基于dsp實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器畢業(yè)論文

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 論 文</p><p>　　基于DSP實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的控制</p><p>　　Sensorless BLDC Motor Control System Based on DSP</p><p>　　學(xué)生學(xué)號(hào)： </p><p

2、>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　專業(yè)班級(jí)： </p><p>　　指導(dǎo)教師姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師職稱： </p><p>&l

3、t;b>　　2015年6月</b></p><p>　　基于DSP實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的控制</p><p>　　專業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名：</p><p>　　指導(dǎo)教師： 職 稱：</p><p>　　摘要 隨著科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)電力電氣技術(shù)的沖擊，導(dǎo)致了新型

4、的一種機(jī)電一體化的電機(jī)隨著新型的永磁材料的出現(xiàn)從而發(fā)展出來(lái)，并得到了各行各業(yè)的廣泛運(yùn)用。新型的電機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)并得以運(yùn)用，其主要的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是安裝了轉(zhuǎn)子位置感應(yīng)器進(jìn)行對(duì)轉(zhuǎn)子位置處理，然后換相。然而轉(zhuǎn)子位置傳感器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果安裝在電機(jī)上，增加的電機(jī)的大小。也進(jìn)一步是加工制造電機(jī)的成本，影響了電機(jī)運(yùn)行。此外，在某些專業(yè)領(lǐng)域并不方便使用這種位置傳感器。</p><p>　　因此本文對(duì)于傳感器帶來(lái)的這一缺點(diǎn)，從而改進(jìn)得

5、到無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器采用DSP實(shí)現(xiàn)無(wú)位置控制。采用電動(dòng)自行成的電機(jī)方式進(jìn)行細(xì)致研究。</p><p>　　采用硬件美國(guó)德州公司生產(chǎn)的TMS320F240的作為數(shù)據(jù)收集處理器，得到的數(shù)據(jù)通過(guò)卡爾曼濾波算法進(jìn)行處理，從而得到軟硬件最好的控制和運(yùn)行方法。并利用預(yù)定位置啟動(dòng)方式進(jìn)行細(xì)致的分析。從而建立數(shù)學(xué)模擬三閉環(huán)控制。</p><p>　　為了去除電機(jī)在低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的諧

6、波分量。本文還研究電機(jī)的轉(zhuǎn)矩時(shí)的特點(diǎn)，</p><p>　　加深探索消去轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的諧波分量過(guò)于大，因而達(dá)到了減少了無(wú)刷型直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的波形。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明該設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是具有可行性的。</p><p>　　關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī) 無(wú)位置傳感器 數(shù)字信號(hào)處理器 卡爾曼濾波算法</p><p>　　Sensorless BLDC Motor Contr

7、ol System Based on DSP</p><p>　　Abstract With the development of power electronic technology and a new type of permanent magnet material, brushless DC motor is a new type of electromechanical integrated moto

8、r developed rapidly, and in many areas to extensive application.However, the conventional brushless DC motor commutation is achieved through the rotor position sensor is installed, But the existence of position sensor ma

9、kes the configuration more complex, influences the reliance of motor operation and increases the cost of </p><p>　　This paper presented a control system of sensorless brushless DC motor ( BLDCM ) based on DS

10、P.The electric bicycle brushless DC motor as the research object, the digital signal processing chip TMS320F240 as the processor American Texas Company,while the use of the Kalman filter algorithm, enabling the software

11、and hardware design and control strategy of the system.In addition, it also uses the voltage zero crossing detection method to extractthe signal of rotor position, eliminates the depth fil</p><p>　　To elimin

12、ate brushless DC motor torque at low speed harmonic components,torque characteristics of BLDCM was studied in this paper,and some method how to eliminate the most significant torque harmonics were presented in order to p

13、roduce smooth torque.</p><p>　　Keywords Brushless DC Motor(BLDCM) Positionless sensor Digital signal processing(DSP) Kalman filter</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b&

14、gt;　　引言1</b></p><p>　　第1章 無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理2</p><p>　　1.1 無(wú)刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)2</p><p>　　1.1.1 電動(dòng)機(jī)本體2</p><p>　　1.1.2 位置傳感器2</p><p>　　1.1.3 功率電子開關(guān)電路2</p>

15、;<p>　　1.2 無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理3</p><p>　　1.3 無(wú)位置傳感器控制基本原理5</p><p>　　第2章 無(wú)刷直流電機(jī)的卡爾曼濾波算法6</p><p>　　2.1 卡爾曼濾波算法的概述6</p><p>　　2.1.1 Kalman濾波傳統(tǒng)算法的優(yōu)勢(shì)及缺陷分析7</p><

16、;p>　　2.1.2 卡爾曼濾波算法的推廣8</p><p>　　2.2 卡爾曼濾波算法在無(wú)刷直流電機(jī)中的應(yīng)用9</p><p>　　第3章 無(wú)傳感器無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)及控制策略13</p><p>　　3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.1.1 數(shù)據(jù)處理板13</p><p>　

17、　3.1.2 功率驅(qū)動(dòng)板14</p><p>　　3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.2.1 軟件開發(fā)流程17</p><p>　　3.2.2 主程序17</p><p>　　3.2.3 ADC中斷服務(wù)子程序18</p><p>　　3.2.4 PWM中斷服務(wù)子程序19</p>

18、<p>　　3.3 無(wú)傳感器三閉環(huán)控制策略20</p><p>　　3.3.1 位置環(huán)21</p><p>　　3.3.2 電流環(huán)22</p><p>　　3.3.3 速度環(huán)22</p><p>　　3.3.4 PWM波形生成策略23</p><p>　　3.3.5 無(wú)刷直流電機(jī)的啟動(dòng)25<

19、/p><p>　　第4章 無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果26</p><p>　　4.1 Kalman濾波算法的仿真27</p><p>　　4.2 電機(jī)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果29</p><p>　　第5章 無(wú)刷直流電機(jī)諧波轉(zhuǎn)矩的研究及抑制30</p><p>　　5.1 諧波轉(zhuǎn)矩的研究30</p>&

20、lt;p>　　5.2 電機(jī)定轉(zhuǎn)子磁勢(shì)和氣隙磁導(dǎo)30</p><p>　　5.3 補(bǔ)償電流法抑制轉(zhuǎn)矩波動(dòng)31</p><p>　　5.3.1 定于磁勢(shì)的諧波分析32</p><p>　　5.3.2 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的諧波分析32</p><p>　　5.3.3 電磁轉(zhuǎn)矩諧波分析32</p><p>　　5.4 轉(zhuǎn)

21、矩波動(dòng)抑制小結(jié)35</p><p>　　第6章 TMS320F240及驅(qū)動(dòng)器件的概述36</p><p>　　6.1 DSP控制器——TMS320F24036</p><p>　　6.1.1 概述36</p><p>　　6.1.2 CPU部分36</p><p>　　6.1.3 片內(nèi)外設(shè)36</p&

22、gt;<p>　　6.2 柵極驅(qū)動(dòng)器件——IR213037</p><p>　　6.2.1 主要特點(diǎn)37</p><p>　　6.2.2 引腳功能38</p><p>　　6.2.3 注意事項(xiàng)39</p><p>　　6.3 功率MOS管——IRFZ44N39</p><p>　　6.4精密線性

23、光耦合器——TIL30040</p><p>　　6.4.1主要特點(diǎn)41</p><p>　　6.4.2 應(yīng)用電路的參數(shù)41</p><p><b>　　結(jié)論43</b></p><p><b>　　致謝44</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)

