無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研制--畢業(yè)設(shè)計報告

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　無刷直流電動機(jī)(BLDC)是隨著電機(jī)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型電機(jī)。它既具備交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵磁損耗以及調(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。</p><p>　　本文以TMS320F

2、2812DSP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控制算法實現(xiàn)了對無刷直流電機(jī)的高性能控制，成功地完成了對無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。</p><p>　　關(guān)鍵字：無刷直流電機(jī)，繞組電壓，DSP，PID</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Brushless DC motor

3、(BLDC) is a new type motor emerging with the development of technology, power electronics technology and motor control. It is based on brush DC motor, due to a series of advantages of Brushless DC motor not only has the

4、AC motor has simple structure, reliable operation, convenient maintenance and so on, and has high efficiency DC motor, no excitation loss and good timing performance and other characteristics, and therefore become a rese

5、arch hotspot.</p><p>　　This paper introduces the present situation and development tendency of Brushless DC motor control, key talked about the operation principle, mathematical model, the intelligent contro

6、l algorithm for brushless DC motor, as well as the main control chip TMS320F2812 DSP structure and application characteristics. Brushless DC motor control system is a motor control system has the characteristic of digita

7、l. Mainly by changing the amplitude of stator winding voltage to adjust the speed of the rotor i</p><p>　　KEY WORDS: Brushless DC motor BLDC，Winding voltage，DSP，PID</p><p><b>　　目 錄</b&

8、gt;</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題研究的背景1</p><p>　　1.2 課題研究的現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 課題研究的內(nèi)容3</p><p>　　2 無刷直流電機(jī)的基本原理5</p><p>　　

9、2.1 無刷直流電動機(jī)的基本組成5</p><p>　　2.2 無刷直流電動機(jī)的基本工作原理6</p><p>　　2.3 無刷直流電動機(jī)的位置傳感器6</p><p>　　3 無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型及PID控制器的設(shè)計13</p><p>　　3.1 無刷直流電機(jī)的運(yùn)行特性13</p><p>　　3.2 無

10、刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩14</p><p>　　3.3 無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速15</p><p>　　3.4 電勢系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)15</p><p>　　3.5 無刷直流電機(jī)的動態(tài)特性16</p><p>　　3.6 PID控制算法17</p><p>　　3.7 PWM技術(shù)19</p><

11、p>　　4 無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計23</p><p>　　4.1 無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖23</p><p>　　4.2 電機(jī)控制平臺主電路設(shè)計23</p><p>　　4.3 電機(jī)主電路圖24</p><p>　　4.4 供電電源電路25</p><p>　　4.5 PWM驅(qū)動電路2

12、6</p><p>　　4.6 串行接口電路28</p><p>　　4.7 電流檢測電路29</p><p>　　5 無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計31</p><p>　　5.1 軟件整體設(shè)計31</p><p>　　5.2 系統(tǒng)的初始化程序設(shè)計32</p><p>　　5.3 系統(tǒng)

13、DSP主程序33</p><p>　　5.4 系統(tǒng)中斷服務(wù)程序34</p><p>　　5.5 系統(tǒng)子程序34</p><p>　　5.5.1 電流采樣計算子程序35</p><p>　　5.5.2 轉(zhuǎn)速采樣計算子程序35</p><p>　　5.5.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)子程序35</p><p

14、>　　6 總結(jié)與展望37</p><p><b>　　致 謝39</b></p><p>　　參考文獻(xiàn)...........................................................41</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>

15、　　1.1 課題研究的背景</p><p>　　無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是以電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速為控制對象，按生產(chǎn)機(jī)械工藝要求進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的自動化系統(tǒng)。根據(jù)電動機(jī)的不同，工程上通常分為直流電機(jī)和交流電機(jī)兩大類。 </p><p>　　縱觀電機(jī)的發(fā)展過程，交、直流兩大電機(jī)并存于各個時期的工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，雖然它們所處的地位和作用不同，但是它們始終是隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著電力電子學(xué)和微電子學(xué)的發(fā)

16、展，在相互競爭、相互促進(jìn)中完善著自身。由于直流電動機(jī)具有良好的線性調(diào)速特性，簡單的控制性能，因而在工業(yè)場合應(yīng)用廣泛。近代，由于生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對電機(jī)在起制動、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、和動態(tài)響應(yīng)方面都提出了更高的要求，所以用計算機(jī)控制電力拖動控制系統(tǒng)成為設(shè)算機(jī)應(yīng)用的一個重要內(nèi)容。</p><p>　　直流調(diào)速系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。隨著計算機(jī)技術(shù)和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，兩者的有機(jī)結(jié)合使電

17、力拖動控制產(chǎn)生了新的變化。計算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和直流拖動技術(shù)的組合是技術(shù)領(lǐng)域的交叉，具有廣泛的應(yīng)用前景。有不少的研究者已經(jīng)在用DSP作為控制器進(jìn)行研究。直流調(diào)速控制系統(tǒng)的控制方法經(jīng)歷了機(jī)械式的、雙機(jī)組式的、分立元件電路式的、集成電路式的、單片機(jī)式的發(fā)展過程。隨著數(shù)字信號處理器DSP 的出現(xiàn)，給直流調(diào)速控制提供了新的手段和方法。將計算機(jī)技術(shù)的最新發(fā)展成果運(yùn)用在直流調(diào)速系統(tǒng)中，在經(jīng)典控制的基礎(chǔ)之上探討一種新的控制方法，為計算機(jī)技術(shù)在電力

18、拖動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用做些研究性的工作。用計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)直流調(diào)速控制系統(tǒng)，選取DSP 芯片作為控制器。直流調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)容十分豐富，有開環(huán)控制系統(tǒng)，有閉環(huán)控制系統(tǒng);有單閉環(huán)控制系統(tǒng)，有雙閉環(huán)控制系統(tǒng)和多閉環(huán)控制系統(tǒng);有可逆調(diào)速系統(tǒng)，有不可逆調(diào)速系統(tǒng)等。</p><p>　　本課題研究的控制對象是閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。目前，對于控制對象的研究和討論很多，有比較成熟的理念，但實現(xiàn)控制的方法和手段隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機(jī)技

19、術(shù)的發(fā)展，不斷地進(jìn)行技術(shù)升級。而這個過程經(jīng)歷了從分立元件控制，集成電路控制和單片機(jī)，計算機(jī)控制等過程。每一次的技術(shù)升級都使控制系統(tǒng)的性能有較大地提高和改進(jìn)。隨著新的控制芯片的出現(xiàn)，給技術(shù)升級提供了新的可能。</p><p>　　電機(jī)控制是DSP 應(yīng)用的主要領(lǐng)域之一，隨著社會的發(fā)展以及對電機(jī)控制要求的日益提高，DSP 將在電機(jī)控制領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用。本課題就是基于TMS320F2812 DSP芯片的無刷直流

