無(wú)刷直流電機(jī)控制體系設(shè)計(jì)和實(shí)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(duì)無(wú)刷直流電機(jī)發(fā)展的影響傳統(tǒng)信號(hào)處理方法分為兩大類:時(shí)域分析和頻域分析。時(shí)域分析常常是直接利用回波時(shí)域信號(hào)進(jìn)行分析并給出結(jié)果,是最簡(jiǎn)單而且最直接的方法,特別是當(dāng)信號(hào)中明顯含有簡(jiǎn)諧成分、周期成分或瞬時(shí)脈沖成分更為有效。

　　(1)小型化和集成化微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展將使電機(jī)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(hào)融合后在進(jìn)行反饋,可使無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單而可靠。另外,由于無(wú)刷直流電機(jī)采用稀土永磁材料制作轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子側(cè)無(wú)熱源,故電機(jī)內(nèi)部溫升較傳統(tǒng)直流電機(jī)小很多,使無(wú)刷直流電機(jī)逆變器控制電路裝入電機(jī)內(nèi)部成為可能。逆變器與電機(jī)二者融為一體,使無(wú)刷直流電機(jī)與電子技術(shù)結(jié)合得更緊密,產(chǎn)品的附加值更高,整個(gè)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(wú)刷直流電機(jī)性能的改善和提高,除了與電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁材料及電子驅(qū)動(dòng)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(jī)控制器的性能著手來(lái)提高無(wú)刷直流電機(jī)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(duì)控制成本和空間要求嚴(yán)格的應(yīng)用中,增加位置傳感器不太實(shí)用或無(wú)法接受,而DSP等芯片固有的高速計(jì)算能力正可被用來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的無(wú)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(hào)處理電路和邏輯判斷電路等都可以由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn),從而進(jìn)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(duì)復(fù)雜的控制算法也可以通過(guò)DSP、CPLD或者FPGA等芯片來(lái)實(shí)現(xiàn),這不但可以提高無(wú)刷直流電機(jī)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(jiān)實(shí)的堪礎(chǔ)�？刂破鞯娜珨�(shù)字化將使系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單,促使柔性控制算法在電機(jī)控制中的應(yīng)用,同時(shí)還易與上層和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)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(dòng)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(shí),在繞組電感不夠大時(shí),繞組電流波形不太平滑、波動(dòng)較大。采用MOSFET和IGBT之后,開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)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(lái)降低開(kāi)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(dòng)電路的開(kāi)關(guān)頻率可實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)控制的綠色化PWM控制。而在器件開(kāi)關(guān)頻率受限條件下,則可采用新的調(diào)制模式來(lái)提高PWM調(diào)制的工作頻率,從而達(dá)到降低無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng),提高系統(tǒng)效率的目的。另外,電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)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(huì)較小,這樣可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的效率。

　　二無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理和數(shù)學(xué)模型

　　無(wú)刷直流電機(jī)由于用電流轉(zhuǎn)向裝置取代了直流電機(jī)的換向器,使得直流電機(jī)的換向問(wèn)題得以解決,與此同時(shí)它還保留了直流電機(jī)的良好特性。無(wú)刷直流電機(jī)既具有直流電機(jī)調(diào)速性能好、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點(diǎn),又具有交流屯機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái),隨卷Hi力電子技術(shù)、永磁材料和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的出現(xiàn)了各種各樣結(jié)構(gòu)各異-的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī),具有廣闊的應(yīng)用前景和強(qiáng)大的生命力。永磁無(wú)刷直流電機(jī)具有高效、高功率密度、高可靠性等特點(diǎn),在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域,如電動(dòng)車、醫(yī)療器械、儀器儀表、工業(yè)自動(dòng)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(wú)刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

　　無(wú)刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)思想來(lái)源于利用電子開(kāi)關(guān)電路代替有刷直流電機(jī)的機(jī)械換向器。普迎有刷直流電機(jī)由于電刷的換向作用,使得電樞磁場(chǎng)和主磁場(chǎng)的方向在電機(jī)運(yùn)行的過(guò)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(dòng)電機(jī)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)下去。無(wú)刷直流電機(jī)取消電刷實(shí)現(xiàn)了無(wú)機(jī)械接觸換相,做成“倒裝式直流電機(jī)”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(wú)刷直流電機(jī)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(shí)現(xiàn)電機(jī)速度和方向的控制因此,可以認(rèn)為無(wú)刷直流電機(jī)是典型的機(jī)屯一體化器件,其基本結(jié)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)本體、驅(qū)動(dòng)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(wú)刷直流電機(jī)的重要組成部分,它的作用是檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極的位置、.為邏輯開(kāi)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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),然后去控制定子繞組換相,使電機(jī)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(guò)氣隙形成步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),驅(qū)動(dòng)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(diǎn)。目前在無(wú)刷直流電機(jī)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(jià)格低廉,故無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中一般將其作為轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)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(jì)......... 30-41

　　4.1 總體硬件結(jié)構(gòu) .........30

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

　　4.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì).........33-38

　　4.4 采樣檢測(cè)電路設(shè)計(jì)......... 38-40

　　4.4.1 電流采樣電路 .........38

　　4.4.2 轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)電路......... 38-40

　　4 5 本章小結(jié)......... 40-41

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

　　5.1 軟件開(kāi)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(hào)處理器(DSP)的發(fā)展以及它們?cè)陔姍C(jī)控制中的廣泛應(yīng)用,屯機(jī)的控制技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了全新的階段。木文對(duì)拙于DSP的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)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(xiàn)資料,介紹了無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì),對(duì)電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展以及特點(diǎn)進(jìn)行了詳盡的敘述。

　　(2)研究無(wú)刷直流電機(jī)的基本原理,數(shù)學(xué)模型、調(diào)速原理。

　　(3)在無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)部分,本文詳細(xì)論述了系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu),介紹了TMS320F2812控制器,重點(diǎn)論述了 DSP外圍電路、驅(qū)動(dòng)和三相全橋電路的設(shè)計(jì)。同寸完成了采樣檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)。

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

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