24、45</b></p><p><b>　　引言</b></p><p>　　電動(dòng)機(jī)的作用是把機(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)化從而使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的使用在很多方面都是很必要的大大影響了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈和人民的日常生活中。電動(dòng)機(jī)的容量小到幾瓦大到幾千瓦。因此按主要結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式分為：同步、異步和直流電動(dòng)機(jī)。其中直流電機(jī)因其高效、易于調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)在電氣產(chǎn)業(yè)得到了廣泛運(yùn)用。但它

25、也存在著問題，它結(jié)構(gòu)中的電刷和換相器在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)因?yàn)槟Σ廉a(chǎn)生不必要的電火花、電磁干擾以及噪音等。直流電機(jī)的換相器一般都是用的傳統(tǒng)的機(jī)械換相，機(jī)械換相的使用會(huì)大大增加電機(jī)的生產(chǎn)和制造成本，后期維護(hù)也相對(duì)困難。因?yàn)樯鲜龅膯栴}，所以技術(shù)更新因此設(shè)計(jì)制造出新型的無(wú)刷直流電機(jī)。它的結(jié)構(gòu)主要考的是換相方式的改變，老式的使用的機(jī)械的換相 ，電子換相的使用可以擴(kuò)大直流電機(jī)優(yōu)于交流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，還能解決電機(jī)的尺寸，啟動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定和如果損壞帶來(lái)的維護(hù)等問

26、題。更因?yàn)殡姍C(jī)的發(fā)展趨向。無(wú)傳感無(wú)刷直流電機(jī)因?yàn)閿?shù)字DSP芯片提供的控制，體積和穩(wěn)定性得到了進(jìn)一步提高。因此，本課題主要就是對(duì)著兩個(gè)方面的研究。</p><p>　　無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)用十分廣泛。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展。電機(jī)控制所用的單片機(jī)以及DSP的功能種類越來(lái)越豐富，運(yùn)行和控制得到質(zhì)變。而且生產(chǎn)的成本越趨近與廉價(jià)。例如美國(guó)TI公司出品的TMS320X240系列DSP芯片，其內(nèi)部具有電機(jī)控制單元，功能強(qiáng)大，單條指令

27、的運(yùn)算時(shí)間達(dá)到了25ns，速度是普通MCU的50倍，并且內(nèi)部具有數(shù)字信號(hào)處理單元以及高速的數(shù)模轉(zhuǎn)換單元[6]。利用剛才所說(shuō)的硬件。Kalman濾波、模糊控制和神經(jīng)元控制、自適應(yīng)控制等得到很好的隨時(shí)進(jìn)行控制和監(jiān)控，因此提高了系統(tǒng)所需要的精準(zhǔn)度和隨時(shí)可以控制性本文還介紹了用TMS320F240的元器件進(jìn)行的對(duì)具有無(wú)位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)的操作系統(tǒng)的控制，并以此工具性能進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的處理分析和解答。</p><p&g

28、t;　　本論文用電機(jī)為參考研究對(duì)象，并以以DSP芯片TMS320LF240為微處理器，作為研究的硬件支持，外面以適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)輔助來(lái)保護(hù)電路制造設(shè)計(jì)了軟件和硬件的調(diào)速系統(tǒng)。采用卡爾曼濾波算法在線估算出轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)所在的位置。系統(tǒng)的運(yùn)行采用了三閉環(huán)控制，采用了經(jīng)典的比例積分控制的規(guī)律、模糊和單神經(jīng)元控制的精確算法和用了卡爾曼濾波算法來(lái)估計(jì)轉(zhuǎn)子位置，因而取得良好的運(yùn)行效果。</p><p>　　第1章 無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)及原

29、理 </p><p>　　1.1 無(wú)刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　無(wú)刷直流電機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器和功率電子開關(guān)電路三部分組成，其原理圖如圖1.1所示[2]。</p><p>　　圖1.1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)原理圖</p><p>　　1.1.1 電動(dòng)機(jī)本體</p><p>　　電機(jī)中轉(zhuǎn)子用磁性材料制

30、成，這與永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)有永磁體相當(dāng)有固定磁極對(duì)數(shù)的有相同之處。構(gòu)成無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子有：凸級(jí)式和嵌入式，二種方式有明顯的同，在于材料運(yùn)用在轉(zhuǎn)子表面和轉(zhuǎn)子鐵芯放置方法的不同。因此產(chǎn)生梯形波的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，我們應(yīng)該采用的是轉(zhuǎn)子磁鋼形狀如弧形瓦片型。此鋼的特點(diǎn)的是氣隙在轉(zhuǎn)子上均勻分布，所導(dǎo)致產(chǎn)生的磁場(chǎng)和按要求的梯形磁場(chǎng)分布一致。那么定子上就會(huì)產(chǎn)生電樞。以上所說(shuō)的是本文研究對(duì)線方波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。次電動(dòng)機(jī)的原理和控制方法如上面所敘述。<

31、/p><p>　　1.1.2 位置傳感器</p><p>　　位置傳感器采用霍爾元件的特性所制造出來(lái)的。傳感器的作用是能測(cè)量出電動(dòng)機(jī)主轉(zhuǎn)子在啟動(dòng)運(yùn)行的過(guò)程中所對(duì)應(yīng)的位置，從而記錄下轉(zhuǎn)子磁極的感應(yīng)位置，從而把這種位置轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)控制邏輯開關(guān)的要求換相的位置這樣來(lái)控制電路的通斷轉(zhuǎn)態(tài)。所導(dǎo)致轉(zhuǎn)子位置會(huì)隨著通斷狀態(tài)的繞組中的電流按規(guī)律換相。從而在氣隙中生產(chǎn)旋轉(zhuǎn)型的進(jìn)步式磁場(chǎng)，來(lái)帶動(dòng)擁有永

32、磁材料的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)而不停滯。這也是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的重要部件，也是區(qū)分電機(jī)有無(wú)刷電機(jī)的重要組成部分。</p><p>　　1.1.3 功率電子開關(guān)電路</p><p>　　轉(zhuǎn)子位置信息通過(guò)轉(zhuǎn)子位置傳感器的檢測(cè)，從而得到1個(gè)有規(guī)律的邏輯。根據(jù)逆變器的原理，從而激活功率開關(guān)元器件。因?yàn)闊o(wú)刷直流電機(jī)需要2個(gè)元器件電刷和換相器互相作用，因此需要檢測(cè)到轉(zhuǎn)子的位置，并以數(shù)據(jù)或者代碼的形勢(shì)進(jìn)行處理然后。然后

33、根據(jù)處理后的信息，從而去激活或者觸發(fā)末級(jí)功率開關(guān)管。</p><p>　　1.2 無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理</p><p>　　當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中，完全是通完電后的電樞繞組中帶來(lái)產(chǎn)生的磁場(chǎng)和永磁材料自身的磁場(chǎng)在直流電動(dòng)機(jī)重要的換相的過(guò)程中固定保持縱向垂直并在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部中產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩。這1原理適用于有無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。因?yàn)橛来挪牧纤a(chǎn)生的磁通密度是固定的，所以要保持恒定的轉(zhuǎn)矩，就要通入電樞繞組