20、電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　1.2 課題研究的現(xiàn)狀</p><p>　　無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)是一種新型的調(diào)速系統(tǒng)，具有良好的運(yùn)行、控制及經(jīng)濟(jì)性能，有著巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＦ渲袩o刷直流電機(jī)是利用電子換相替代機(jī)械換相和電刷，既具有直流電動機(jī)良好的調(diào)速性能，又具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動問題，嚴(yán)重阻礙了其調(diào)速系統(tǒng)性能的進(jìn)

21、一步提高和發(fā)揮，無法滿足一些高精度場合的控制要求。因此，研究能有效抑制無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動的高性能調(diào)速系統(tǒng)，具有非常重要的意義。</p><p>　　無刷直流電機(jī)是在有刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生發(fā)展而來的，在傳統(tǒng)電勵磁電機(jī)當(dāng)中，直流電機(jī)以其良好的轉(zhuǎn)矩特性和快速響應(yīng)能力而為工業(yè)界重視。直流電機(jī)有調(diào)速性能好、運(yùn)行效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是由于直流電機(jī)存在電刷、滑環(huán)等機(jī)械接觸部件，存在機(jī)械磨損，需維護(hù)和保養(yǎng)，而且會產(chǎn)生噪聲、無

22、線電干擾和火花，因而不能在有粉塵、易燃易爆物質(zhì)的環(huán)境中工作。再加上直流電機(jī)制造成本高及維修困難等缺點(diǎn)，大大限制了它的應(yīng)用范圍。針對上述傳統(tǒng)直流電機(jī)的弊端， 1955年，美國D．哈罩森等人首次申請了應(yīng)用晶體管換相代替電動機(jī)機(jī)械換向器的專利，這就是現(xiàn)代無刷直流電機(jī)的雛形。但由于該電動機(jī)尚無起動轉(zhuǎn)矩而不能產(chǎn)品化。而后又經(jīng)過人們多年的努力，借助于霍爾元件來實現(xiàn)換相的無刷直流電動機(jī)終于在1962年誕生。20世紀(jì)70年代以來，隨著電力電子工業(yè)的飛速

23、發(fā)展，許多新型的高性能半導(dǎo)體功率器件相繼出現(xiàn)，以及高性能的永磁材料問世，均為無刷直流電機(jī)的廣泛應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。</p><p>　　我國對無刷直流電機(jī)的研究起步比較晚，上世紀(jì)八十年代以前，國內(nèi)對無刷直流電機(jī)的研究幾乎空白。1987年，在北京舉辦的聯(lián)邦德國加工設(shè)備發(fā)展會，江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文SIEMENS和BOSCH兩公司展出了永磁式同步伺服系統(tǒng)和技術(shù)引進(jìn)的熱潮。經(jīng)過多年的努力，國內(nèi)已有無刷直流電機(jī)的系列產(chǎn)品

24、，形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模。尤其在近十幾年來，隨著電機(jī)技術(shù)及其相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，無刷直流電動機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。從有刷到無刷，從半控元件到全控元件，發(fā)展過程中各種新結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，從電機(jī)結(jié)構(gòu)到控制方式也層出不窮。為了科學(xué)界定無刷直流電機(jī)與其他類型電機(jī)，許多學(xué)者作了大量工作，其中A．Kusko在1988年提出包含電機(jī)本體與電路形式在內(nèi)的無刷直流電機(jī)的定義逐漸被廣泛接受。他提出無刷直流電機(jī)必須滿足以下5個條件：</p><p&g

25、t;　　(1)電機(jī)由定子電樞繞組和轉(zhuǎn)子永磁體構(gòu)成；</p><p>　　(2)逆變器直流供電；</p><p>　　(3)電機(jī)速度正比于直流電壓；</p><p>　　(4)逆變器矩陣開關(guān)函數(shù)決定定子繞組的端電壓；</p><p>　　(5)轉(zhuǎn)子位置檢測器的邏輯決定逆變器開關(guān)的導(dǎo)通時刻。</p><p>　　1.3 課

26、題研究的內(nèi)容</p><p>　　本課題研究的是無刷直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，它以TMS320F2812 DSP芯片為控制核心構(gòu)成無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，通過改變電驅(qū)電壓實現(xiàn)對電機(jī)速度的調(diào)節(jié)。系統(tǒng)主要分為三個部分如圖1-3：電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，DSP控制系統(tǒng)，人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。</p><p>　　圖1-3 無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖</p><p>　?、?各單元的主要作用：<

27、/p><p>　　DSP控制系統(tǒng)：它包含DSP控制單元和檢測單元。檢測單元采集電機(jī)運(yùn)行的相關(guān)信息，包括主回路電流信號、主驅(qū)動電壓信號、電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)相，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)的實時運(yùn)行狀態(tài)來實現(xiàn)對無刷直流電機(jī)的自適應(yīng)調(diào)整控制；</p><p>　　電機(jī)驅(qū)動及系統(tǒng)保護(hù)單元：主要完成對信號的放大和檢測，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)異常時，驅(qū)動芯片就會根據(jù)反饋的信息產(chǎn)生報錯

28、信號，并同時使電機(jī)驅(qū)動端口輸出強(qiáng)制置低，鎖定電機(jī)起到保護(hù)作用；</p><p>　　人機(jī)監(jiān)控單元：實現(xiàn)對系統(tǒng)實時運(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；</p><p><b>　　② 主要設(shè)計內(nèi)容：</b></p><p>　　1、DSP 數(shù)字信號處理控制系統(tǒng)的設(shè)計； </p><p>　　2、人機(jī)界面監(jiān)控系統(tǒng)

29、的設(shè)計； </p><p>　　3、電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計； </p><p>　　4、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計；</p><p>　　5、系統(tǒng)檢測保護(hù)電路的設(shè)計； </p><p>　　6、系統(tǒng)軟件控制設(shè)計；</p><p>　　2 無刷直流電機(jī)的基本原理</p><p>　　2.1 無刷直流電動機(jī)的基

30、本組成</p><p>　　無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 無刷直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　無刷直流電動機(jī)主要由電動機(jī)本體，位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。其定子繞組一般制成多相(三相、四相、五相不等)，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對數(shù)(2p=2，4，…)組成。圖2-1中的電動機(jī)本體為三相兩極。三相定子繞組分別與電

31、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)子與電動機(jī)轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接。當(dāng)定子繞組的某一相通電時，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(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，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

32、換向器的換向與調(diào)速的作用。</p><p>　　2.2 無刷直流電動機(jī)的基本工作原理</p><p>　　無刷直流電機(jī)工作原理圖如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2 無刷直流電機(jī)工作原理圖</p><p>　　三相無刷直流電動機(jī)的工作原理如圖2-2所示。電動機(jī)的定子繞組分別為A相、B相、C相，因此，位置傳感上也有3個接收元件、、與

