电能量转换装置，其应用范围己经遍及国民经济的各个领域，电动机主要类型有同步电动机、异步电动机与直流电动机三种。
直流电动机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，因此被广泛应用于各种调速系统中，但传统的直流电动机均采用机械电刷的方式进行换向，存在相对的机械摩擦，和由此带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点[1]。
因此，早在1917年，Bolige就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机（BLDCM:
BrushlessDirectCurrentMotor）的基本思想[2]。
1955年，美国DHarrison等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利，标志着无刷直流电机的诞生。
1978年，原联邦德国MANNESMANN公司的Indramat分部在汉诺威贸易展览会上正式推出其MAC永磁无刷直流电机及其驱动系统标志着永磁无刷直流电机真正进入实用阶段[3]。
二十世纪80年代国际上对无刷电机开展了深入的研究，先后研制成方波和正弦波无刷直流电机，在10多年的时间里，无刷直流电机在国际上己得到较为充分的发展。
近年来，稀土永磁材料迅速发展，其矫顽力高、抗去磁能力强，且常规去磁曲线在大范围线性可逆等特点为永磁无刷直流电动机的设计开辟了广阔的前景。
同时现代电力电子器件工艺日臻成熟，出现了功率晶体管（GTR）、可关断晶闸管（GTO）、功率场效应晶体管（MOSFET），特别是绝缘栅双极晶体管（IGBT）、MOS可控晶闸管（IGCT）的开发成功，使无刷直流电机功率驱动电路的可靠性和稳定性得到保障[4]。
现在，永磁无刷直流电动机的概念己经由最初特指的具有电子换向的永磁直流电动机延拓至所有具备有刷直流电动机外部特性的电子换向式永磁电动机。
永磁无刷直流电动机的发展也使得传统的电机学科同当代许多新技术的发展密切相关。
随着大功率半导体器件、电力电子技术、微电子技术、数字信号处理技术、现代控制理论的发展以及高性能永磁材料的不断出现，如今的永磁无刷直流电机系统己经成为集特种电动机、功率驱动器、检测元件、控制软件与硬件于一体的典型的机电一体化产品，体现了当今工程科学领域的许多最新成果。
我国无刷直流电机的研制工作始于二十世纪70年代初期，主要集中在一些科研院所和高等院校。
限于我国元器件水平及相关理论与实践相结合的程度还比较低，尤其是制造工艺和加工设备距离国际水准差距较大，所以目前我国无刷电机综合水平仍低于国际水平，有待进一步的研究和开发。
1.2论文的研究意义
无刷直流电机既具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等特点，故在当今国防和国民经济的各个领域，如医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺、家电和航空航天等方面的应用日益普及[2]。
由于无刷直流电机不存在机械电刷，但存在电机的电子换向问题，在无刷电机控制中的一个关键问题是要解决电子换向控制器的设计和实现。
从目前的发展趋势来看，以数字信号处理器（DSP:
DigitalsignalProcessor）为核心的控制电路将代表无刷直流电机电子换向控制器的发展方向。
针对电机控制所设计的DSP芯片运算速度远远高于单片机，而且片内集成了模拟/数字转换器、数字I/O以及专门用于电机控制的PWM脉冲发生器等，使得它们从硬件机制上可以较好地满足电机控制系统的要求。
此外，DSP强大的事件管理器可以实时地执行一些高精度的复杂控制算法，减少传感器信号采样到控制命令输出之间的延迟，改善速度控制中的动态行为。
无刷直流电机是当今效率最高的调速电机之一，与其相关的控制技术研究是当今电机领域的热门课题，其中有很多问题值得深入研究，如无刷直流电机的转矩脉动、最佳换向和转子位置检测问题,本文对相关的主要问题进行了研究。
第二章无刷直流电机控制分析
2.1电机结构分析
2.1.1基本结构框图
无刷直流电机从结构上来看，与传统的直流电机主要区别在于:
用装有永磁体的转子取代有刷直流电机的定子磁极;
用具有多相绕组的定子取代电枢;
用由固态逆变器和轴位置检测器组成的电子换向器取代机械换向器和电刷。