34、中的電流是個(gè)固定值。然而無(wú)刷直流電機(jī)要知道轉(zhuǎn)子的位置信息，從而用逆變器來(lái)改變功率管的電流方向，這樣轉(zhuǎn)子和定子從而同步運(yùn)行。</p><p>　　隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，位置傳感器不斷地送出信號(hào)，以改變電樞的通電狀態(tài)使得在同一磁極下的導(dǎo)體中的電流方向不變，因此，就可產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩使無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)[7]。</p><p>　　由于轉(zhuǎn)子的氣隙磁通為梯形波，由電機(jī)學(xué)原理[5]，可知，電樞的感應(yīng)電動(dòng)

35、勢(shì)亦為梯形波，大小與轉(zhuǎn)子磁通和轉(zhuǎn)速成正比。其中無(wú)刷電機(jī)上的控制逆變器的通斷時(shí)間，要使其電動(dòng)機(jī)的三相電樞繞組上電流波形為120°的方波每項(xiàng)，而且反電動(dòng)勢(shì)波形為梯形的120°。滿足這樣的條件后，轉(zhuǎn)矩不會(huì)減小也不會(huì)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的三相主回路有2種。三相半控電路極其簡(jiǎn)易，每項(xiàng)繞組控制三分之一的通斷時(shí)間，因此每次可控硅控制單項(xiàng)的通斷時(shí)，另外的時(shí)間都處于斷路時(shí)間狀態(tài)，工作效率偏低。在此運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)較大

36、，從Tm/2到Tm。所以我們放棄三相半控電路而采用三相全控式電路。圖1.2示出三相全控電路的原理圖，該電路中，電動(dòng)機(jī)的繞組的聯(lián)結(jié)方式為星型。V1、V2……V6為六個(gè)功率器件，起繞組的開關(guān)作用。同時(shí)我們采用了兩兩通電方式，這種方式是指每一個(gè)瞬間有兩個(gè)功率管導(dǎo)通，每隔1/6周期(60°電角度)來(lái)?yè)Q相一次，每次換相一個(gè)功率管，每一功率管導(dǎo)通120°的電角度。各功率管按V1V4→V1V6→V3V6→V3V2→V5V2→V5V

37、4的順序?qū)╗12]。</p><p>　　圖1.2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)三相全控電路原理圖</p><p>　　同一相的電動(dòng)勢(shì)和電流波形及三相電流如圖1.3和圖1.4所示。</p><p><b>　　ωt</b></p><p>　　圖1.3 A相的電動(dòng)勢(shì)和電流波形</p><p>　　圖1.4

38、 三相電流波形</p><p>　　1.3 無(wú)位置傳感器控制基本原理</p><p>　　由主回路圖1.2無(wú)刷電機(jī)的控制可知，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式，用霍爾元件檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，此辦法雖好。但嚴(yán)重影響了制造電機(jī)的工序和電機(jī)運(yùn)行時(shí)的安全可靠性，也影響了電機(jī)的尺寸，因?yàn)榛魻栐慕尤耄妱?dòng)機(jī)中的線路會(huì)因?yàn)榇嗽?dǎo)致過(guò)多，影響或者干擾電機(jī)運(yùn)行。所以對(duì)種影響，無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)必須放棄這種霍

39、爾元件這種檢查的，實(shí)現(xiàn)換相的方式。</p><p>　　在方波無(wú)刷直流電機(jī)中，繞組的反電勢(shì)(即發(fā)電機(jī)電勢(shì)，也稱勵(lì)磁電勢(shì))通常是正負(fù)交變的梯形波，如圖1.5所示。當(dāng)某相反電勢(shì)過(guò)零時(shí)，轉(zhuǎn)子直軸與該相繞組軸線重合。因此，要知轉(zhuǎn)子的若干個(gè)關(guān)鍵位置只要檢測(cè)到各相反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，這樣就可以省去了傳統(tǒng)的外置式轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器，這就是電機(jī)反電勢(shì)法無(wú)傳感器控制的基本原理。</p><p>　　這就是方波無(wú)刷直

40、流電機(jī)的“最佳換相邏輯”。</p><p>　　圖1.5 反電勢(shì)波形</p><p>　　對(duì)于120°方波型無(wú)刷直流電機(jī)而言，在換相過(guò)程中的任意時(shí)刻總有一相繞組懸空，其相電壓等于總的感應(yīng)電勢(shì)。假設(shè)電樞反應(yīng)對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響可以忽略，則繞組中總的感應(yīng)電勢(shì)等于反電勢(shì)；而反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)通常就發(fā)生在繞組懸空期間。為保證產(chǎn)生了最大平均電磁轉(zhuǎn)矩，通常在檢測(cè)到反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻后，延遲1/12周

41、期的時(shí)間后再改變逆變器功率器件的觸發(fā)狀態(tài)。根據(jù)對(duì)稱性，只要能夠測(cè)出各相繞組反電勢(shì)的過(guò)零時(shí)刻并作適當(dāng)延時(shí)，就可確定方波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的換流時(shí)序，保證電機(jī)運(yùn)行在自同步方式[11]。</p><p>　　第2章 無(wú)刷直流電機(jī)的卡爾曼濾波算法</p><p>　　2.1 卡爾曼濾波算法的概述</p><p>　　卡爾曼濾波算法由上個(gè)世紀(jì)60年代由R.E.卡爾曼和R.S.布什

42、提出的一種狀態(tài)空間描述方法，其理論特點(diǎn)是在時(shí)間段上系統(tǒng)的改變記錄下關(guān)系，得到一整套遞推計(jì)算公式，這種方式叫時(shí)域方法。這種方法很適用于電子計(jì)算機(jī)的使用，實(shí)踐證明其方式估計(jì)值有足夠的精確度，從而被廣泛應(yīng)用。卡爾曼首先成功地運(yùn)用狀態(tài)空間的概念，從而改變?yōu)V波問題的一般描述，描述指出不是要求直接給出信號(hào)過(guò)程的二階特性或頻譜密度函數(shù)，而是把信號(hào)處理成類似與線性關(guān)系內(nèi)均勻分布，并且把這種總結(jié)歸納成數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析輸出輸入。這種方式進(jìn)行的數(shù)據(jù)整合并進(jìn)行

43、的數(shù)學(xué)模型得到的線性遞推，在相當(dāng)?shù)某潭壬?，去除了大量的?duì)數(shù)據(jù)的觀察和統(tǒng)計(jì)，以截取有限的時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，當(dāng)新的數(shù)據(jù)出現(xiàn)后，根據(jù)此原理就可以得到新的值進(jìn)行估計(jì)算法。因而它省去了大量繁瑣的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，直接客觀的體現(xiàn)，具有迭代的優(yōu)點(diǎn)，特別廣泛運(yùn)于計(jì)算機(jī)的在線估算[3] 。</p><p>　　設(shè)一個(gè)隨機(jī)過(guò)程的狀態(tài)方程和觀測(cè)模型分別為：</p><p><b>　?。?）

44、</b></p><p>　　式（1）中，為系統(tǒng)狀態(tài)矢量，為系統(tǒng)噪聲矢量。為系數(shù)矩陣。</p><p><b>　　（2）</b></p><p>　　則其濾波運(yùn)算過(guò)程為:</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　觀測(cè)噪音

45、矢量：</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　預(yù)測(cè)誤差方差陣：</b></p><p><b>　　（5）</b></p><p><b>　　增益算法：</b></p><p>