33、之對應(yīng)。3個接收元件在空間上間隔120度，分別控制、、、3個開關(guān)管。這3個開關(guān)管則控制對應(yīng)相繞的通電與斷電。由于通電相發(fā)生了變化，使定子磁場方向也發(fā)生了變化，與轉(zhuǎn)子永磁磁場相互作用，仍然會產(chǎn)生與前面過程同樣大的轉(zhuǎn)矩，推動轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆時針轉(zhuǎn)動。如此循環(huán)下去，電動機(jī)就轉(zhuǎn)動起來了。</p><p>　　2.3 無刷直流電動機(jī)的位置傳感器</p><p>　　無刷直流電動機(jī)的位置傳感器主要有三種：&

34、lt;/p><p><b>　　電磁式位置傳感器：</b></p><p>　　電磁式位置傳感器是利用電磁效應(yīng)來實現(xiàn)位置測量的。它的結(jié)構(gòu)如圖2-3-1所示。它由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成。轉(zhuǎn)子是一個用非導(dǎo)磁材料(如鋁合金)制成的圓盤，其上面鑲嵌有扇形的導(dǎo)磁材料。扇形導(dǎo)磁片的個數(shù)與無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子磁極的極對數(shù)相等。轉(zhuǎn)子與電動機(jī)軸連在一起，隨電動機(jī)同步轉(zhuǎn)動。定子是由高頻導(dǎo)磁

35、材料的鐵心制成，一般有6個極，等間距分布，每個極上都纏有線圈。其中互相間隔的3個磁極為同一繞組，接高頻電源，作為勵磁極；另外3個極各有自己的獨(dú)立繞組，作為感應(yīng)極，是傳感器的輸出端。</p><p>　　圖2-3-1 電磁式位置傳感器</p><p>　　當(dāng)轉(zhuǎn)子處在如圖所示的位置時，勵磁極所產(chǎn)生的高頻磁通通過轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)磁材料耦合到感應(yīng)極上的繞組上，在繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓UA。而在其他2個繞組、

36、上，因為非導(dǎo)磁材料的阻隔而不能形成磁路，所以感應(yīng)電壓為0。假設(shè)隨著電動機(jī)的逆時針轉(zhuǎn)動，導(dǎo)磁扇片也跟著轉(zhuǎn)動，并逐漸靠近繞組，遠(yuǎn)離繞組，使繞組產(chǎn)生感應(yīng)電壓UB，并逐漸增大，繞組上的感應(yīng)電壓UA逐漸減小為O。這樣循環(huán)下去，電磁式位置傳感器就得到3個輸出、、，它們呈脈動形狀，互相間隔120。相位。雖然電磁式位置傳感器輸出信號大、工作可靠、適應(yīng)性強(qiáng)；但它的信噪比較低，體積大，輸出是交流信號，需要經(jīng)整流和濾波后才能使用，所以，它在早期的時候應(yīng)用較多

37、，現(xiàn)在已逐漸退出。</p><p><b>　　光電式位置傳感器：</b></p><p>　　光電式位置傳感器利用光電效應(yīng)進(jìn)行工作。它由發(fā)光二極管、光敏接收元件、遮光板組成，如圖2-3-2(a)所示。其中，發(fā)光二極管和光敏接收元件分別安裝在遮光板的兩側(cè)，固定不動；遮光板安裝在轉(zhuǎn)子上，隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。遮光板上開有120。的扇形開口，如圖2-3-2(b)所示，扇形開口的數(shù)目

38、等于直流無刷電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的極對數(shù)。當(dāng)遮光板上的扇形開口對著某個光敏元件因接收到對面的發(fā)光二極管發(fā)出的光而產(chǎn)生光電流輸出；而其他光敏接收元件由于被遮光板擋住光而接收不到光信號，所以沒有輸出。這樣，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，遮光板使光敏接收元件輪流接收光信號，所以產(chǎn)生不同的輸出。根據(jù)輸出就可以判斷轉(zhuǎn)子所處的位置。</p><p>　　光電元件一般是砷化鎵發(fā)光二極管和光敏三極管或光敏二極管。光敏三極管或光敏二極管的輸出較弱，需

39、要整形放大，圖2-3-2(c)是它的放大整形集成電路。經(jīng)過放大整形輸出的是脈沖信號，易于與數(shù)字電路接口。</p><p>　　圖2-3-2（a） 光電位置傳感器</p><p>　　圖2-3-2（b） 遮光板</p><p>　　圖2-3-2（c） 光敏位置傳感器放大整形集成電路</p><p><b>　　霍爾式位置傳感器：<

40、;/b></p><p>　　霍爾式位置傳感器是利用“霍爾效應(yīng)’’進(jìn)行工作的。利用霍爾式位置傳感器工作的無刷直流電動機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子，同時也是霍爾傳感器的轉(zhuǎn)子。通過感知轉(zhuǎn)子上的磁場強(qiáng)弱變化來辨別轉(zhuǎn)子所處的位置。（如圖2-3-3（a））</p><p>　　圖2-3-3（a） 霍爾位置傳感器集成電路圖</p><p>　　圖2-3-3（b） 霍爾效應(yīng)原理圖</

41、p><p>　　如圖2-3-3（b）所示，在長方形半導(dǎo)體薄片上通入電流I，電流方向如圖，當(dāng)在垂直于薄片的方向上施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場時，則在與電流I和磁場強(qiáng)度B構(gòu)成的平面相垂直的方向上會產(chǎn)生一個電動勢E，稱其大小為： （K為靈敏度系數(shù)），我們稱這種效應(yīng)為霍爾效應(yīng)。</p><p>　　當(dāng)磁場強(qiáng)度方向與半導(dǎo)體薄片不垂直，而是成0角時，霍爾電動勢的大小改為：。</p><p&

42、gt;　　所以，利用永磁轉(zhuǎn)子的磁場，對霍爾半導(dǎo)體通入直流電，當(dāng)轉(zhuǎn)子的磁場強(qiáng)度大小和方向隨著它的不同而發(fā)生變化時，霍爾半導(dǎo)體就會輸出霍爾電動勢，霍爾電動勢的大小和相位隨轉(zhuǎn)子位置而發(fā)生變化，從而起到了檢測轉(zhuǎn)子位置的作用?；魻栁恢脗鞲衅饔捎诮Y(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，成本低，因此是目前在無刷直流電機(jī)上應(yīng)用最多的一種位置傳感器。</p><p>　　3 無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型及PID控制器的設(shè)計</p><p&

