基于dsp的无刷直流电机调速系统设计.docx

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基于dsp的无刷直流电机调速系统设计

摘要

无刷直流电机（简称BLDCM）是一种新型的机电一体化产品，它既具备异步电机结构简单、运行可靠和维护方便的特点，又具备直流电机调速性能好的特点，因此实现无刷直流电机自动控制技术具有相当大的理论研究价值和实际应用意义。

本文在掌握无刷直流电机工作原理，并比较分析目前关于无刷直流电机控制系统研究成果的基础上，对无刷直流电机调速控制系统进行了重点研究。

利用无刷直流电机的相变量建立其数学模型，提出具体的调速控制方法，并在此基础上设计出想关的控制算法和系统软、硬件。

本文首先论述了无刷直流电机的基本工作原理、组成环节、运行特性和传递函数。

根据无刷直流电机的特点和DSP芯片的功能，设计了一种基于DSP的无刷直流电机调速控制系统。

整个直流控制系统的设计采用的双闭环控制，系统外环为转速环，内环为电流环，速度环和电流环都采用PI控制算法。

在理论分析的基础上，本文以TI公司的TMS320F2812DSP为主控制芯片，完成了无刷直流电机调速系统硬件和软件的设计。

其中硬件部分包括DSP主控电路，功率变换电路、IGBT驱动电路、电流采样电路、转子位置信号检测电路、按键和显示电路。

软件部分包括主程序模块、初始化模块，速度环模块、电流环模块等设计。

最后，为了验证控制算法的精度，本文在MATLAB\Simulink仿真平台上进行了仿真，仿真结果表明其算法能满足一般情况下无刷直流电机的控制精度。

关键词：

无刷直流电机；DSP；PID；仿真

TheDesignofDirectCurrentMotor

Speed-adjustingSystemBasedonDSP

Abstract

Brushlessdirectcurrentmotor（BLDCM）isanewkindofelectromechanicalproducts.Ithasnotonlythecharacteristicsofasynchronousmotor’ssimplestructure,operationalreliabilityandconvenientmaintainbutalsothecharacteristicsofgoodadjustingperformanceofDCmotor.SothereisimportanttheoreticalresearchvalueandpracticalsignificanceinusingthetechnologyofautomationtoaccomplishthecontrolofBLDCM.

BasedontheBLDCMworkingprinciple,comparingandanalyzingofthecurrentresearchachievementofBLDCMcontrolsystem,thispapermainlyfocusesonspeedadjustmentoftheBLDCMcontrolsystem.ThemathematicalmodelofBLDCMisestablishedwiththephasevariable,andpresentsthespecificmethodofspeedadjustment,makingafeasibleproposal,thendesignthehardwareandsoftwarethatusedinthesystem.

ThispaperfirstdiscussesthebasicworkingprincipleofthebrushlessDCmotor,integralaspectoftheoperatingcharacteristicsandtransferfunction.

AccordingtothecharacteristicsofbrushlessDCmotorandfunctionsoftheDSPchip,aDSP-basedbrushlessDCmotorspeedcontrolsystemisdesigned.TheDCcontrolsystemdesignedwithdualclosed-loopcontrolsystem,theouterringisspeedloop,theinneriscurrentloop,thespeedloopandcurrentloopbotharePIcontrolalgorithm.

Onthebasisoftheoreticalanalysis，thesoftwareandhardwareofthebrushlessDCmotorcontrolsystembasedonTMS320F2812DigitalSignalProcessor（DSP）aredesigned.ThehardwareincludesTMS320F2812maincontrolcircuits,powerconvertingcircuits,IGBTdrivingcircuits,currentsamplingcircuits,detectingcircuitsofthemotor'spositionsignal，speeddisplayandkeyboardprocessingcircuits;thesoftwareincludesthemainprogrammodule,initializationprogrammodule,speedclosed-loopprogrammodule,andcurrentclosed-loopprogrammodule.

Finally,toverifytheaccuracyofthealgorithm,thispaperhasusedtheMATLAB\Simulinksimulationplatformforsimulating,thesimulationresultshowsthatthealgorithmcanmeetthegeneralbrushlessDCmotorcontrolaccuracy.