46、;<b>　?。?）</b></p><p><b>　　濾波誤差方差陣：</b></p><p><b>　　（7）</b></p><p>　　上述公式中，是單位矩陣，是的方差陣，是的方差陣。</p><p>　　2.1.1 Kalman濾波傳統(tǒng)算法的優(yōu)勢(shì)及缺陷分析<

47、/p><p>　　Kalman濾波算法中能當(dāng)觀察后信號(hào)處理成數(shù)據(jù)后在線性關(guān)系中呈現(xiàn)正態(tài)分布時(shí)，能有效的發(fā)揮其在非穩(wěn)定的過(guò)程中的作用。在這過(guò)程中產(chǎn)生的預(yù)測(cè)誤差方差、Kalman濾波增益、濾波誤差方差都可以從此處提取出來(lái)進(jìn)行不要的離線處理計(jì)算。就好比，雷達(dá)在跟蹤目標(biāo)運(yùn)動(dòng)過(guò)程軌跡中，物體的運(yùn)行狀態(tài)和測(cè)量器所測(cè)量后計(jì)算的方程是以線性分布的，在線性上產(chǎn)生零均值高斯分布時(shí)候，那么KaLman就可以計(jì)算，滿足每個(gè)線性上的方差最低要

48、求。</p><p>　　通過(guò)具體實(shí)踐我們可以將Kalman濾波</p><p>　　傳統(tǒng)算法的優(yōu)勢(shì)歸納為以下幾點(diǎn)：</p><p>　?。?）kalman濾波計(jì)算機(jī)制是按照當(dāng)前的具體事件進(jìn)行數(shù)據(jù)精細(xì)處理，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?duì)測(cè)量數(shù)據(jù)處理按物理性原則。</p><p>　?。?）為了對(duì)問題進(jìn)行細(xì)致的處理，通過(guò)建Kalman濾波遞推關(guān)系理論模型，這樣可以得

49、到更加精確，可信度高的處理和建模。模型越準(zhǔn)確，效果越好。</p><p>　?。?）對(duì)Kalman濾波結(jié)果檢驗(yàn)最好用其誤差函數(shù)，即給出 ，這樣可以分析結(jié)果的準(zhǔn)確程度。經(jīng)典Kalman濾波理論限于處理狀態(tài)噪聲和觀測(cè)噪聲均為白噪聲，且它們?cè)谙嗤瑫r(shí)刻是相關(guān)的系統(tǒng);這種系統(tǒng)不能滿足理論和應(yīng)用的要求。雖然用增廣狀態(tài)方法可處理帶有色噪聲系統(tǒng)，但由于狀態(tài)維數(shù)增加卻大大增加了計(jì)算負(fù)擔(dān)。同時(shí)，雷達(dá)目標(biāo)跟蹤在實(shí)際應(yīng)用中，目標(biāo)的狀態(tài)方

50、程通常采用直角坐標(biāo)描述，傳感器的狀態(tài)方程一般采用了極坐標(biāo)描述，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的觀測(cè)噪聲不再是以零均值高斯分布。這樣，濾波算法往往需要在線計(jì)算，而Kalman濾波算法中固有的矩陣求逆運(yùn)算將占用相當(dāng)?shù)臅r(shí)間和資源。對(duì)于一些復(fù)雜的應(yīng)用，比如狀態(tài)量比較多的情況，計(jì)算量的問題始終存在。 </p><p>　　卡爾曼濾波器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 卡爾曼濾波結(jié)構(gòu)圖 <

51、/p><p>　　2.1.2 卡爾曼濾波算法的推廣</p><p>　　電動(dòng)機(jī)是的反電勢(shì)觀察過(guò)程中，不難發(fā)現(xiàn)其表達(dá)式不是1個(gè)線性的。因此我們研究的電動(dòng)機(jī)也不是，所以我們用卡爾曼濾波公式的小部分來(lái)進(jìn)行計(jì)算：</p><p>　　考慮如下非線性系統(tǒng)的觀測(cè)方程：</p><p><b>　　（8）</b></p>&

52、lt;p>　　這里給出一種近似算法，即采用圍繞最新狀態(tài)估計(jì)值線性化方法。在預(yù)測(cè)估計(jì)附近將以h展開成泰勒級(jí)數(shù)來(lái)取其線性項(xiàng)，又得其近似表達(dá)式：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　其中：為Jacobian矩陣，定義為：</p><p>　　在得到以上的線性公式后，我們可以對(duì)其非線性的系統(tǒng)進(jìn)行卡爾曼濾波遞推計(jì)算。&l

53、t;/p><p>　?。ㄓ址Q推廣的卡爾曼濾波器公式）如下:</p><p>　　預(yù)測(cè)公式： (10)</p><p>　　濾波公式： (11)</p><p>　　濾波增益：

54、 (12)</p><p>　　預(yù)測(cè)誤差協(xié)方差陣： (13)</p><p>　　濾波誤差協(xié)方差陣： (14)</p><p>　　2.2 卡爾曼濾波算法在無(wú)刷直流電機(jī)中的應(yīng)用</p><p>　　下面考慮所要研究的無(wú)位置傳

55、感器無(wú)刷直流電機(jī)的卡爾曼濾波算法模型，該模型中觀測(cè)量為反電勢(shì)，其波形如圖2.2，無(wú)刷電機(jī)的控制主回路如圖1.2。</p><p>　　圖2.2 反電勢(shì)波形及功率管導(dǎo)通時(shí)序</p><p>　　由于采用了兩兩導(dǎo)通的方式，因而每一時(shí)刻的三相定子繞組只有兩相導(dǎo)通，圖2.3為此對(duì)應(yīng)于圖2.2中的θ從-2/3到-/3的示意圖，此時(shí)此刻的C相繞組不導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)功率管V1、V4導(dǎo)通。</p>

56、<p>　　由電機(jī)學(xué)知識(shí)中的“端電壓”法原理可知，某相的反電勢(shì)的取得是在該相相電流為零的情況(即截止情況)下得到的。圖2.4是C相截止時(shí)等效圖。</p><p>　　圖2.3 C相截止時(shí)無(wú)刷直流電機(jī)模型解剖圖 </p><p>　　圖2.4 C相截止時(shí)等效電路圖 </p><p>　　結(jié)合圖2.4及文獻(xiàn)[4]，可得如下方程：</p>

57、<p><b>　?。?5）</b></p><p><b>　?。?6）</b></p><p><b>　?。?7）</b></p><p><b>　　式中 ; ; </b></p><p><b>　　各相反電勢(shì)為：<

58、/b></p><p><b>　?。?8）</b></p><p><b>　?。?9）</b></p><p>　?。?0） </p><p>　　這些反電勢(shì)需要根據(jù)式（12）--（14）算出來(lái)作為觀測(cè)量。</p><p><b>　　根據(jù)電機(jī)

59、運(yùn)動(dòng)方程：</b></p><p>　?。?1） </p><p>　　可得經(jīng)離散化后的狀態(tài)方程：</p><p><b>　?。?2）</b></p><p>　　其中：Uk為轉(zhuǎn)矩輸入，T為采用時(shí)間，Wk為系統(tǒng)噪聲，Vk為量測(cè)噪聲。</p><p>

60、　　觀測(cè)方程（以反電勢(shì)作為輸出進(jìn)行觀測(cè)）：</p><p><b>　?。?3）</b></p><p>　　由公式（18）--（20）可知，這是一個(gè)非線性動(dòng)態(tài)模型，所以采用圍繞最新狀態(tài)估計(jì)值性化方法。H為Jacobian矩陣，得：</p><p>　　其中 （24） &l