43、gt;　　3.1 無刷直流電機(jī)的運(yùn)行特性</p><p>　　圖3-1(a) 電驅(qū)繞組感應(yīng)電勢波形圖</p><p>　　以三相非橋式星形接法兩極電機(jī)為例，分析無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行特性。依無刷直流電機(jī)的工作原理，該種接法時的。為了便于分析，作如下假設(shè):</p><p>　　(1)轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的磁場在氣隙中沿圓周按正弦分布;</p><p>

44、　　(2)忽略電樞繞組的電感，電樞繞組電流可以突變;</p><p>　　(3)忽略過渡導(dǎo)通狀態(tài)和開關(guān)動作的過渡過程，認(rèn)為每相電流時瞬時產(chǎn)生和切除;</p><p>　　無刷直流電動機(jī)A 相電壓平衡方程式為: 。式中，Ua 為電源電壓;e 為電樞繞組感應(yīng)電動勢; 為電樞電流;Ra 為電樞繞組的平均電阻;△Ur 為功率晶體管的飽和壓降。根據(jù)假設(shè)(1)，轉(zhuǎn)子磁場在氣隙中按正余弦分布，因此電動機(jī)

45、旋轉(zhuǎn)使轉(zhuǎn)子磁場在電樞繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也是按正余弦規(guī)律變化。若以轉(zhuǎn)子磁極曲線與A 相繞組軸線重合時作為轉(zhuǎn)子的起始位置，為了使電機(jī)的輸出功率最大，通常當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極軸線處在電勢波形相鄰交點(diǎn)所對應(yīng)的角度范圍時，讓電勢大的一相導(dǎo)通，由圖3-1(a)可得A 相導(dǎo)通時磁極軸線處于與范圍內(nèi),繞組感應(yīng)電動勢為:</p><p><b>　?。ㄊ?-1）</b></p><p>　　

46、感應(yīng)電動勢最大值為:</p><p><b>　?。ㄊ?-2）</b></p><p>　?。?為電樞繞組每相有效匝數(shù);Φ為每極氣隙磁通）</p><p><b>　　頻率為:</b></p><p><b>　　（式3-3）</b></p><p>　

47、　將式3-2代入式3-1整理可得：（電驅(qū)電流波形如圖3-1(b)所示）</p><p><b>　　電驅(qū)電流為：</b></p><p><b>　　（式3-4）</b></p><p>　　導(dǎo)通時間內(nèi)的平均電流為：</p><p><b>　?。ㄊ?-5）</b></p

48、><p>　　圖3-1（b） 電驅(qū)電流波形圖</p><p>　　3.2 無刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩</p><p>　　由于電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，且Ω=2πf/p（Ω為電機(jī)的角速度）。</p><p>　　整理得電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為：</p><p><b>　?。ㄊ?-6）</b></p><

49、;p>　　即： （式3-7）</p><p>　　平均電磁轉(zhuǎn)矩為： </p><p><b>　?。ㄊ?-8）</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速n=0,時，平均轉(zhuǎn)矩為：</p><p><b>　　（式3-9）</b></p><p>　　由此可知，在一個磁狀態(tài)

50、一相導(dǎo)通區(qū)域內(nèi)，由于電勢的脈動使轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生了波動，轉(zhuǎn)矩波動會使電機(jī)產(chǎn)生噪音和運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，所以一般都希望轉(zhuǎn)矩波動小。由圖3-1（b）可以看出減小磁狀態(tài)角，可以減小電勢的脈動，因而也就減小了轉(zhuǎn)矩波動.對于m相電機(jī)磁狀態(tài)角=2π/m，增加相數(shù)可以減小，但電機(jī)結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子線路就要復(fù)雜。</p><p>　　3.3 無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速</p><p>　　將式(3-2)，式(3-3)代入式(3-5)，可

51、得轉(zhuǎn)速為： （式3-10）</p><p>　　令I(lǐng)a=0,可得理想空載轉(zhuǎn)速：</p><p><b>　?。ㄊ?-11）</b></p><p>　　3.4 電勢系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)</p><p>　　電勢系數(shù)是電動機(jī)單位轉(zhuǎn)速在電樞繞組中所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢的平均值。由式(3-5)可以看出感應(yīng)電動勢平均值為

52、：</p><p>　　因而由式（3-2）和式（3-3）可得電勢系數(shù)為：</p><p><b>　?。ㄊ?-12）</b></p><p>　　轉(zhuǎn)矩系數(shù)是當(dāng)電動機(jī)電樞繞組中通入單位電流時電動機(jī)所產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩值。由式(3-5)和(3-8)可得轉(zhuǎn)矩系數(shù)為：</p><p><b>　　(式3-13)<

53、/b></p><p>　　3.5 無刷直流電機(jī)的動態(tài)特性</p><p>　　無刷直流的動態(tài)特性可由下列方程組來描述：</p><p>　　式中中為電動機(jī)的負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩；為電動機(jī)轉(zhuǎn)子飛輪力矩(N·m2)，=4gJ(J 為轉(zhuǎn)動慣量)。經(jīng)拉氏變換后，可得：</p><p>　　由此可得無刷直流電機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖3-5所示?？芍?/p>

54、其傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。ㄊ?-14）</b></p><p>　　式中為電機(jī)傳遞函數(shù)，；為轉(zhuǎn)矩傳遞函數(shù)，；為電磁時間常數(shù)，。</p><p>　　圖3-5 無刷直流電機(jī)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3.6 PID控制算法</p><p>　　PID控制調(diào)節(jié)器是對信號進(jìn)行比例

55、積分微分校正運(yùn)算的裝置。比例調(diào)節(jié)對干擾有及時而有力的抑制作用；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)的動作速度，減少超調(diào)，克服振蕩。</p><p>　　無刷直流電機(jī)等效電路圖如圖3-6（a）所示，電源Eb給直流電機(jī)供電，產(chǎn)生電流Ia，電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中等效于電阻Ra和反向電動勢串聯(lián)起來。其中Ra為電驅(qū)等效電阻，Ec為電驅(qū)旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的反向電動勢，它和電驅(qū)轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越快，反向電動勢越大。<

56、/p><p>　　圖3-6（a） 無刷直流電機(jī)等效電路圖</p><p>　　PID控制系統(tǒng)原理圖如圖5-6（b）所示，該系統(tǒng)為PID控制器和控制對象組成，這種PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為。圖中r(t)是給定值，y(t)是系統(tǒng)的實際輸出值，實際輸出值與給定值構(gòu)成控制偏差c(t)。</p><p>　　圖3-6（b）PID控制系統(tǒng)原理圖</p><p>

57、;　　由圖可知，e(t)=r(t)-y(t)</p><p>　　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象的輸入。所以PID控制器的控制規(guī)律為</p><p><b>　　——比列系數(shù)</b></p><p><b>　　——積分常數(shù)</b></p><p><

