無刷直流電機控制體系設(shè)計和實現(xiàn)論文

　　1.1課題背景及選題意義

　　1.1.1電力電子及微處理器技術(shù)

　　對無刷直流電機發(fā)展的影響傳統(tǒng)信號處理方法分為兩大類:時域分析和頻域分析。時域分析常常是直接利用回波時域信號進行分析并給出結(jié)果,是最簡單而且最直接的方法,特別是當信號中明顯含有簡諧成分、周期成分或瞬時脈沖成分更為有效。

　　(1)小型化和集成化微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展將使電機控制系統(tǒng)朝控制電路和傳感器高度集成化的方向發(fā)展,如將電流、電壓、速度等信號融合后在進行反饋,可使無刷直流電機控制系統(tǒng)更加簡單而可靠。另外,由于無刷直流電機采用稀土永磁材料制作轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子側(cè)無熱源,故電機內(nèi)部溫升較傳統(tǒng)直流電機小很多,使無刷直流電機逆變器控制電路裝入電機內(nèi)部成為可能。逆變器與電機二者融為一體,使無刷直流電機與電子技術(shù)結(jié)合得更緊密,產(chǎn)品的附加值更高,整個控制系統(tǒng)也將朝小型化、集成化方向發(fā)展。

　　(2)控制器全數(shù)字化無刷直流電機性能的改善和提高,除了與電機轉(zhuǎn)子永磁材料及電子驅(qū)動電路密切相關(guān)外,更與其控制器密切相關(guān)。因此,也可以從提高電機控制器的性能著手來提高無刷直流電機控制系統(tǒng)的整體性能。高速微處理器及高密度可編程邏輯器件技術(shù)的出現(xiàn),為此提供了可行的方案和可靠的保證。例如,在一些對控制成本和空間要求嚴格的應(yīng)用中,增加位置傳感器不太實用或無法接受,而DSP等芯片固有的高速計算能力正可被用來實現(xiàn)無刷直流電機的無位置傳感器控制。許多硬件工作,如傳統(tǒng)的PID模擬電路,信號處理電路和邏輯判斷電路等都可以由軟件來實現(xiàn),從而進一步減少了系統(tǒng)硬件電路的體積、提高了系統(tǒng)的可靠性和效率。另外一些相對復(fù)雜的控制算法也可以通過DSP、CPLD或者FPGA等芯片來實現(xiàn),這不但可以提高無刷直流電機控制系統(tǒng)的可靠性,也為其接口的通用化和控制的全數(shù)字化方向發(fā)展提供了堅實的堪礎(chǔ)。控制器的全數(shù)字化將使系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)更加簡單,促使柔性控制算法在電機控制中的應(yīng)用,同時還易與上層和遠程控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸通信,便于系統(tǒng)故障的監(jiān)視和診斷。

　　(3)驅(qū)動電路的幵關(guān)頻率一般在2-5kHz,該頻率范圍內(nèi)引起的噪聲在人耳聲頻范圍之內(nèi),不利于人的身心健康。同時,在繞組電感不夠大時,繞組電流波形不太平滑、波動較大。采用MOSFET和IGBT之后,開關(guān)頻率可達幾十千赫茲以上。這樣,不論是電磁噪聲還是電流波形都能得到改善。因此,在利用軟幵關(guān)等新技術(shù)來降低開關(guān)損耗、增加幵關(guān)壽命,并保證系統(tǒng)效率不變或提高的前提下,提高驅(qū)動電路的開關(guān)頻率可實現(xiàn)無刷直流電機系統(tǒng)控制的綠色化PWM控制。而在器件開關(guān)頻率受限條件下,則可采用新的調(diào)制模式來提高PWM調(diào)制的工作頻率,從而達到降低無刷直流電機轉(zhuǎn)矩波動,提高系統(tǒng)效率的目的。另外,電機驅(qū)動功率管,尤 是MOSFET,在大電流下管壓降大,功率管的損耗也大。因此,在允許范圍內(nèi),控制時宜選用高電壓、低電流功率管或采用高電壓、低電流供電方式,則功率管壓降占母線的比例會較小,這樣可進一步提高系統(tǒng)的效率。

　　二無刷直流電機的工作原理和數(shù)學模型

　　無刷直流電機由于用電流轉(zhuǎn)向裝置取代了直流電機的換向器,使得直流電機的換向問題得以解決,與此同時它還保留了直流電機的良好特性。無刷直流電機既具有直流電機調(diào)速性能好、起動轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點,又具有交流屯機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便的優(yōu)點。近年來,隨卷Hi力電子技術(shù)、永磁材料和計算機控制技術(shù)的出現(xiàn)了各種各樣結(jié)構(gòu)各異-的永磁無刷直流電動機,具有廣闊的應(yīng)用前景和強大的生命力。永磁無刷直流電機具有高效、高功率密度、高可靠性等特點,在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域,如電動車、醫(yī)療器械、儀器儀表、工業(yè)自動化、精密電子儀器與設(shè)備、航空航天等方面的應(yīng)用日益廣泛。