61、t;/p><p><b>　?。?5）</b></p><p>　　由式（18）--（20）中各相反電勢(shì)是在對(duì)應(yīng)相的相電流為零情況下可得到知，在某個(gè)時(shí)間段某個(gè)相位斷去時(shí)，可以得以它的反電勢(shì)的觀察得到的輸出數(shù)值。當(dāng)另一相切換截止時(shí)，因而要用另一種方式的表達(dá)式來(lái)計(jì)算其反電勢(shì)值的數(shù)值。</p><p>　　由式（22）并結(jié)合前述的推導(dǎo)過(guò)程可得卡爾曼濾波算

62、法模型。又由于前面文章分析中得到無(wú)刷直流電機(jī)的kalman遞推公式中各個(gè)向量的維數(shù)定義如下： </p><p><b>　　另外</b></p><p>　　將上式代入Kalman遞推公式中展開得到：</p><p><b&

63、gt;　　（26）</b></p><p><b>　?。?7）</b></p><p><b>　?。?8）</b></p><p><b>　　空間位置遞推公式：</b></p><p><b>　?。?9）</b></p>

64、<p>　　角速度及空間位置的預(yù)測(cè)方程為：</p><p><b>　?。?0）</b></p><p><b>　　（31）</b></p><p>　　第3章 無(wú)傳感器無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)及控制策略</p><p>　　3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>

65、;　　硬件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理版塊和功能驅(qū)動(dòng)版塊所構(gòu)成，之間相互聯(lián)系互相處理如圖3.1所表示的那樣從而構(gòu)建了硬件系統(tǒng)。然而功率驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行電機(jī)三相端電壓的采樣和電流采樣，并進(jìn)行濾波的分壓處理，且對(duì)六路 PWM輸出信號(hào)進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)器件。DSP芯片的六路PWM口輸出為三相互差120゜電角度的方波電流，則PWM輸出信號(hào)經(jīng)精密線性光隔給功率MOS管驅(qū)動(dòng)電路IR2130來(lái)驅(qū)動(dòng)功率MOS器件IRFZ44，并以六片功率MOS管IRFZ44驅(qū)動(dòng)電機(jī)

66、。兩塊印刷板之間通過(guò)雙排34芯電纜連接，分別傳輸A/D采樣信號(hào)和PWM輸出信號(hào)。</p><p>　　圖3.1 硬件系統(tǒng)框圖</p><p>　　3.1.1 數(shù)據(jù)處理板</p><p>　　數(shù)據(jù)處理版塊需要芯片的處理周期在1定的高頻狀態(tài)下，因此50ns的TMS320F240美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的芯片就能使用并以其作為數(shù)據(jù)處理核心，這芯片不僅提供較強(qiáng)的計(jì)算能力以外，

67、還能針對(duì)電機(jī)控制提供了專門的用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的外設(shè)。此芯片配置中有滿足隨時(shí)對(duì)電機(jī)三相端電壓和電流的采集樣本的要求 ，因此各8路10位的6.6us的A/D轉(zhuǎn)換器尤其重要。還因?yàn)樾酒奶攸c(diǎn)是其內(nèi)部時(shí)鐘模塊讓DSP主時(shí)為20MHZ歸功于起提供的晶振具有10MHZ的頻率。</p><p>　　電板上具有和計(jì)算機(jī)相連的數(shù)據(jù)接口，這樣我們可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析還能在線的下載有關(guān)數(shù)據(jù)的調(diào)試程序，從而減輕的計(jì)算負(fù)擔(dān)提高了效

68、率。減少了開發(fā)的時(shí)間。在數(shù)據(jù)處理板上還設(shè)計(jì)了RS232接口，通過(guò)串行數(shù)據(jù)電纜，由計(jì)算機(jī)可以對(duì)電機(jī)的進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。板上SRAM為靜態(tài)RAM芯片—IS61C1024-15，每片128Kx8位，用來(lái)存儲(chǔ)程序和立即操作數(shù)。SRAM的芯片是美國(guó)矽成公司(1SSl)的，存取時(shí)間為15ns，可以和DSP配合使用。GAL是AMD公司的可編程邏輯陣列器件，起對(duì)片外SRAM的選址、片選等譯碼作用。</p><p>　　板上還留了一些

69、擴(kuò)展接口，如：數(shù)據(jù)和地址線接口等。以備今后不同的用途。</p><p>　　3.1.2 功率驅(qū)動(dòng)板</p><p>　　功率驅(qū)動(dòng)板上包含功率逆變器電路、MOSFET管前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路IR2130、光耦電路、端電壓及電流A/D采樣電路，原理圖見圖3.2。功率主電路的功能是將DSP輸出的數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)化成為模擬信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng)逆變電路的MOSFET的開斷，實(shí)現(xiàn)給電機(jī)正確供電的功能[3]。

70、</p><p>　　圖3.2 驅(qū)動(dòng)電路原理圖 </p><p><b>　?。?）逆變器電路</b></p><p>　　功率逆變器以兩相導(dǎo)通Y形三相六狀態(tài)的聯(lián)結(jié)方法為常用接法，它的主電路與繞組聯(lián)結(jié)形式以及電機(jī)功率因素有密切的聯(lián)系。對(duì)于功率逆變器來(lái)說(shuō)，它的電路結(jié)構(gòu)主要以功率開關(guān)管為它的主要部分

71、。按目前市面上，本文研究的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)所用的逆變功率開關(guān)主要以 MOSFET 和IGBT兩種為主。</p><p>　　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制和啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路采用的是三相橋式全控電路的方式，它的繞組方式是以星型連接方式為主，采用的電機(jī)額定電壓是36v，具有外轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，每個(gè)電機(jī)每相含有的磁極個(gè)數(shù)為8個(gè)也就是極對(duì)數(shù)，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行1周的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，所需要換相48次。逆變器采用由6片N溝道MOSFET管IRFZ44N構(gòu)成的

72、上下橋式驅(qū)動(dòng)電路，如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 IRFZ44N構(gòu)成的上下橋式驅(qū)動(dòng)電路</p><p><b>　?。?）光耦電路</b></p><p>　　因?yàn)镈SP輸出端為高速的脈沖波形具有PWM的特性。因此我們必須要選用較高靈敏度的光耦才能用IR2130對(duì)此波形的規(guī)律要求，因此TTL300并用運(yùn)用于此，其特點(diǎn)和原理是用

73、1個(gè)LED發(fā)射出紅外光照射在隔離反饋光二極管和輸出光二極管所產(chǎn)生的信號(hào)為原理所構(gòu)成的。</p><p>　　其中反饋光二極管的作用是吸收LED后，產(chǎn)生信號(hào)從而控制調(diào)節(jié)LED的驅(qū)動(dòng)電流，以至于可以彌補(bǔ)LED中帶來(lái)的溫度時(shí)間的非特性特征。而輸出光二極管的作用是使二極管的輸出信號(hào)與LED放出的光的光量的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)線性對(duì)比。本論文用到了6個(gè)光耦，電路如圖3.4所表示的那樣。</p><p>　

