無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)--畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯

1、無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研制指導(dǎo)老師：答辯人：班級(jí)：時(shí)間：前言無刷直流電機(jī)既具備交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多特點(diǎn)，因此在眾多領(lǐng)域中得到了廣泛的運(yùn)用。本文以TMS320F2812DSP為核心控制芯片，通過改變定子繞組電壓的幅值來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，運(yùn)用PID控制算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)無刷直流電機(jī)的高性能控制，成功地完成了對(duì)無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。1無刷直流電機(jī)原理1.1無

2、刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理1無刷直流電機(jī)原理當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號(hào)，去控制電子開關(guān)線路，從而使定子各相繞組按一定次序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。由于電子開關(guān)線路導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機(jī)械換向器的換向與調(diào)速的作用。無刷直流電動(dòng)機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)本體，位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。三相定子繞

3、組分別與電子開關(guān)線路中相應(yīng)的功率開關(guān)器件聯(lián)接，A相、B相、C相繞組分別與功率開關(guān)管VT1、VT2、VT3相接。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接。2PID控制器的設(shè)計(jì)PID控制調(diào)節(jié)器是對(duì)信號(hào)進(jìn)行比例積分微分校正運(yùn)算的裝置。比例調(diào)節(jié)對(duì)干擾有及時(shí)而有力的抑制作用；積分調(diào)節(jié)的作用是消除靜態(tài)誤差；微分調(diào)節(jié)主要用來加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少超調(diào)，克服振蕩。PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：2.1PID控制器的控制原理2PID控制器的設(shè)計(jì)PID控制系統(tǒng)原

4、理圖如圖，由圖可知，e(t)=r(t)y(t)e(t)作為PID控制器的輸入；u(t)作為PID控制器的輸出和被控對(duì)象的輸入。2PID控制器的設(shè)計(jì)——比列系數(shù)——積分常數(shù)——微分常數(shù)——控制常量將積分和微分項(xiàng)離散化處理，得到離散的PID表達(dá)式：PID控制器的控制規(guī)律為：3無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本課題以TMS320F2812DSP芯片為控制核心，通過改變電驅(qū)電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的調(diào)節(jié)。系統(tǒng)主要分為三個(gè)部分如圖：電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，DSP控制

5、系統(tǒng)，人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。3.1調(diào)速系統(tǒng)硬件主體設(shè)計(jì)3無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)DSP控制系統(tǒng)：包含DSP控制單元和檢測(cè)單元。檢測(cè)單元采集電機(jī)運(yùn)行的相關(guān)信息，并送給DSP主控制器?？刂茊卧鶕?jù)系統(tǒng)的運(yùn)行設(shè)定參數(shù)以及系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷直流電機(jī)的自適應(yīng)調(diào)整控制；電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：主要完成對(duì)信號(hào)的放大和檢測(cè)，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)異常時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片就會(huì)根據(jù)反饋的信息產(chǎn)生報(bào)錯(cuò)信號(hào)，并同時(shí)使電機(jī)驅(qū)動(dòng)端口輸出強(qiáng)制置低，鎖定電機(jī)起到保護(hù)作用；人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)：

6、實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控，根據(jù)運(yùn)行情況的改變進(jìn)行必要的人為調(diào)整；3無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電機(jī)本體的電樞繞組為三相星型連接，位置傳感器與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸，控制電路對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生控制信號(hào)，控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后控制逆變器的功率開關(guān)管，使電機(jī)的各相繞組按一定的順序工作。3.2電機(jī)主電路3無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)TMS320F2812需要兩路供電電源：內(nèi)核1.8V和外圍設(shè)備3.3V。TPS7

7、67D318PWP電源電平轉(zhuǎn)換電路如圖所示，圖中TPS767D318PWP的通道1輸出1.8V供給DSP內(nèi)核，通道2輸出3.3V供給DSP外圍設(shè)備。3.3供電電源電路3無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)合理的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。PWM驅(qū)動(dòng)電路圖如所示，驅(qū)動(dòng)芯片采用帶光耦隔離的專用驅(qū)動(dòng)芯片HCPL3120，為保證功率管D1可靠關(guān)斷，抑制dvdt引起的誤觸發(fā)，D1采用穩(wěn)壓管IN4733，使其獲得5V左右的關(guān)斷電壓。功率管的柵極串