　　2.1無刷直流電機的基本結(jié)構(gòu)

　　無刷直流電機的設(shè)計思想來源于利用電子開關(guān)電路代替有刷直流電機的機械換向器。普迎有刷直流電機由于電刷的換向作用,使得電樞磁場和主磁場的方向在電機運行的過程中始終保持相互垂直,這樣能夠產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩,從而驅(qū)動電機不停地運轉(zhuǎn)下去。無刷直流電機取消電刷實現(xiàn)了無機械接觸換相,做成“倒裝式直流電機”的結(jié)構(gòu),將電樞繞組和永磁磁鋼分別放在定子和轉(zhuǎn)子側(cè)。無刷直流電機必須具有由控制電路、功率逆變橋和轉(zhuǎn)子位置傳感器共同組成的換相裝置以實現(xiàn)電機速度和方向的控制因此,可以認為無刷直流電機是典型的機屯一體化器件,其基本結(jié)構(gòu)由電動機本體、驅(qū)動控制電路及轉(zhuǎn)子位置傳感器三部分組成,轉(zhuǎn)子位置傳感器是無刷直流電機的重要組成部分,它的作用是檢測轉(zhuǎn)子磁極的位置、.為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信總,即將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號,然后去控制定子繞組換相,使電機電樞繞組中的電流隨著轉(zhuǎn)子位置的變化按一定次序換相,通過氣隙形成步進式旋轉(zhuǎn)磁場,驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。位置傳感器的種類浪多,并且都各具特點。目前在無刷直流電機中應(yīng)片]較多的位置傳感器主要有磁敏式、電磁式、光電式等?�；魻栁恢脗鞲衅魇谴琶羰轿恢脗鞲衅鞯囊环N,由于其體積小,使用方便并且價格低廉,故無刷直流電機控制系統(tǒng)中一般將其作為轉(zhuǎn)子位置檢測裝置。

　　三 控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和控制策略.......... 24-30

　　3.1 系統(tǒng)的整體方案......... 24

　　3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)......... 24-25

　　3.3 控制芯片......... 25-28

　　3.4 控制技術(shù)......... 28-29

　　3.5 控制策略......... 29

　　3.6 本章小結(jié) .........29-30

　　四 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計......... 30-41

　　4.1 總體硬件結(jié)構(gòu) .........30

　　4.2 DSP最小系統(tǒng)設(shè)計......... 30-33

　　4.3 驅(qū)動電路設(shè)計.........33-38

　　4.4 采樣檢測電路設(shè)計......... 38-40

　　4.4.1 電流采樣電路 .........38

　　4.4.2 轉(zhuǎn)子位置信號檢測電路......... 38-40

　　4 5 本章小結(jié)......... 40-41

　　五 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 .........41-53

　　5.1 軟件開發(fā)環(huán)境介紹......... 41-42

　　5.2 控制系統(tǒng)軟件概述......... 42-46

　　5.3 數(shù)字PID算法及其在本系統(tǒng)中的應(yīng)用......... 46-51

　　5.3.1 PID控制......... 47-49

　　5.3.2 PID算法在本系統(tǒng)中的應(yīng)用 .........49-51

　　5.4 三相全橋調(diào)制方式......... 51-52

　　5.5 本章小結(jié)......... 52-53

　　結(jié)論

　　隨著各種控制理論,數(shù)字信號處理器(DSP)的發(fā)展以及它們在電機控制中的廣泛應(yīng)用,屯機的控制技術(shù)的發(fā)展進入了全新的階段。木文對拙于DSP的無刷直流電機控制系統(tǒng)進行了研宂,完成了控制系統(tǒng)的軟、硬件部分的設(shè)汁,本文所做的主要工作包括:

　　(1)閱讀大量的文獻資料,介紹了無刷直流電機的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢,對電機控制技術(shù)的發(fā)展以及特點進行了詳盡的敘述。

　　(2)研究無刷直流電機的基本原理,數(shù)學模型、調(diào)速原理。

　　(3)在無刷直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)計部分,本文詳細論述了系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu),介紹了TMS320F2812控制器,重點論述了 DSP外圍電路、驅(qū)動和三相全橋電路的設(shè)計。同寸完成了采樣檢測電路的設(shè)計。

　　(4)熟練使用DSP仿真環(huán)境CCS進行軟件編程,對控制系統(tǒng)的軟件的主程序和中斷服務(wù)子程序分別進行了設(shè)計。

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