无刷直流电机调速系统研制毕业设计.doc
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1、摘 要无刷直流电动机(BLDC)是随着电机控制技术、电力电子技术和微电子技术的发展而出现的一种新型电机。它既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点,又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点,因此在众多领域中得到了广泛的运用。本文以TMS320F2812DSP为核心控制芯片,通过改变定子绕组电压的幅值来调节电机转子转速,运用PID控制算法实现了对无刷直流电机的高性能控制,成功地完成了对无刷直流电机转速的调节。关键字:无刷直流电机,绕组电压,DSP,PIDABSTRACTBrushless DC motor(BLDC) is a new type moto
2、r 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 AC motor has simple structure, reliable operation, convenient maintenance and so on, and has high efficie
3、ncy DC motor, no excitation loss and good timing performance and other characteristics, and therefore become a research hotspot.This paper introduces the present situation and development tendency of Brushless DC motor control, key talked about the operation principle, mathematical model, the intell
4、igent control 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 digital. Mainly by changing the amplitude of stator winding voltage to adj
5、ust the speed of the rotor in the design of the motor speed control system, using the microprocessor finished for high performance control of Brushless DC motor, successfully realized the brush DC motor speed regulation without.KEY WORDS: Brushless DC motor BLDC,Winding voltage,DSP,PID目 录1 绪论11.1 课题
6、研究的背景11.2 课题研究的现状21.3 课题研究的内容32 无刷直流电机的基本原理52.1 无刷直流电动机的基本组成52.2 无刷直流电动机的基本工作原理62.3 无刷直流电动机的位置传感器63 无刷直流电机数学模型及PID控制器的设计133.1 无刷直流电机的运行特性133.2 无刷直流电机的电磁转矩143.3 无刷直流电机的转速153.4 电势系数和转矩系数153.5 无刷直流电机的动态特性163.6 PID控制算法173.7 PWM技术194 无刷直流电机调速系统硬件设计234.1 无刷直流电机调速系统原理结构图234.2 电机控制平台主电路设计234.3 电机主电路图244.4 供
7、电电源电路254.5 PWM驱动电路264.6 串行接口电路284.7 电流检测电路295 无刷直流电机调速系统软件设计315.1 软件整体设计315.2 系统的初始化程序设计325.3 系统DSP主程序335.4 系统中断服务程序345.5 系统子程序345.5.1 电流采样计算子程序355.5.2 转速采样计算子程序355.5.3 转速调节子程序356 总结与展望37致 谢39参考文献.411 绪论1.1 课题研究的背景无刷直流电机调速系统是以电机的转矩和转速为控制对象,按生产机械工艺要求进行电机转速控制的自动化系统。根据电动机的不同,工程上通常分为直流电机和交流电机两大类。 纵观电机的发
8、展过程,交、直流两大电机并存于各个时期的工业领域内,虽然它们所处的地位和作用不同,但是它们始终是随着工业技术的发展,特别是随着电力电子学和微电子学的发展,在相互竞争、相互促进中完善着自身。由于直流电动机具有良好的线性调速特性,简单的控制性能,因而在工业场合应用广泛。近代,由于生产技术的发展,对电机在起制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、和动态响应方面都提出了更高的要求,所以用计算机控制电力拖动控制系统成为设算机应用的一个重要内容。直流调速系统在工农业生产中有着广泛的应用。随着计算机技术和电力电子技术的飞速发展,两者的有机结合使电力拖动控制产生了新的变化。计算机技术、电力电子技术和直流