58、b>　　——微分常數(shù)</b></p><p><b>　　——控制常量</b></p><p>　　比列環(huán)節(jié)的作用是對偏差瞬間做出快速反應(yīng)。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化?？刂谱饔玫膹?qiáng)弱取決于比例系數(shù)，越大，控制越強(qiáng)，但過大的會導(dǎo)致系統(tǒng)的振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p>　　積分環(huán)節(jié)

59、的作用是把偏差的積累作為輸出。在控制過程中，只要存在偏差，積分環(huán)節(jié)的輸出就會不斷增大。直到偏差值額=0,輸出的u(t)才可能維持在某一常量，使系統(tǒng)在給定值不變的條件下趨于穩(wěn)態(tài)。積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用雖然會消除靜態(tài)誤差，但也會降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量。積分常數(shù)越大，積分的累積作用越弱。增大積分常數(shù)會減慢靜態(tài)誤差的消除過程，但可以減少超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以，必須根據(jù)實際的系統(tǒng)控制要求來確定。</p><p

60、>　　微分環(huán)節(jié)的作用是阻止偏差的變化。它是根據(jù)偏差的變化趨勢進(jìn)行控制。偏差變化的越快，微分控制器的輸出越大，并能在偏差值變大之前進(jìn)行修正。微分作用的引入，將有助于減少超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。但微分系統(tǒng)對輸入信號的噪音很敏感，對噪音大的系統(tǒng)一般不使用微分，或在微分起作用之前先對輸入信號進(jìn)行濾波。適當(dāng)?shù)倪x擇微分常數(shù)，可以使微分作用達(dá)到最優(yōu)。</p><p>　　由于計算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)

61、采樣時刻的偏差計算控制量，而不能像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量，進(jìn)行連續(xù)控制，所以積分和微分項不能直接使用，必須進(jìn)行離散化處理。離散化處理的方法為：以T作為采樣周期，K作為采樣序號，則離散采樣時間kT對應(yīng)著連續(xù)時間t，用求和的形式代替積分，用增量的形式代替微分，可作如下近似變換：</p><p>　　k=(0，1，2，…)</p><p>　　為了表示方便，將類似于簡化為等，就可以得到離散的

62、PID表達(dá)式：</p><p>　　——采樣信號（k=0,1,2,3，…）</p><p>　　——第k次采樣時刻的計算機(jī)輸出值</p><p>　　——第k次采樣時刻輸入夫人偏差值</p><p><b>　　——比列系數(shù)</b></p><p><b>　　——積分常數(shù)</b&

63、gt;</p><p><b>　　——微分常數(shù)</b></p><p>　　——PID控制的初值</p><p>　　如果采樣周期取的足夠小，則以上計算就可獲的足夠精確的數(shù)據(jù)，離散控制的過程與連續(xù)控制的過程十分接近。</p><p><b>　　3.7 PWM技術(shù)</b></p>&

64、lt;p>　　PWM的理論基礎(chǔ)：沖量相等而面積不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其輸出環(huán)節(jié)的響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。無刷直流電機(jī)PWM調(diào)速控制原理圖如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-7 PWM調(diào)速原理圖及波形圖</p><p>　　圖中當(dāng)開關(guān)管的柵極輸入高電平時，開關(guān)管導(dǎo)通，無刷直流電機(jī)電驅(qū)繞組兩端有電壓Us。t1秒后，開關(guān)管柵極輸入變?yōu)榈碗?/p>

65、壓，開關(guān)管截止，電機(jī)電驅(qū)兩端電壓為0。t2秒后開關(guān)管柵極重新輸入高電平，開關(guān)管重復(fù)前面的過程。這樣，對應(yīng)著輸入電平的高低，電驅(qū)兩端的繞組電壓波形如圖3-7所示。</p><p>　　無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式為：</p><p>　　其中，U為電驅(qū)端電壓，I為電驅(qū)電流，R為電驅(qū)電路的總電阻，為每極磁通量，K為電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。</p><p>　　電機(jī)的電驅(qū)繞組端電

66、壓的平均值為：</p><p>　　式中為占空比，。0≤≤1</p><p>　　由此可知，當(dāng)電源電壓Us不變的情況下，電驅(qū)的端電壓的平均值Uo取決于占空比的大小，改變值就可以改變電驅(qū)端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的，這就是PWM的調(diào)速原理。</p><p>　　在PWM調(diào)速中，以下3種方法都可以改變占空比的值：</p><p>　　1）.

67、定寬調(diào)頻法：這種方法是保持不變，只改變，這樣使周期T（或頻</p><p><b>　　率）也隨之改變。</b></p><p>　　2）.調(diào)寬調(diào)頻法：這種方法是保持不變，只改變，這樣使周期T（或頻率）也隨之改變。</p><p>　　3）.定頻調(diào)寬法：這種方法是保持周期T不變，而改變和。</p><p>　　方法1和方

68、法2由于在調(diào)速時改變了控制脈沖的周期（或頻率），當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時， 將會引起振蕩，因此很少使用。</p><p>　　4 無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計</p><p>　　4.1 無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖4-1所示，主要包括DSP控制系統(tǒng)，驅(qū)動電路，檢測電路。驅(qū)動電路驅(qū)動電機(jī)，檢測電路

69、實時檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，并將檢測信號傳給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)實時控制，實現(xiàn)調(diào)速。</p><p>　　圖4-1 無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　4.2 電機(jī)控制平臺主電路設(shè)計</p><p>　　無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4-2所示，主要包括DSP控制器部分和控制板電路。本系統(tǒng)采用的DSP控制器為TMS320F2812；控制板電路包括主回路電

70、路，檢測電路(電流，轉(zhuǎn)子位置，轉(zhuǎn)速)，保護(hù)電路(過流，欠壓)，驅(qū)動電路，顯示電路(LCD)以及電源設(shè)計等。</p><p>　　圖4-2 無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　220V交流電經(jīng)過一個三相整流橋，成為直流電壓。在經(jīng)過濾波電路和大電容的穩(wěn)壓電路之后，成為可以供給智能功率模塊的較為穩(wěn)定的直流電壓源。在接入IPM之前，首先串連一個電流霍爾傳感器，測量直流母線電流，送給

71、DSP的I／O口，用于母線過流保護(hù)；并聯(lián)一個電壓霍爾傳感器，測量直流母線電壓，送給DSP的I／O口，用于母線過壓保護(hù)。DSP負(fù)責(zé)處理采集到的數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令。DSP通過I／O口捕捉電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器上的脈沖信號，判斷轉(zhuǎn)子位置輸出合適的驅(qū)動邏輯電平給MOSFET驅(qū)動芯片，再由MOSFET功率驅(qū)動電路驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　4.3 電機(jī)主電路圖</p><p>　　三相無刷直流電

72、動機(jī)的主電路圖如圖4-3所示。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，控制電路對位置信號進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生控制信號，控制信號經(jīng)驅(qū)動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。</p><p>　　圖4-3 三相無刷直流電動機(jī)主電路圖</p><p>　　如圖4-3所示，使V1、VB 導(dǎo)通，即有兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng)V1流入一相