因此，直流无刷电机一般由永磁电机本体、逆变器和转子位置传感器组成[3]。
图2-1无刷直流电机的组成框图
电机本体由主定子和主转子组成，逆变器由功率逻辑开关线路和位置信号处理电路组成，位置传感器则由定子传感器和转子传感器组成。
综上所述，组成直流无刷电机各主要部件的框图如图2-1所示。
2.1.2电机本体
无刷直流电机其转子采用永久磁铁励磁，目前多使用稀土永磁材料。
由于转子磁场的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布为正弦波和梯形波两种。
因此，当转子旋转时在定子上产生的反电势波形也有两种‘这两种直流无刷电机在原理、模型及控制方法上有所不同，对于正弦波直流无刷电机，希望在绕组中获得正弦波形式的反电势，其绕组形式采用短距、分布或分数形式，以尽可能削弱其它次谐波，从而保留基波。
而方波直流无刷电机为了获得顶宽为120°
的方波或梯形波，定子绕组采用整距、集中的形式，以保留磁密中的其它谐波。
（1）主定子是电机本体的静止部分。
它由导磁的定子铁芯、导电的电枢绕组及固定铁芯和绕组用的一些零部件、绝缘材料、引出部分等组成，如机壳、绝缘片、槽楔、引出线及环氧树脂等。
（2）主转子是电机本体的转动部分，是产生激磁磁场的部件。
它由三部分组成:
永磁体、导磁体和支撑零部件。
永磁体和导磁体是产生磁场的核心，系由永磁材料和导磁材料组成。
2.1.3转子位置传感器简介
位置传感器在直流无刷电机中起着测定转子磁极位置的作用，为逆变器提供正确的换相信息。
位置传感器与电机同轴安装，由于逆变器的导通次序是与转子转角同步的，因而与逆变器一起，起着与直流有刷电机的机械换相相类似的作用。
位置传感器种类较多，特点各异。
目前，直流无刷电机系统的位置传感器多为电磁式、光电式和磁敏式。
也有少数用正余弦旋转变压器和编码器等位置传感器的，但这些元件成本较高、体积较大、配套线路复杂，在一般直流无刷电机中较少采用。
本次设计采用磁敏式位置传感器中的霍尔位置传感器。
霍尔位置传感器是利用电流的磁效应进行工作的，由与电机同轴安装、多只空间均匀分布的霍尔元件构成。
由于直流无刷电机的永磁转子多用钦铁硼等稀土永磁材料，瓦片型永磁体直接粘贴在转子铁心上，故其气隙磁场在空间呈矩形分布。
霍尔元器件在磁场作用下会产生霍尔电势，经整形、放大后即可输出所需转子位置电平信号，构成了原始的位置信号[5]。
图2-2为霍尔集成电路及其开关型输出特性。
（a）霍尔集成电路（b）开关型输出特性
图2-2霍尔传感器
2.2无刷直流电机工作原理
直流无刷电机三相绕组主回路基本类型有三相半控和三相全控两种。
三相半控电路的特点是简单，一个功率开关控制一相的通断，每个绕组只通电1/3的时间，另外2/3时间处于断开状态，没有得到充分的利用。
所以我们采用三相全控式电路。
众所周知，三相绕组的联结方式有△和丫之分，而它们的通电方式又可分为两两导电方式和三三导电方式两种。
这里以丫联结三相全控桥两两通电方式为例进行介绍，电路如图2-3所示。
所谓两两导通方式是指每一个瞬间有两个功率管导通，每隔1/6周期（60°
电角度）换相一次，每次换相一个功率管，每一功率管导通120°
电角度。
各功率管的导通顺序VIVZ一VZV3一V3V4一V4VS一VSV6一V6VI一VIVZ，当功率管VIVZ导通时，电流从V1管流入A相绕组，再从C相绕组流出，经VZ管回到电源。
图2-3三相全控桥两两通电电路
直流无刷电机转子位置与换相关系如图1-5所示。
假设当转子处于图2-4中（a）位置时为0°
，相带A’、B’、C’在N极下，相带A、B，、C在S极下，这时A相正向通电，B相反向通电，C相不通电，产生的定子磁场与转子磁场相互作用，使转子转动。
当转过60°
角后，转子位置如图2-4中（b）所示。
如果转子继续转下去进入图2-4中（c）所示的位置，就会使同一磁极下的电枢绕组中有部分导体的电流方向不一致，他们产生的磁场相互抵消，削弱磁场，使电磁转矩减小[6]。
（a）A正向通电，B反向通电（b）转过60°
（c）继续旋转
（d）A相正向通电，c相反向通电，转过60°
（e）B相正向通电，C相反向通电
（f）转过60°
（g）B相正向通电，A相反向通电
（h）转过60°
（i）C相正向通电，A相反向通电
（j）转过60°
（k）C相正向通电，B相反向通电（l）转过60°