9、拖动技术的组合是技术领域的交叉,具有广泛的应用前景。有不少的研究者已经在用DSP作为控制器进行研究。直流调速控制系统的控制方法经历了机械式的、双机组式的、分立元件电路式的、集成电路式的、单片机式的发展过程。随着数字信号处理器DSP 的出现,给直流调速控制提供了新的手段和方法。将计算机技术的最新发展成果运用在直流调速系统中,在经典控制的基础之上探讨一种新的控制方法,为计算机技术在电力拖动控制系统中的应用做些研究性的工作。用计算机技术实现直流调速控制系统,选取DSP 芯片作为控制器。直流调速系统的内容十分丰富,有开环控制系统,有闭环控制系统;有单闭环控制系统,有双闭环控制系统和多闭环控制系统;有可
10、逆调速系统,有不可逆调速系统等。本课题研究的控制对象是闭环直流调速系统。目前,对于控制对象的研究和讨论很多,有比较成熟的理念,但实现控制的方法和手段随着技术的发展,特别是计算机技术的发展,不断地进行技术升级。而这个过程经历了从分立元件控制,集成电路控制和单片机,计算机控制等过程。每一次的技术升级都使控制系统的性能有较大地提高和改进。随着新的控制芯片的出现,给技术升级提供了新的可能。电机控制是DSP 应用的主要领域之一,随着社会的发展以及对电机控制要求的日益提高,DSP 将在电机控制领域中发挥越来越重要的作用。本课题就是基于TMS320F2812 DSP芯片的无刷直流电机调速系统。1.2 课题研
11、究的现状无刷直流电机控制系统是一种新型的调速系统,具有良好的运行、控制及经济性能,有着巨大的发展潜力。其中无刷直流电机是利用电子换相替代机械换相和电刷,既具有直流电动机良好的调速性能,又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点,在众多领域中得到了广泛的应用。无刷直流电机的转矩脉动问题,严重阻碍了其调速系统性能的进一步提高和发挥,无法满足一些高精度场合的控制要求。因此,研究能有效抑制无刷直流电机转矩脉动的高性能调速系统,具有非常重要的意义。无刷直流电机是在有刷直流电机的基础上产生发展而来的,在传统电励磁电机当中,直流电机以其良好的转矩特性和快速响应能力而为工业界重视。直流电机有调速性能好、
12、运行效率高等诸多优点。但是由于直流电机存在电刷、滑环等机械接触部件,存在机械磨损,需维护和保养,而且会产生噪声、无线电干扰和火花,因而不能在有粉尘、易燃易爆物质的环境中工作。再加上直流电机制造成本高及维修困难等缺点,大大限制了它的应用范围。针对上述传统直流电机的弊端, 1955年,美国D哈罩森等人首次申请了应用晶体管换相代替电动机机械换向器的专利,这就是现代无刷直流电机的雏形。但由于该电动机尚无起动转矩而不能产品化。而后又经过人们多年的努力,借助于霍尔元件来实现换相的无刷直流电动机终于在1962年诞生。20世纪70年代以来,随着电力电子工业的飞速发展,许多新型的高性能半导体功率器件相继出现,以
13、及高性能的永磁材料问世,均为无刷直流电机的广泛应用奠定了坚实的基础。我国对无刷直流电机的研究起步比较晚,上世纪八十年代以前,国内对无刷直流电机的研究几乎空白。1987年,在北京举办的联邦德国加工设备发展会,江苏大学硕士学位论文SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁式同步伺服系统和技术引进的热潮。经过多年的努力,国内已有无刷直流电机的系列产品,形成了一定的生产规模。尤其在近十几年来,随着电机技术及其相关学科的发展,无刷直流电动机得到了广泛的应用。从有刷到无刷,从半控元件到全控元件,发展过程中各种新结构不断涌现,从电机结构到控制方式也层出不穷。为了科学界定无刷直流电机与其他类型电机,许多学者作
14、了大量工作,其中AKusko在1988年提出包含电机本体与电路形式在内的无刷直流电机的定义逐渐被广泛接受。他提出无刷直流电机必须满足以下5个条件:(1)电机由定子电枢绕组和转子永磁体构成;(2)逆变器直流供电;(3)电机速度正比于直流电压;(4)逆变器矩阵开关函数决定定子绕组的端电压;(5)转子位置检测器的逻辑决定逆变器开关的导通时刻。1.3 课题研究的内容本课题研究的是无刷直流电机的调速系统,它以TMS320F2812 DSP芯片为控制核心构成无刷直流电机调速系统,通过改变电驱电压实现对电机速度的调节。系统主要分为三个部分如图1-3:电机驱动系统,DSP控制系统,人机监控系统。图1-3 无刷