73、繞組，再從另一相繞組流出，經(jīng)VB回到電源的負(fù)極，此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動。</p><p>　　轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過60電角度，逆變器開關(guān)就發(fā)生一次切換，在此期間，轉(zhuǎn)子始終受到順時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩作用，沿順時針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過60電角度，定子繞組就進(jìn)行一次換流，定子合成磁場的磁狀態(tài)就發(fā)生一次躍變?？梢姡姍C(jī)有6種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導(dǎo)

74、通，每相繞組的導(dǎo)通時間對應(yīng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120電角度。無刷直流電動機(jī)的這種工作方式叫兩相導(dǎo)通星型三相六狀態(tài)，這是無刷直流電動機(jī)最常用的一種工作方式。由于通電相發(fā)生了變化，使定子磁場方向也發(fā)生了變化，與轉(zhuǎn)子永磁磁場相互作用，仍然會產(chǎn)生與前面過程同樣大的轉(zhuǎn)矩，推動轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆時針轉(zhuǎn)動。如此循環(huán)下去，電動機(jī)就轉(zhuǎn)動起來了。</p><p>　　4.4 供電電源電路</p><p>　　TMS320F28

75、12需要兩路供電電源：內(nèi)核1.8V和外圍設(shè)備3.3V。其供電芯片采用TI公司的電源管理芯片TPS767D318PWP。TPS767D318PWP采用PMOS結(jié)構(gòu)，輸出電壓跌落小且與輸出電流成正比，靜態(tài)電流小且與負(fù)載無關(guān)。</p><p>　　TPS767D318PWP還具有內(nèi)部電流限制和熱保護(hù)的特點(diǎn)，輸出電流限制約為1A。內(nèi)部比較器可以對穩(wěn)壓器的輸出電壓進(jìn)行監(jiān)控，以檢測穩(wěn)定輸出電壓的欠壓狀況。</p>

76、<p>　　TPS767D318PWP電源電平轉(zhuǎn)換電路如圖4-4(a)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。</p><p>　　圖4-4(a) 電源電平轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　圖4-4（b） DSP上電和下電時序</p><p>　　TMS320F2812上電時序如圖4-4

77、（b）是先外圍設(shè)備后內(nèi)核，為保證DSP上電的時序，通道1的輸出使能端1EN接三極管Q1的集電極，當(dāng)通道2輸出3.3V電壓，經(jīng)電阻R12和R13分壓，驅(qū)動Q1，1EN有效，從而通道1才能輸出1.8V，上電時序圖如下所示。上電時，通道1需要在通道2輸出電壓高于2.5V才能有電壓輸出，并復(fù)位引腳XRS必須在通道1輸出電壓達(dá)到1.8V后數(shù)毫秒才可由低變高。TMS320F2812下電時序為先外圍設(shè)備后內(nèi)核，下電時序圖如圖4-4（b）所示。當(dāng)通道2

78、電壓低于2.5V時引腳XRS變?yōu)榈停谕ǖ?電壓低于1.5V前8us保證XRS引腳已變?yōu)榈碗娖健?lt;/p><p>　　4.5 PWM驅(qū)動電路</p><p>　　合理的驅(qū)動電路對功率器件的安全工作及整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。PWM驅(qū)動電路圖如圖4-5（a）所示，PWMg和PWMs分別接至功率管的柵極和源極。驅(qū)動芯片采用帶光耦隔離的專用驅(qū)動芯片HCPL-3120，為保證功率管D1可靠關(guān)斷，

79、抑制dv/dt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。若控制板輸出PWM信號為高電平，則前級驅(qū)動三極管TA導(dǎo)通，同時Vo輸出+20V電壓，功率管柵源極電壓為+15V，滿足功率管開通條件；若控制板輸出PWM信號為低電平，則三極管TA關(guān)斷，同時

80、Vo輸出0V，功率管柵源極電壓為-5V，加速功率管關(guān)斷。</p><p>　　圖4-5（a） PWM驅(qū)動電路</p><p>　　TMS320F2812的PWM引腳的驅(qū)動能力小，不能滿足圖4-5（a）中TA對驅(qū)動信號的要求，因此，需要設(shè)置PWM接口電路。PWM接口電路如圖4-5(b)所示，主要采用雙軌供電的SN74LVCC4245芯片，該芯片的B口采用3.3V供電，和DSP的PWM引腳直接

81、連接；A口采用5V供電，可以為前級驅(qū)動三級管提供驅(qū)動信號。由于三極管驅(qū)動信號為高電平時功率管開通，電路中設(shè)置下拉電阻來保證三極管的驅(qū)動信號在控制系統(tǒng)未正常運(yùn)行前為低電平，以防功率橋發(fā)生直通現(xiàn)象。</p><p>　　圖4-5（b） PWM接口電路</p><p>　　4.6 串行接口電路</p><p>　　串行通信接口是采用雙線通信的異步串行通信接口，為了減少串行

82、通信接口通信時的CPU開銷，F(xiàn)2812的串口支持16級接受和發(fā)送FIFO。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。SCI模塊的接受器和發(fā)送器是雙緩沖的，每一個都由它單獨(dú)的使能和中斷標(biāo)志位。兩者可以單獨(dú)工作，或者在雙工方式下同時工作。SCI使用奇偶效驗，超時，幀出錯檢測確保數(shù)據(jù)的正確傳輸。</p><p>　　采用上位機(jī)和串口通信，可以實時發(fā)送給DSP電機(jī)的參考轉(zhuǎn)

83、速，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，電機(jī)的升速，降速和穩(wěn)速。電路圖如圖4-6所示，該電路采用符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動芯片MAX232進(jìn)行串行通信。MAX232芯片功耗低，集成度高，+5V供電，具有兩個接受和發(fā)送通道。由于TMS320F2812采用+3.3V供電，所以在MAX232和TMS320F2812之間必須加電平轉(zhuǎn)換電路，選取合適的電阻降壓，把+5V降到+3.3V。（如前文的電平轉(zhuǎn)換電路）</p><p>　　圖4-6

84、TMS320F2812串行通信接口電路圖</p><p>　　4.7 電流檢測電路</p><p>　　本課題選用電流傳感器來檢測電機(jī)相電流，實驗中選用了瑞士萊姆公司的型號為LA58一P的電流傳感器。這種霍爾傳感器的優(yōu)勢在于：出色的精度、良好的線性度、低溫漂、較短的反應(yīng)時間、寬頻帶、無插入損失、抗干擾能力以及電流過載能力強(qiáng)。LA58一P型霍爾電流傳感器的典型連接如圖4-7（a）所示，LA5