8、聯(lián)電阻R2=10Ω，用來抑制控制脈沖的前后沿坡度和防止振蕩，并通過高速二極管D2來加速功率管的反向關(guān)斷。柵源極最近處并聯(lián)R4=10KΩ，抑制功率管誤導(dǎo)通。3.4PWM驅(qū)動(dòng)電路3無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)PWM驅(qū)動(dòng)電路圖3無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)TMS320F2812的PWM引腳驅(qū)動(dòng)能力小，不能滿足TA對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求，因此需要設(shè)置PWM接口電路。接口電路采用雙軌供電的SN74LVCC4245芯片，該芯片的B口3.3V供電，和DSP

9、的PWM引腳直接連接；A口5V供電，為前級(jí)驅(qū)動(dòng)三級(jí)管提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。3無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.5串行接口電路串行通信接口是采用雙線通信的異步串行通信接口，F(xiàn)2812的SCI模塊采用標(biāo)準(zhǔn)非歸零數(shù)據(jù)格式，可以與CPU或其他通信數(shù)據(jù)格式兼容的異步外設(shè)進(jìn)行數(shù)字通信。3無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本課題選用電流傳感器來檢測(cè)電機(jī)相電流，電流檢測(cè)信號(hào)一是用來反饋給DSP用做電流PI調(diào)節(jié)；二是用來實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)功能。3.6電流檢測(cè)電路4無刷直流電機(jī)

10、調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本文的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟件主體包括四大部分:系統(tǒng)初始化程序、DSP主控制程序、MCU控制程序、中斷服務(wù)程序。4.1軟件整體及主流程設(shè)計(jì)4無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)初始化程序負(fù)責(zé)完成DSP的初始化、DSP運(yùn)行環(huán)境的定義等工作。DSP主控制程序控制并檢測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，接收檢測(cè)到的信號(hào)，并傳遞給控制裝置，完成系統(tǒng)的調(diào)速。MUC控制程序負(fù)責(zé)檢測(cè)控制SPI通信接口及接收人工檢測(cè)信號(hào)。中斷服務(wù)程序中，首先讀取電流、電壓值

11、，判斷是否有過壓、過流發(fā)生，若有則中斷服務(wù)，若沒有則進(jìn)行轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)和電流的控制。4無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.2系統(tǒng)的初始化程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)初始化程序主要對(duì)DSP進(jìn)行必要的初始化設(shè)置，經(jīng)初始化設(shè)置后程序不斷判斷有無外部中斷、捕獲中斷、ADC中斷以及故障保護(hù)中斷。整個(gè)F2812DSP初始化主要分為系統(tǒng)初始化、外設(shè)初始化和全變量賦初值三大部分。4無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)DSP主程序主要是完成對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)、停止、有效控制電機(jī)的正常

12、運(yùn)行和出錯(cuò)處理，以及負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的通信?？刂葡到y(tǒng)主要是對(duì)無刷直流電機(jī)的實(shí)時(shí)調(diào)控，同時(shí)完成現(xiàn)場(chǎng)的通信和PC機(jī)的監(jiān)控通信。4.3DSP主程序4無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速采樣調(diào)節(jié)程序是通過位置傳感器檢測(cè)到的信號(hào)，得到當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速。并傳輸給DSP主控制芯片，主控制芯片計(jì)算得到當(dāng)前的電機(jī)轉(zhuǎn)速。將接受到的實(shí)際轉(zhuǎn)速與輸入量相比較，得到偏差值，然后通過PID的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制電機(jī)，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到輸入值，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。4.4轉(zhuǎn)速采樣與調(diào)節(jié)程序

13、總結(jié)與展望本課題針對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究，現(xiàn)將本文的主要內(nèi)容總結(jié)如下：(1)詳細(xì)介紹了無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理與運(yùn)行特性，建立了無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，為系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。(2)通過對(duì)實(shí)際電機(jī)的仔細(xì)分析，利用DSP主控制芯片，結(jié)合功率轉(zhuǎn)換模塊，完成了無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。(3)以DSP芯片TMS320F2812為核心，設(shè)計(jì)了主控制單元，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)DSP調(diào)速系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)

14、控制。(4)針對(duì)存在各種隨機(jī)干擾的無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，采用PID閉環(huán)算法，給出了一種具有自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)姆答伩刂品桨?。該方案?duì)多種系統(tǒng)干擾具有較強(qiáng)的抑制能力?？偨Y(jié)與展望本文在無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制策略和硬件實(shí)現(xiàn)方面作了一些工作，但該系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及到許多問題，由于本人時(shí)間和能力的限制，還有許多問題有待深入地研究和思考。(1)由于TMS320F2812的主頻較小，在復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)上還存在著一定的困難，整個(gè)硬件系統(tǒng)的抗擾性和