图2-4直流无刷电机转子位置与换相的关系
因此，为避免出现这样的结果，当转子转到图2-4中（b）就必须换相，使B相断电，C相反向通电。
转子继续旋转，转过图2-4中（d）所示位置，同上所述也要进行换相，即A相断电，C相转过60°
后到B相正向通电如图2-4中（e）所示。
这样下去，转子每转过60°
就换相一次，电机就会平稳地旋转下去[7]。
根据图2-4的通电方式，三相Y联结两两通电方式的通电规律如下:
表2-1三相Y联结两两通电方式的通电规律
通电顺序
正转（逆时针）
转子位置（°
）
0~60
60~120
120~180
180~240
240~300
300~360
开关管
1，6
1，2
3，2
3，4
5，4
5，6
A相
+
—
B相
C相
反转（顺时针）
注：
表中“十”表示正向通电;
“一”表示反向通电。
图2-5电流与感应电动势的波形
第三章控制系统硬件和软件设计方案
3.1控制芯片的选取
TMS32O的C2000系列芯片是专门为数字控制、运动控制设计的。
采用该系列DSP芯片使得电机控制系统设计更加简单、方便，可以用于无刷直流电机、交流电机、同步电机、开关磁阻电机的控制[8]。
现代DSP芯片作为可编程超大规模集成电路（VLSI）器件，通过可下载的软件或内部硬件来实现复杂的数字信号处理功能。
DSP芯片除具备普通微处理器的高速运算和控制功能外，在处理器结构、指令系统和指令流程设计等方面都做出了较大的改进。
近年来TI推出了专用在电机控制方面的一系列DSP芯片，如TMS320F240、
TMS320F240X、TMS320F28XX等。
其中TMS320F28XX不再是16位内核，而是一款具有32位全新内核，专门针对一些高精密、高实时性应用而设计的高速定点DSP，性能为15OMPIS的32位运算速度[9]。
考虑到芯片性价比以及供货等综合因素，本文采用的DSP为TMS320LF2407A，该芯片是TI公司生产的16位定点数字信号处理器TMS320C2000家族中的一种，是TMS32OX240X系列DSP控制器中功能最强、片上设施最完备的一个型号，采用该芯片设计控制器，只需要很少的外围芯片即可完成基本上所有的控制任务。
之所以称TMS320LF2407A为电机控制专用芯片，主要原因在于该芯片内置有功能强大的事件管理器、PWM脉冲发生器和两路10位模数转换模块。
有了事件管理器强大的实时处理功能和PWM控制波形发生器以及两路同时采样、保持、转换的高速A/D，TMS320F2407A几乎可以实现任何电机控制[10]。
3.2无刷直流电机控制系统方案设计
3.2.1无刷直流电机控制技术的发展
常规控制器（PID控制）尽管控制精度较高，但它需要建立描述动态系统的精确的数学模型，对于未知动态变化的系统要建立精确的数学模型是比较困难的。
比如干扰、参数漂移和噪声等不可能在很高的精度下进行模型化。
直流无刷电机是一个多变量、非线性、强耦合的对象，因此利用模糊控制、神经网络控制、自适应控制、专家系统等具有自学习、自适应、自组织功能的智能控制来进行无刷直流电机的控制是一种有效的手段，控制器的计算和存储能力的不断增强也为这些先进控制算法的实现提供了有利的条件。
直流无刷电动机控制技术发展经历了如下的发展过程：
1无位置传感器控制
2有位置传感器控制
3变结构控制
4模糊控制和PID相结合的Fuzzy-PID控制
5神经网络和模糊控制相结合的复合控制
3.2.2有位置传感器的直流无刷电动机控制策略
图3-1是三相直流无刷电动机调速控制框图。
给定转速与速度反馈量形成偏差，经速度调节后产生电流参考值，它与电流反馈量的偏差经电流调节后形成PWM占空比的控制量，实现电动机的速度控制。
电流的反馈是通过测量电阻的压降来实现。
速度反馈则是通过霍尔位置传感器输出的位置量，经过计算得到的。
位置传感器输出的位置还用于控制换相。
图3-1三相直流无刷电动机调速控制框图
3.2.2.1电流检测
我们用位于桥式逆变电路的低电压端与地之间的分压电阻R来检测主回路上的电流如图3-2所示。
将电压输入值传到DSP处理器的ADC输入端口,这样可以测出流经主回路上的电流。
图3-2电流检测连接图
为实现20KHz的电流环，电流每50us采样一次，在每个PWM周期之初载入电流检测值以产生一个新的占空比来改变PWM波，同时应该注意，那就是在功率管关断的时刻不要进行电流检测，那是因为在关断的时刻相电流的流动是不可测的，并不能反映相电流的大小。