85、8一P型霍爾電流傳感器使用±15V供電，檢測端M接一個檢測電阻RM，檢測信號就是取自這個檢測電阻RM上的壓降U。這樣電流信號就轉(zhuǎn)化為電壓信號了，他們之間存在一個比率關(guān)系。電流檢測信號一是用來反饋給DSP用做電流PI調(diào)節(jié)；二是用來實現(xiàn)過流保護(hù)功能。</p><p>　　圖4-7（a） 霍爾電流傳感器典型電路圖</p><p>　　圖4-7（b） 電流檢測信號調(diào)理電路</p&g

86、t;<p>　　經(jīng)過霍爾電流傳感器，需要檢測的電流信號按比例轉(zhuǎn)換為電壓信號，為了防止后續(xù)電路對這個電壓檢測信號的干擾，系統(tǒng)利用運(yùn)算放大器“虛短”和“虛斷"的原理設(shè)計了電壓跟隨器。電壓跟隨器輸入阻抗無窮大，檢測得到的電壓信號經(jīng)過電壓跟隨器，不僅電壓值保持不變，而且還不受后續(xù)電路的影響。采樣得到的電壓值需要經(jīng)過一定的縮放，因此要使用運(yùn)算放大器來實現(xiàn)。圖4-7（b）中，通過調(diào)節(jié)R5即可調(diào)節(jié)ADCIN(DSP的AD轉(zhuǎn)換模

87、塊輸入引腳)的值，設(shè)定電流最大值后，使得此時ADCIN為5V，R2的值就這樣確定了。右面一個LM358其實是一個反相器。兩個二極管構(gòu)成一個鉗位電路，保證了DSP芯片的安全。</p><p>　　5 無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計</p><p>　　5.1 軟件整體設(shè)計</p><p>　　本課題的無刷直流電機(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

88、程序、MCU控制程序、中斷服務(wù)程序。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖5-1(a)所示。</p><p>　　圖5-1（a） 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　本課題軟件系統(tǒng)采用模塊化，自上而下的設(shè)計方案。系統(tǒng)軟件的整體流程如圖圖5-1（b）所示。</p><p>　　圖5-1（b） 系統(tǒng)主流程圖</p><p>　　系統(tǒng)初始化程序負(fù)責(zé)完成DSP的初始

89、化、DSP運(yùn)行環(huán)境的定義等工作。首先初始化DSP，配置所要用到的寄存器，定義并初始化變量。DSP主控制程序控制并檢測整個系統(tǒng)的運(yùn)行，接收檢測到的信號，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)檢測控制SPI通信接口及接收人工檢測信號。中斷服務(wù)程序中，首先讀取電流、電壓值，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。系統(tǒng)軟件的整體流程圖如圖5-1（b）所示。</p><p

90、>　　5.2 系統(tǒng)的初始化程序設(shè)計</p><p>　　系統(tǒng)初始化程序主要對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。如果沒有中斷，程序不斷循環(huán)等待直到有中斷的到來。整個F2812DSP初始化主要分為系統(tǒng)初始</p><p>　　化、外設(shè)初始化和全局變量賦初值三大部分。初始化流程如圖5-2所示</p>&l

91、t;p>　　圖5-2 系統(tǒng)初始化流程圖</p><p>　　5.3 系統(tǒng)DSP主程序</p><p>　　系統(tǒng)DSP主程序主要是完成對電機(jī)的啟動、停止、有效控制電機(jī)的正常運(yùn)行和出錯處理，以及負(fù)責(zé)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的通信。當(dāng)系統(tǒng)啟動之后，通過檢測電機(jī)的狀態(tài)來啟動電機(jī)，然后進(jìn)入主控制程序，使整個系統(tǒng)正常運(yùn)行。正常運(yùn)行的狀態(tài)下，控制系統(tǒng)主要是對無刷直流電機(jī)的實時調(diào)控，同時完成現(xiàn)場的通信和PC機(jī)的監(jiān)控

92、通信。同時，當(dāng)系統(tǒng)需要人為設(shè)定或調(diào)整時，可以通過人機(jī)界面進(jìn)行人為設(shè)定。調(diào)整信息設(shè)定完成后，DSP 控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)值在線實時對電機(jī)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)檢測到外部中斷信號時，即刻停止當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷。在中斷事件中安插了三個中斷事件，即過電流中斷處理、過電壓中斷處理、系統(tǒng)報錯中斷處理。系統(tǒng)主程序流程如圖5-3所示。</p><p>　　圖5-3 系統(tǒng)主程序流程圖</p><p>　　5.

93、4 系統(tǒng)中斷服務(wù)程序</p><p>　　TMS320F2812芯片有三個外部中斷和外部中斷擴(kuò)展模塊PIE，PIE可支持96個外部中斷?？梢院芸斓仨憫?yīng)和處理中斷事件，并可以在硬件和軟件中控制中斷的優(yōu)先級。通用中斷服務(wù)子程序 GISR 和特定中斷服務(wù)子程序 SISR，在 GISR 中保存必要的上下文，從外設(shè)中斷向量寄存器PIVR 中讀取外設(shè)中斷向量，這個向量用來產(chǎn)生轉(zhuǎn)移到 SISR 的地址入口。對每個從外設(shè)來自中斷

94、控制器的中斷都有一個特定的 SISR，在 SISR 中執(zhí)行對該外設(shè)事件的響應(yīng)。程序一旦進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，所有的可屏蔽中斷都被屏蔽。本系統(tǒng)中共有三個中斷：定時器 T1 周期中斷，用來產(chǎn)生 PWM 輸出；定時器 T2 的周期中斷，用來定時采樣電樞電流、驅(qū)動電監(jiān)控電壓值；定時器 T3 的捕獲中斷，用來定時測量速度。 為了響應(yīng)系統(tǒng)中的中斷服務(wù)程序，還必須有一個復(fù)位和中斷向量定義文件。它是一個獨(dú)立的匯編程序文件，它按照內(nèi)存區(qū)的規(guī)定，利用無條件跳

95、轉(zhuǎn)語句使程序在復(fù)位或發(fā)生中斷之后跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的程序入口地址。 </p><p><b>　　5.5 系統(tǒng)子程序</b></p><p>　　5.5.1 電流采樣計算子程序</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器是控制的中心環(huán)節(jié)，必須滿足電流環(huán)的頻率要求，實現(xiàn)電流快速準(zhǔn)確地跟蹤給定值。本課題中，電流采樣計算子程序的功能是準(zhǔn)確完成電流檢測，根據(jù)當(dāng)前逆變橋的導(dǎo)