KEYWORDS:

BLDCM;DSP;PID;simulation

附录A系统硬件接线图.................................................................................................................见纸质图

插图清单

图2-1双闭环控制系统框图..........................................................................................................................6

图3-1无刷直流电机调速系统框图..............................................................................................................7

图3-2电压转换电路......................................................................................................................................8

图3-3复位电路...............................................................................................................................................8

图3-4时钟振荡电路......................................................................................................................................8

图3-5功率变换电路....................................................................................................................................10

图3-6IGBT驱动电路....................................................................................................................................10

图3-7电流检测电路.....................................................................................................................................11

图3-8位置信号检测电路............................................................................................................................12

图3-9按键电路............................................................................................................................................13

图3-108段LED结构图................................................................................................................................14

图3-11显示电路...........................................................................................................................................14

图4-1主程序流程图....................................................................................................................................16

图4-2初始化程序流程图............................................................................................................................17

图4-3按键处理子程序流程图....................................................................................................................18

图4-4速度显示子程序流程图....................................................................................................................19

图4-5速度闭环子程序流程图....................................................................................................................20

图4-6测速子程序流程图............................................................................................................................20

图4-7电流闭环子程序流程图....................................................................................................................21

图4-8数字PI调节流程图............................................................................................................................22

图4-9位置检测流程图................................................................................................................................23

图4-10换相子程序流程图..........................................................................................................................24

图4-11保护中断子程序流程图...................................................................................................................25

图5-1A相反电动势和电流波形图..............................................................................................................27

图5-2无刷直流电机三相模型等效电路图................................................................................................28

图5-3无刷直流电机动态结构图................................................................................................................28

图5-4系统数学传递函数图........................................................................................................................30

图5-5控制算法仿真框图............................................................................................................................33

图5-6仿真示波器显示结果图....................................................................................................................33

插表清单

表3-1按键值与各引脚电平值对应表........................................................................................................13

表3-2显示数值与通用I/O口输出状态对应表..........................................................................................15

引言

随着国民经济的发展和生活质量的提高，电机的使用已经深入到大家生活的每一个方面。

我们通常所使用的直流电机在进行电刷换相控制时是通过机械刷来进行的，这样就很容易产生电磁干扰、噪声和火花等，并且机械刷的磨损也降低了电机的稳定性，同时维护困难，成本较高，限制了其发展。

因此采用机械刷进行换相工作的直流电机己经不能满足人们的需求，从而使大量电子刷换相电机即无刷直流电机开始出现在人们的生活中。

从1978年，前联邦德国M叭凶NESM趟州公司在汉诺威贸易展览会上正式推出MAC永磁无刷直流电机及其驱动系统，意味着运用电子刷进行换相操作的电机开始进入到实际应用阶段。

近些年来永磁材料，计算机技术，智能控制技术以及电子电力技术尤其是大功率开关元件技术得到了飞速的发展，因此无刷直流电机也得到了实质性的发展。

无刷直流电机不仅具有工作效率高，无电磁磨损，控制品质提升，体积和重量小等优点，还具有组成简单，工作稳定，修理方便和低噪音等优点。

现今的无刷直流电机控制系统正在向着集驱动元件、检测元件、控制程序和电子电路于一身的机电一体化设备迈进，因此根据无刷直流电机的这些性能优势，它已经广泛应用在军事军工、航空航天领域，工业生产和人民生活中。

例如在自动化控制领域，如焊接行走设备，数控机床，智能流水线，智能机器人等。

目前在实际生产和应用中，无刷直流电机的调速控制一般都采用数字PID控制，这种控制方法算法简单，结构简易，应用方便，本文采用的就是这种控制方法。

在研究了无刷直流电机的结构和调速原理的基础上，本设计选用了速度、电流双闭环控制系统，用DSP作为主控制芯片，能够得到较好的控制效果。

希望本论文能对无刷直流电机控制系统设计的发展有一定的积极推动作用。

第1章绪论

1.1课题提出的技术背景

当前无刷直流电机调速系统的研究方向主要体现在硬件和软件上。

在硬件上主要是对电机控制器的选择和使用，软件主要的研究领域在控制算法上。

20世纪70年代以来，通用单片机开始在电机控制系统中广泛使用。

在单片机控制系统中，单片机作为系统的硬件核心，主要用来完成一些控制算法，同时还要处理一些输入输出、显示任务等。

单片机的使用使电机控制系统的性能得到了很大提高。

然而，受单片机本身结构的限制，以单片机为核心的控制系统仍然需要较多的外围元器件，例如需要外部扩展存储器以保存用户程序、需要外接模拟/数字（A/D）转换器来实现模拟信号输入等。