74、　圖3.4 一個(gè)光耦應(yīng)用電路</p><p>　?。?）端電壓及電流采樣電路</p><p>　　如圖3.5所表示，電流檢測(cè)可以通過(guò)檢測(cè)分流電阻兩端壓降得到，分流電阻的大小根據(jù)最大允許輸入的電流限值來(lái)取，以分流電壓為0．5V為基準(zhǔn)。在本次實(shí)驗(yàn)電路中，設(shè)計(jì)的最大允許輸入電流上限值為5A，分流電阻采用了0.1Ω、8W的線繞電阻。由于IR2130中的ITRIP端的輸入閥值電壓為0.5V，當(dāng)在分

75、流電阻上的壓降大于0.5V時(shí)，IR2130內(nèi)部的比較器會(huì)迅速翻轉(zhuǎn)，從而促使IR2130內(nèi)部的故障處理單元輸出的低電平，使IR2130的輸出全為低電平，保證六個(gè)功率MOS器件的柵源極迅速的反偏而全部截止，從而可有效保護(hù)功率管。由于TMS320F240的A/D輸入信號(hào)范圍為0—5V，而電流采樣信號(hào)比較小，必須進(jìn)行放大。按照需要，作者采用德州公司的單電源高精度集成運(yùn)放TLC279同相放大10倍。端電壓檢測(cè)采用電阻分壓檢測(cè)，直流總線上電壓為36

76、V，所以端電壓檢測(cè)的極限值為36V，相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)化為5V，所以分壓比為0.14。</p><p>　　圖3.5 一相的端電壓及電流采樣電路</p><p>　　3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1 軟件開發(fā)流程</p><p>　　軟件開發(fā)流程圖如圖3.6所示。用戶可以使用任何一種文本編輯器或C語(yǔ)言編輯器生成源程序，經(jīng)過(guò)編譯后

77、生成列表文件(.1ist文件)和目標(biāo)文件(.obj-COFF文件)，再使用鏈接器鏈接目標(biāo)文件和命令文件(命令文件確定存儲(chǔ)器的映射地址)來(lái)生成可執(zhí)行的輸出文件(.out文件)。經(jīng)這些過(guò)后，用戶方可以在軟件的集成開發(fā)環(huán)境下對(duì)其目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行程序調(diào)試。當(dāng)調(diào)試完成以后，可將程序?qū)懭胄酒腥8]。</p><p>　　圖3.6 軟件開發(fā)流程圖</p><p><b>　　3.2.2 主程序

78、</b></p><p>　　如圖3.7所示，在主程序中首先完成對(duì)TMS320F240內(nèi)部的事件管理器(EV)寄存器初始化(包括定時(shí)器寄存器、中斷控制寄存器、PWM控制寄存器等的初始化)、時(shí)鐘模塊的初始化(主要設(shè)定CPU工作主時(shí)鐘和系統(tǒng)總線時(shí)鐘)及各變量的初始化，PWM輸出控制關(guān)斷所有功率器件。然后進(jìn)入電機(jī)啟動(dòng)的預(yù)定位階段時(shí)，這一過(guò)程結(jié)束后，電機(jī)的運(yùn)行正式則進(jìn)入無(wú)位置傳感器的三閉環(huán)控制階段中。<

79、/p><p>　　圖3.7 主程序流程圖</p><p>　　3.2.3 ADC中斷服務(wù)子程序</p><p>　　在AD中斷服務(wù)程序內(nèi)，DSP需要完成讀入相電流、三相端電壓、速度閉環(huán)校正、電流環(huán)校正、轉(zhuǎn)子空間位置計(jì)算、轉(zhuǎn)子速度計(jì)算等工作。流程圖如圖3.7所示。</p><p>　　流程圖中的變量說(shuō)明：</p><p>　

80、　V1、V2、V3：三相端電壓采樣值。</p><p>　　STALL： 預(yù)定位結(jié)束標(biāo)志，置1時(shí)表示預(yù)定位過(guò)程結(jié)束。</p><p>　　B2COUNT： 30゜電角度的相位偏移時(shí)間計(jì)數(shù)器，作換相用（即計(jì)算到換點(diǎn)后，延時(shí)30゜電角度再換相）。</p><p>　　BCOUNT： 記錄偏移時(shí)間的計(jì)數(shù)器。</p><p>　　Flag

81、up： 初始化為零，一個(gè)電角度周期結(jié)束置1</p><p>　　Speedcount： 用來(lái)計(jì)數(shù)判斷是否要進(jìn)行速度環(huán)校正。</p><p>　　Flagcur： 判斷是否需要更新了PWM輸出屬性及PWM周期。</p><p>　　Speedflag： 置1時(shí)表明電機(jī)第一次偏移時(shí)間還未結(jié)束， 進(jìn)行速度環(huán)調(diào)節(jié)。</p><p>　

82、　AR3： 每50us加1，當(dāng)一個(gè)電角度周期結(jié)束后，該周期就被記錄下來(lái)。</p><p>　　Kalman算法中涉及到的矩陣乘法如表3.1所示 </p><p>　　表3.1 算法中的矩陣乘</p><p>　　矩陣運(yùn)算除了上述的乘法，還有如下運(yùn)算：加法、減法、除法、轉(zhuǎn)置、求逆。對(duì)于矩陣的求逆，采用下面的公式：</p><

83、;p><b>　?。?2）</b></p><p>　　當(dāng)然，這個(gè)公式的運(yùn)算要涉及到計(jì)算矩陣的伴隨陣、求矩陣的值和矩陣除法運(yùn)算。</p><p>　　在做除法時(shí)，如果直接簡(jiǎn)單地用矩陣中的數(shù)除以常數(shù)，數(shù)據(jù)會(huì)很不精明。為了避免這個(gè)問題，我們采用了一種叫做“類似浮點(diǎn)運(yùn)算”的方法[57]，即除以比例因子，可用下式表示：</p><p><b

84、>　?。?3） </b></p><p>　　讓矩陣中的數(shù)先乘以，再將結(jié)果左移K+1次，這樣大大提高了計(jì)算精度。</p><p>　　3.2.4 PWM中斷服務(wù)子程序</p><p>　　PWM中斷服務(wù)子程序流程圖如圖3.8所示。在PWM定時(shí)計(jì)數(shù)器減為零發(fā)生下溢時(shí)，發(fā)生了PWM中斷，當(dāng)此中斷發(fā)生時(shí)，在PWM中斷服務(wù)程序中啟動(dòng)了A/D采樣，如圖3.

85、9所表示。我們?cè)O(shè)計(jì)功率器件開關(guān)頻率80KHz，PWM周期則為12.5us。電流控制環(huán)每50us校正一次，即四個(gè)PWM周期進(jìn)入一個(gè)電流環(huán)校正周期。A/D采樣的頻率為50us，TMS320F240一次可以選通并采樣兩個(gè)A/D信號(hào)(電流信號(hào)和電壓信號(hào))，CUR—COUNT在PWM中斷服務(wù)程序中作為PWM中斷的計(jì)數(shù)器，作為進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的標(biāo)志，在每個(gè)電流環(huán)校正周期內(nèi)，第一、二個(gè)PWM周期(CUR-C01UNT=0，1)，分別兩次啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，

86、由下面A/D中斷服務(wù)程序判斷是采樣相電流、一相端電壓，還是采樣其余兩相端電壓[9]。剩下兩個(gè)周期，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備下一個(gè)循環(huán)。</p><p>　　圖3.8 PWM中斷服務(wù)子程序</p><p>　　圖3.9 PWM中斷示意圖 </p><p>　　3.3 無(wú)傳感器三閉環(huán)控制策略</p><p>　　本系統(tǒng)采用全數(shù)字三閉環(huán)控制，即電流環(huán)、速度