96、通情況，選擇適當(dāng)?shù)南嚯娏髯鳛殡娏髡{(diào)節(jié)器的反饋量；完成電流的調(diào)節(jié)作用，并將調(diào)節(jié)器的輸出結(jié)果送至事件管理器相應(yīng)的寄存器中，控制導(dǎo)通電流跟隨給定電流，實現(xiàn)電流信號的采樣計算。</p><p>　　5.5.2 轉(zhuǎn)速采樣計算子程序</p><p>　　轉(zhuǎn)速采樣子程序是通過位置傳感器檢測到的信號，得到當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速通過位置傳感器獲得信號并傳輸給DSP主控制芯片，主控制芯片計算得到當(dāng)前的電機(jī)轉(zhuǎn)

97、速。</p><p>　　5.5.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)子程序</p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)子程序流程圖如圖5-5-3所示，將接受到的實際轉(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，實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。</p><p>　　圖5-5-3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)子程序流程圖</p><p><b>　　6 總結(jié)與

98、展望</b></p><p>　　電動機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域以及人們的日常生活之中。由于無刷直流電動機(jī)既具備交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動機(jī)的運(yùn)行效率高、勵磁損耗小以及調(diào)速性能好等諸多特點(diǎn)，使它一經(jīng)出現(xiàn)就以極快的速度發(fā)展和普及。目前，無刷直流電動機(jī)己廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、儀器儀表、汽車、計算機(jī)外圍設(shè)備等方面和領(lǐng)域。<

99、/p><p>　　在驅(qū)動控制系統(tǒng)中，無刷直流電動機(jī)與其它類型電動機(jī)相比有許多突出的優(yōu)點(diǎn)：動態(tài)響應(yīng)快；控制性能好；體積小，重量輕；節(jié)能；容量大、轉(zhuǎn)速高，換向方便、簡單；不會產(chǎn)生失步現(xiàn)象。因此，對無刷直流電動機(jī)的應(yīng)用研究是很有實際意義的。</p><p>　　本課題針對無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究，既有電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，又有對控制算法的探討。現(xiàn)將本文的主要內(nèi)容總結(jié)如下：</p>

100、<p>　　(1)詳細(xì)介紹了無刷直流電動機(jī)的工作原理與運(yùn)行特性，建立了無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對調(diào)速系統(tǒng)的控制方案進(jìn)行了詳細(xì)分析，為系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　(2)通過對實際電機(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機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了對電機(jī)的實時控制。</p><p>　　(3)以DSP芯片TMS320F2

101、812為核心，設(shè)計了主控制單元，實現(xiàn)了對無刷直流電動機(jī)DSP調(diào)速系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制。</p><p>　　(4)針對存在各種隨機(jī)干擾的無刷直流電動機(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?。該方案對多種系統(tǒng)干擾具有較強(qiáng)的抑制能力。</p><p>　　本課題在無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制策略和硬件實現(xiàn)方面作了一些工作，但該系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及到許多方面的問題，

102、由于本人時間和能力的限制，還有許多問題有待深入地研究和思考。</p><p>　　(1)由于TMS320F2812的主頻較小，在復(fù)雜算法的實現(xiàn)上還存在著一定的困難，整個硬件系統(tǒng)的抗擾性和穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步增強(qiáng)。系統(tǒng)的集成度也需要進(jìn)一步提高。</p><p>　　(2)在控制策略方面，針對非線性和不確定性的問題，PID閉環(huán)控制方案還存在不能準(zhǔn)確實時的控制，由于一定的延時，如何在實時控制中取得

103、滿意的效果，還有許多工作要做。</p><p>　　(3)無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動也是一個主要的問題。如何通過控制策略抑制轉(zhuǎn)矩脈動，還沒有比較成熟的方案。</p><p>　　雖然無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)還存在著許多問題，但隨著新材料和新技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用將越來越廣泛，進(jìn)一步改善和方便人們的生活。</p><p><b>　　致

104、 謝</b></p><p>　　我的畢業(yè)論文的完成是基于我的導(dǎo)師***老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo),從初稿的起草到最終論文的完成,王老師一直給予我認(rèn)真的指導(dǎo)和不懈的支持,尤其是在論文將要定稿的階段,我深切的體會到王老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)風(fēng)格和作為一名人民教師的寬厚博愛。在此謹(jǐn)向xx老師致以最崇高的敬意和發(fā)自內(nèi)心的謝意。</p><p>　　在即將畢業(yè)的時刻,借此機(jī)會向這四年學(xué)習(xí)中給予我

105、諸多幫助的老師表示由衷的謝意,感謝他們四年來的教導(dǎo)和培養(yǎng)。在今后的工作學(xué)習(xí)中一定銘記老師的教導(dǎo)，認(rèn)真學(xué)習(xí)，踏實做人，樂觀積極的生活。</p><p>　　同時我還要感謝在我寫作過程中給予我?guī)椭耐瑢W(xué)和前輩，他們的文章資料給予了我很多靈感和啟示。同時還得感謝我的摯友正是他們的幫助和支持才能使我克服一系列的困難和疑惑，直到本文的順利完成。</p><p>　　在完成畢業(yè)論文的這段時間里，對于大

106、家的幫助和支持，再次表示深深地感謝！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 劉剛，王志強(qiáng)，房建成，《永磁無刷直流電機(jī)控制技術(shù)與應(yīng)用》 機(jī)械工業(yè)出 版社2008.03</p><p>　　[2] 譚建成，《永磁無刷直流電機(jī)技術(shù)》 機(jī)械工業(yè)出版社 2011.03</p><

107、p>　　[3] 史步海，張選正，《特種電動機(jī)調(diào)速控制技術(shù)及應(yīng)用》 華南理工大學(xué)出版社 2010.03</p><p>　　[4] 張衛(wèi)寧，《TMS320C2000系列DSP原理及應(yīng)用》 國防工業(yè)出版社 2002.04</p><p>　　[5] 阮毅，陳伯時，《電力拖動自動控制系統(tǒng)—運(yùn)動控制系統(tǒng)》 機(jī)械工業(yè)出版社</p><p><b>　　2009

108、.08</b></p><p>　　[6] 高濤，陸麗娜，《C語言程序設(shè)計》 西安交通大學(xué)出版 2008.06</p><p>　　[7] 閻治安，崔新藝，蘇少平，《電機(jī)學(xué)》 西安交通大學(xué)出版 2008.06</p><p>　　[8] 權(quán)東，《高性能無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計》 2010.06</p><p>　　[9] 網(wǎng)上資料

109、，基于DSP無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計等</p><p>　　[10]Shukla .J.Fernandes. Quasi-resonant dc-link soft-switching PWM inverter with active feedback clamp circuit for motor drive applications Proceedings—Electricower Applic

110、ations.2006.153(1)75～82</p><p>　　[11]Larson.L.E. Full-bridge DC motor driver for consumer apps Portable Design; 2005.11(12):30-34</p><p>　　[12]王曉明 王玲，電動機(jī)的DSP控制．北京：北京航空航天大學(xué)出版社 2004</p>&l