系统中元器件的增加使得系统的可靠性、可维护性降低，增加了印制电路板的尺寸，同时也增加了系统的成本。

另外由于单片机的处理速度比较慢，使得高系统性能的复杂控制算法，如模糊控制、神经网络控制等，很难做到实时执行。

此外，现代电机广泛采用PWM控制方法，而在一般的单片机中都没有可产生PWM脉冲的硬件设备。

为了产生PWM脉冲，需要在单片机中通过软件编程来实现，这从另一个侧面限制了系统性能的提高。

因此，基于单片机的电机控制系统主要适用于那些控制精度、性能要求不太高的场合。

在单片机控制系统发展的同时，电机控制专用芯片也开始出现。

电机专用芯片不具有用户可编程的特点，它以硬件方式对电机的各类传感器信号（如转子位置信号、光电编码器的输出信号等）进行检测，根据外部的输入命令，输出相应的控制信号给电机的功率逆变电路。

该类芯片价格便宜，执行速度快。

然而，这些芯片所实现的控制作用非常简单（受芯片内部硬件电路决定），且难以做到将来的升级。

因此，基于专用电机芯片构成的电机控制系统可以很好地满足一些要求简单、实时性要求高的场合。

为了使电机控制系统既可以适用于一般的应用场合，又可以满足一些高精度、高性能的控制要求，美国德州仪器（TI）公司推出了而向运动控制、电机控制的TMS320x28xx系列DSP控制器。

该系列DSP控制器，具有20/30/40MIPs（每秒百万条指令）的执行速度，32位字长；同时配合专用的PWM脉冲发生电路、A/D转换器、数字I/O接口等用于控制的片上外设，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。

它们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。

随着电子技术的不断发展，DSP控制器芯片的成本也在不断降低。

这些都使得基于DSP的控制系统逐渐成为应用的主流。

根据自动控制理论，高质量的调速系统必须为带有负反馈的闭环系统。

控制精度、稳定性和抗干扰能力是衡量系统整体性能高低的重要因素，而要使系统有较高的控制精度和稳定性，较强的抗干扰能力，采用合适的控制方法至关重要。

传统的电机调速系统的控制算法大多采用PID控制算法，该算法简单、鲁棒性好、结构简单，对模型依赖程度小等优点，广泛应用于工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。

1.2主要研究内容

本设计以2对极3相星形联接无刷直流电机为被控对象，以TMS320F2812定点DSP芯片为主控芯片，采用PI控制算法，实现了速度、电流双闭环的无刷直流电机调速系统。

具体研究内容如下：

（1）阅读相关参考文献，分析直流电机的基本结构，工作原理，建立数学模型并确定速度控制方法。

（2）PID电机速度控制算法的设计：

本文采用的是基于PI算法的速度、电流双闭环控制。

（3）电机调速系统的硬件和软件的设计：

硬件电路包括控制电路部分，功率转换电路，驱动电路和检测电路；软件部分包括初始化模块、按键模块、显示模块、速度环模块和电流环模块。

（4）使用MATLAB对控制算法进行仿真。

1.3研究的意义

随着科学技术的发展，在航天航空随着科学技术的发展，在航天航空、国防、民用工业等多种领域，对无刷直流电机调速系统的性能要求越来越高。

同时由于无刷直流电机是一个非线性、多变量的系统，传统的控制方法无法满足控制精度的要求，在此基础上本文提出了基于DSP的电流、速度双闭环控制系统，有效地提高了系统的鲁棒性和系统的静态性能，对于提高无刷直流电机的调速精度和稳定性有着重要的意义。

TMS320F28XX系列DSP是TI公司近年来推出的面向电机数字控制的32位定点数字信号处理器，其具有高速信号处理和数字控制所必须的体系结构特点，有为电机控制应用提供较多的外围设备。

另外，DSP的高