87、環(huán)、位置環(huán)。1個(gè)模糊控制器和1個(gè)單神經(jīng)元自適應(yīng)控制器構(gòu)成的速度調(diào)節(jié)器，在大誤差范圍內(nèi)可采用模糊控制，在小誤差范圍內(nèi)采用的是單神經(jīng)元自適應(yīng)控制。由于可以得到每?jī)纱螕Q相之間的時(shí)間，兩次換相之間電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)60゜的電角度，所以轉(zhuǎn)子電角速度可以由得到?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3.10所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速尚未達(dá)到給定轉(zhuǎn)速之前，模糊控制器起作用；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值之后，由單神經(jīng)元自適應(yīng)控制器起作用。模糊控制器的輸入是轉(zhuǎn)速的偏差和偏差的變化率，輸出是電流的給定值。根據(jù)被控

88、對(duì)象的輸出轉(zhuǎn)速的響應(yīng)總結(jié)出轉(zhuǎn)速的模糊控制規(guī)則，形成模糊控制表。</p><p>　　圖3.10 無(wú)位置傳感器控制結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　3.3.1位置環(huán) </p><p>　　無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)傳感器控制系統(tǒng)的最內(nèi)環(huán)為位置環(huán)，用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置。因?yàn)橹挥兄懒宿D(zhuǎn)子的確切位置才能切換定子電流的換相。在本文的設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，最內(nèi)環(huán)就是通過(guò)Kalman濾波遞推算法在線

89、算出轉(zhuǎn)子位置和速度。Kalman濾波算法的參數(shù)預(yù)測(cè)的過(guò)程如圖3.11所示。</p><p>　　圖3.11 Kalman遞推算法順序示意圖</p><p><b>　　3.3.2 電流環(huán)</b></p><p>　　電流環(huán)控制是通過(guò)改變脈寬調(diào)制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)殚_關(guān)頻率設(shè)為80KHz，PWM周期固定，改變的是占空比。為了防止調(diào)節(jié)過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)高

90、的沖擊電流，所以對(duì)調(diào)節(jié)電流設(shè)置上限。</p><p>　　下面給出電流調(diào)節(jié)子程序部分原匯編代碼：</p><p>　　LACC ADCFIFO1，10 ；電流采樣Idc存入ACC高16位</p><p><b>　　LDP #0</b></p><p>　　SACH Idc-errorK ；存

91、儲(chǔ)Idc</p><p>　　SETC SXM</p><p>　　LACC Idc-errorK，5</p><p>　　SUB Idc-ref，5</p><p>　　SACL Idc-errorK ；存儲(chǔ)電流偏差</p><p>　　LT Idc-errorK</p>

92、<p><b>　　MPY #Kp</b></p><p>　　PAC ；Acc=Kp*Current-error</p><p>　　ADD COMP，16 </p><p>　　SACH COMP ；存儲(chǔ)Kp*Current-error+CO

93、MP（k-1）</p><p>　　LACC COMP ；載入更新脈沖寬度</p><p>　　BGZ SUP-LIM ；電六校正限幅</p><p>　　SPLK #0， COMP</p><p>　　B COMP OK</p><p>　　SUP-LIM S

94、UB #0112</p><p>　　BLZ COMP-OK</p><p><b>　　END</b></p><p><b>　　3.3.3 速度環(huán)</b></p><p><b>　?。?）模糊控制器</b></p><p>　　模糊控制器的

95、輸入為轉(zhuǎn)速偏差和偏差變化，輸出為內(nèi)環(huán)電流給定值。模糊控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中是先定義輸入輸出變量的模糊集，確定了各變量論域，建立了模糊變量賦值表。根然后據(jù)積累的經(jīng)驗(yàn)后歸納出若干條控制規(guī)則，再由控制規(guī)則進(jìn)行其模糊推理，輸出進(jìn)行反模糊化時(shí)，采用了最大隸屬度原則，得到其一張控制查詢表。實(shí)時(shí)控制時(shí)，采用查表法，只需用一條TBLR指令就可得到所需的控制量。</p><p>　?。?）單神經(jīng)元自適應(yīng)控制器</p>&l

96、t;p>　　由于自適應(yīng)機(jī)構(gòu)要不斷地對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行在線辯識(shí)，因此要求所選用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)適合于自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的在線學(xué)習(xí)的工作特性，而且學(xué)習(xí)速度要快。如果網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的話，那么需要調(diào)整權(quán)重的數(shù)量就較多了，則必然會(huì)影響自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的學(xué)習(xí)速度，且多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)理論運(yùn)用還不夠完善，所以還是選用1個(gè)單神經(jīng)元模型。</p><p>　　神經(jīng)元自適應(yīng)控制器的狀態(tài)量取為：</p><p><

97、b>　?。?4）</b></p><p><b>　　（35）</b></p><p><b>　?。?6）</b></p><p><b>　　采用的控制算法為：</b></p><p><b>　?。?7）</b></p>

98、<p><b>　?。?8）</b></p><p>　　i=1，2，3 （39）</p><p>　　式中Umax為轉(zhuǎn)矩電流分量的最大值。由于Xl、X2、X3分別為誤差積分、誤差、誤差微分，用學(xué)習(xí)規(guī)則調(diào)整各輸入量的權(quán)值，單個(gè)神經(jīng)元就相當(dāng)于變系數(shù)的自適應(yīng)PID調(diào)節(jié)器?？梢钥闯?，誤差較大時(shí)，單神經(jīng)元自適應(yīng)控制的權(quán)重調(diào)整量很大，使單神經(jīng)元控制的超調(diào)增

99、大。因此，只有在誤差較小時(shí)采用單神經(jīng)元自適應(yīng)控制方可達(dá)到較好的效果。</p><p>　　3.3.4 PWM波形生成策略</p><p>　　TMS320F240的事件管理模塊(EV模塊)控制PWM波形輸出。EV模塊中由三個(gè)通用(GP)定時(shí)器，三個(gè)簡(jiǎn)單比較的單元，三個(gè)全比較單元和脈寬調(diào)制電路等。為了PWM波形中生成對(duì)稱波形，連續(xù)加減計(jì)數(shù)在GP定時(shí)器計(jì)數(shù)操作使用，重復(fù)定時(shí)器每次都要復(fù)位到0。

100、這種工作模式一旦啟動(dòng)，計(jì)數(shù)周期就不再需要任何軟件或硬件的干預(yù)來(lái)重復(fù)。在這種模式中，按照定標(biāo)的時(shí)鐘輸入遞增計(jì)數(shù)到其周期寄存器的值在GP定時(shí)器上，從而改變計(jì)數(shù)遞減計(jì)數(shù)到0，反復(fù)進(jìn)行下一次操作。這種模式中，周期為2X(TxPR)個(gè)定標(biāo)的定時(shí)器輸入時(shí)鐘周期，在TMS320F240的12個(gè)PWM輸出端口中選中六個(gè)全比較PWM輸出引腳，采用PWM模式全比較操模式，并由比較控制寄存器COMMON決定。如圖3.12所表示，一個(gè)PWM周期內(nèi)一般都有兩個(gè)比