3.2.2.2位置检测
这里我们用的是一个具有三个霍尔元件作位置传感器的直流无刷电机。
霍尔元件由电源板5V辅助电源供电，位置传感器的输出直接输入到TMS320LF2407的捕获口CAP1~CAP3,由于位置信号来自3个霍尔元件而不是光电编码器，捕获单元由软件设置成4个捕获输入（其中3个是必需的），而不是作为QEP接口形式。
捕获单元的时基选Timer2，它被设置成连续向上计数模式，它检测的最慢速度靠它最大的可以设置周期值来决定，T2PER（定时器2周期寄存器）设置为0xFFFFh，并且分频设置成128，这个设置允许速度降低到12rpm（当主频率CPUCLOCK=10MHZ时）[11]，通过检测霍尔传感器输出的三个180°
宽、相位相差120°
信号的上升沿与下降沿，可以得到六个位置发生变化的时刻。
在捕获到变化时刻的同时，DSP相应的中断标志位置1，发出中断请求产生捕获中断，调用相应的中断处理程序即可得到所要的位置信号并进行相应处理。
而且中断处理程序还可以根据Timer2的值算出两位置发生变化之间的时间差，得到速度的信息。
3.2.3PWM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的变化率都是可控的，因为PWM波的频率是固定的，因此可以用滤波器将由高频、低频信号产生的机械噪声及电磁噪声很好地滤掉。
另外有两种方式控制驱动功率管的开关，一种是硬开关方式，另一种是软开关方式。
硬开关方式就是逆变器的上下两功率管用同一个脉冲信号驱动两个功率管，在同一时刻导通一个功率管，关断一个功率管，这种方式比较简单，只需控制三个脉冲信号就可以了。
但是相对于软开关方式电流的波动比较大，软开关方式不仅仅可以控制电流和电流的变化率，还可以将电流的波动降到最小，在软斩波方式下，低端的功率管始终保持开状态，导通时上桥臂功率管的开关由脉冲信号决定，在这种情况下需要控制6个PWM信号。
3.3基于DSP技术控制的硬件设计
3.3.1硬件电路设计
针对以上对直流无刷电机控制系统的分析，进行了基于DSP的直流无刷电机高性能实用数字控制系统的研制，控制系统硬件构成如图2-3所示。
采用的控制系统主要由DSP接口电路、功率驱动电路、三相逆变、逻辑控制电路及保护电路等。
电流、磁极位置脉冲信号分别由DSP的A/D转换接口、工/O接口、QEP/CAP单元输入。
DSP跟据控制指令、参考速度指令及反馈转速输出PWM脉冲信号，驱动IGBT构成的桥式逆变电路控制直流无刷电机。
图3-3系统控制和驱动电路
在图3-3所示的系统控制和驱动电路中,3个位置间隔120°
的霍尔传感器H1、H2、H3经整形隔离电路后分别与TMS320LF2407A的3个捕捉引脚CAP1、CAP2、CAP3相连,通过产生捕捉中断给出换相时刻,同时给出位置信息。
3.3.2功率模块、驱动模块、保护电路设计
要驱动电动机运行，如果给全控系统的每个MOSFET管都连接一个驱动电路，将需要有6个驱动电路，同时还要相应的配备驱动电源。
而采用电机前置驱动电路，利用驱动器自身的输出调节功能，不仅可以简化电路，还可以提高电路的稳定性，同时由于带有硬件保护电路，所以还能够提供短路、过流、欠压、过压等故障的保护功能。
这里采用IR2130驱动器。
IR2130是一种高电压、高速度的功率MOSFET和IGBT驱动器，工作电压为10～20V，分别有三个独立的高端和低端输出通道。
逻辑输入与CMOS或LSTTL输出兼容，最小可以达到2.5V逻辑电压。
外围电路中的参考地运算放大器通过外部的电流检测电位器来提供全桥电路电流的模拟反馈值，如果超出设定或调整的参考电流值，IR2130驱动器的内部电流保护电路就启动关断输出通道，实现电流保护的作用。
IR2130芯片可同时控制六个大功率管的导通和断开顺序，通过输出HO1、2、3分别控制三相全桥驱动电路的上半桥Q1、Q3、Q4的导通关断，而IR2130的输出LO1、2、3分别控制三相全桥驱动电路的下半桥Q2、Q4、Q6的导通关断，从而达到控制电机转速和正反转的目的。
IR2130芯片内部有电流比较电路，可以进行电机比较电流的设定。
设定值可以作为软件保护电路的参考值，这样可以使电路能够适用于对不同功率的电机的控制。
其典型引脚连接图如下图3-4所
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