101、較匹配：一在周期匹配前的遞增計(jì)數(shù)期間，二在周期匹配之后的遞減計(jì)數(shù)器期間。</p><p>　　由于設(shè)計(jì)的晶振周期為10MHz，時(shí)鐘晶振為20MHz，PWM頻率為80kHz，則周期寄存器的值為：</p><p><b>　?。?0）</b></p><p>　　PWM波形初始化程序：</p><p>　　SPLK #01

102、25，TIPER</p><p>　　SPLK #0000h，T1CNT</p><p>　　SPLK #0FFFh，ACTR</p><p>　　SPLK #0508h，DBTCON；因?yàn)镮R2310有產(chǎn)生死區(qū)的功能，所以這兒死區(qū)時(shí)間設(shè)為零</p><p>　　SPLK #00125，CMPRI</p><p&g

103、t;　　SPLK #00125，CMPR2</p><p>　　SPLK #00125，CMPR3</p><p>　　SPLK #0287h，COMCON；連續(xù)加減計(jì)數(shù)模式，PWM模式</p><p>　　SPLK #8287h，COMCON；COMMON寄存器需要兩次寫入</p><p>　　在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，始終有兩相通過(guò)電流，功率

104、管必須有兩個(gè)在工作，其它都關(guān)斷，設(shè)計(jì)中，讓工作中處于下橋臂的MOS功率管始終導(dǎo)通，而位于上橋臂的MOS功率管處于PWM工狀態(tài)。以六種工作狀態(tài)之一為例，在A相截止，C相電流流入，B相電流流出時(shí)PWM設(shè)置如下面程序所示</p><p>　　LACC COMP；載入比較周期</p><p>　　LDP #0E8h</p><p>　　SPLK #0D3FH，ACT

105、R</p><p>　　SACL CMPR3</p><p>　　SPLK #0FFFH，CMPR2</p><p>　　SPLK #0FFFH，CMPRl</p><p>　　其中：PWM1、PWM2、PWM3、PWM6工作在強(qiáng)制高電平狀態(tài)，PWM4為強(qiáng)制低電平狀態(tài)，PWM5處于PWM模式下低電平有效狀態(tài)（在第一個(gè)匹配發(fā)生時(shí)，它產(chǎn)生一

106、個(gè)從高到低的跳變，在第二個(gè)匹配產(chǎn)生時(shí)，它生產(chǎn)一個(gè)從低到高的跳變）。對(duì)照無(wú)刷電機(jī)的控制主回路可知，PWM4對(duì)應(yīng)B相，PWM6對(duì)應(yīng)C相。值得注意的是由于IR2130是反相驅(qū)動(dòng)的，當(dāng)PWM口輸出高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的MOS功率管的關(guān)斷。所以PWM4工作于低電平則意味著相應(yīng)MOS功率管的導(dǎo)通。</p><p>　　圖3.12 用全比較單元產(chǎn)生對(duì)稱的PWM波形</p><p>　　3.3.5 無(wú)刷直流電機(jī)

107、的啟動(dòng)</p><p>　　換相同繞組的電動(dòng)勢(shì)與無(wú)刷直流電機(jī)的是密切相關(guān)的，但電機(jī)靜止時(shí)，這時(shí)候電動(dòng)勢(shì)為零，這樣就沒有換相信號(hào)，不可能啟動(dòng)電機(jī)，所以必須強(qiáng)制啟動(dòng)到一定的速度，使繞組中產(chǎn)生反電勢(shì)并切換到閉環(huán)運(yùn)行方式，完成啟動(dòng)。無(wú)刷直流電機(jī)的啟動(dòng)2種方式：外同步方式和預(yù)定位方式。</p><p>　　以變頻方式同步拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生一定的初速度和電動(dòng)勢(shì)。這種起動(dòng)方式叫作外同步驅(qū)動(dòng)方式起

108、動(dòng)，但這種方式需要專門的脈沖分配電路提供各相導(dǎo)通的控制信號(hào)電路較為復(fù)雜。</p><p>　　預(yù)定位方式起動(dòng)相對(duì)簡(jiǎn)單無(wú)需額外的控制電路。啟動(dòng)有2個(gè)步驟。第一步為定位，給電機(jī)通電狀態(tài)，這時(shí)候定子合成磁勢(shì)F在空間上有一明確方向，把轉(zhuǎn)子磁極調(diào)整至定子合成磁勢(shì)軸線重合的位置，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)定位。第二步為起動(dòng)，改變通電狀態(tài)，使定子合成磁勢(shì)F空間上轉(zhuǎn)至下個(gè)位置，在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)子磁極向定子磁勢(shì)軸線方向移動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生電

109、動(dòng)勢(shì)，再切換到自我閉環(huán)運(yùn)行方式，完成起動(dòng)。以上分析的定子磁勢(shì)空間矢量圖如圖3.13所表示，其中(a)是預(yù)定位狀態(tài)， (b)是起動(dòng)狀態(tài)。</p><p>　　在啟動(dòng)過(guò)程中，在檢測(cè)到反電勢(shì)前的第一次偏移時(shí)間的計(jì)算很重要，設(shè)置不當(dāng)易造成啟動(dòng)失敗，第一次偏移時(shí)間的計(jì)算可以采用離線計(jì)算。</p><p>　　由電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程: </p><p><b>　?。?1）

110、</b></p><p>　　F F Fc </p><p>　　Fa Fb </p><p>　　Fc Fb </p><p

111、>　　Fa ω</p><p>　　(a ) (b )</p><p>　　圖3.13 預(yù)定位方式啟動(dòng)定子磁勢(shì)矢量圖</p><p>　　其中：J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為電磁轉(zhuǎn)矩減去負(fù)載轉(zhuǎn)矩后的轉(zhuǎn)矩。設(shè)啟動(dòng)初始速度為零，則電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)電角度周期的時(shí)間為：T/6，所以啟動(dòng)時(shí)第一次偏移時(shí)間為T/6，將它作為參數(shù)存

112、于寄存器內(nèi)。</p><p>　　第4章 無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果</p><p>　　4.1 Kalman濾波算法的仿真</p><p>　　作者采用作者采用的是一臺(tái)三相Y型無(wú)刷直流電機(jī)，它的參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)/分，極對(duì)數(shù)為8，額定電壓U=36V，額定電流I=3A，定子繞組電阻R=I.125Ω，電樞回路電感L=5.5mH，互感系數(shù)M=0.3mH

113、，電勢(shì)常數(shù)Ke=0.0605V/(r.min-1)，額定轉(zhuǎn)速n=800轉(zhuǎn)/分，額定轉(zhuǎn)矩Uk=0.6Nm，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.0006Kg.m2。仿真參數(shù)：仿真步長(zhǎng)Ts=0.005ms；負(fù)載轉(zhuǎn)矩TS=3.56N.m；粘滯系數(shù)B=0.0013N/m.s Kalman濾波算法的初始參數(shù)：R=I； Q11=Q22=0.02；Q12=Q21=0；P11=P22 0.015；P12=P21=0。仿真的結(jié)果如圖4.1--圖4.5所示， </p&g

114、t;<p>　　圖4.1 估計(jì)的轉(zhuǎn)子速度仿真曲線</p><p>　　圖4.2 估計(jì)的轉(zhuǎn)子空間位置仿真曲線</p><p>　　圖4.3 估計(jì)的轉(zhuǎn)子電角度仿真曲線</p><p>　　圖4.4 A相相電流仿真曲線</p><p>　　圖4.5 電磁轉(zhuǎn)矩仿真曲線</p><p>　　4.2 電機(jī)