15、直流电机调速系统框图 各单元的主要作用:DSP控制系统:它包含DSP控制单元和检测单元。检测单元采集电机运行的相关信息,包括主回路电流信号、主驱动电压信号、电机转速及转相,并送给 DSP 主控制器。控制单元根据系统的运行设定参数以及系统的实时运行状态来实现对无刷直流电机的自适应调整控制;电机驱动及系统保护单元:主要完成对信号的放大和检测,当电机运行出现异常时,驱动芯片就会根据反馈的信息产生报错信号,并同时使电机驱动端口输出强制置低,锁定电机起到保护作用;人机监控单元:实现对系统实时运行监控,根据运行情况的改变进行必要的人为调整; 主要设计内容:1、DSP 数字信号处理控制系统的设计; 2、人机
16、界面监控系统的设计; 3、电机驱动电路的设计; 4、系统硬件电路的设计;5、系统检测保护电路的设计; 6、系统软件控制设计;2 无刷直流电机的基本原理2.1 无刷直流电动机的基本组成无刷直流电动机的结构原理如图2-1所示。图2-1 无刷直流电动机结构原理图无刷直流电动机主要由电动机本体,位置传感器和电子开关线路三部分组成。其定子绕组一般制成多相(三相、四相、五相不等),转子由永久磁钢按一定极对数(2p=2,4,)组成。图2-1中的电动机本体为三相两极。三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联接, A相、B相、C相绕组分别与功率开关管VT1、VT2、VT3相接。位置传感器的跟踪转子与
17、电动机转轴相联接。当定子绕组的某一相通电时,该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩,驱动转子旋转,再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号,去控制电子开关线路,从而使定子各相绕组按一定次序导通,定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路导通次序是与转子转角同步的,因而起到了机械换向器的换向与调速的作用。2.2 无刷直流电动机的基本工作原理无刷直流电机工作原理图如图2-2所示。图2-2 无刷直流电机工作原理图三相无刷直流电动机的工作原理如图2-2所示。电动机的定子绕组分别为A相、B相、C相,因此,位置传感上也有3个接收元件、与之对应。3个接收元件在空间上间隔
18、120度,分别控制、3个开关管。这3个开关管则控制对应相绕的通电与断电。由于通电相发生了变化,使定子磁场方向也发生了变化,与转子永磁磁场相互作用,仍然会产生与前面过程同样大的转矩,推动转子继续逆时针转动。如此循环下去,电动机就转动起来了。2.3 无刷直流电动机的位置传感器无刷直流电动机的位置传感器主要有三种:电磁式位置传感器:电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现位置测量的。它的结构如图2-3-1所示。它由转子和定子两部分组成。转子是一个用非导磁材料(如铝合金)制成的圆盘,其上面镶嵌有扇形的导磁材料。扇形导磁片的个数与无刷直流电动机转子的转子磁极的极对数相等。转子与电动机轴连在一起,随电动机同步
19、转动。定子是由高频导磁材料的铁心制成,一般有6个极,等间距分布,每个极上都缠有线圈。其中互相间隔的3个磁极为同一绕组,接高频电源,作为励磁极;另外3个极各有自己的独立绕组,作为感应极,是传感器的输出端。图2-3-1 电磁式位置传感器当转子处在如图所示的位置时,励磁极所产生的高频磁通通过转子上的导磁材料耦合到感应极上的绕组上,在绕组上产生感应电压UA。而在其他2个绕组、上,因为非导磁材料的阻隔而不能形成磁路,所以感应电压为0。假设随着电动机的逆时针转动,导磁扇片也跟着转动,并逐渐靠近绕组,远离绕组,使绕组产生感应电压UB,并逐渐增大,绕组上的感应电压UA逐渐减小为O。这样循环下去,电磁式位置传感
20、器就得到3个输出、,它们呈脉动形状,互相间隔120。相位。虽然电磁式位置传感器输出信号大、工作可靠、适应性强;但它的信噪比较低,体积大,输出是交流信号,需要经整流和滤波后才能使用,所以,它在早期的时候应用较多,现在已逐渐退出。光电式位置传感器: 光电式位置传感器利用光电效应进行工作。它由发光二极管、光敏接收元件、遮光板组成,如图2-3-2(a)所示。其中,发光二极管和光敏接收元件分别安装在遮光板的两侧,固定不动;遮光板安装在转子上,随转子转动。遮光板上开有120。的扇形开口,如图2-3-2(b)所示,扇形开口的数目等于直流无刷电动机转子磁极的极对数。当遮光板上的扇形开口对着某个光敏元件因接收到
21、对面的发光二极管发出的光而产生光电流输出;而其他光敏接收元件由于被遮光板挡住光而接收不到光信号,所以没有输出。这样,随着转子的转动,遮光板使光敏接收元件轮流接收光信号,所以产生不同的输出。根据输出就可以判断转子所处的位置。光电元件一般是砷化镓发光二极管和光敏三极管或光敏二极管。光敏三极管或光敏二极管的输出较弱,需要整形放大,图2-3-2(c)是它的放大整形集成电路。经过放大整形输出的是脉冲信号,易于与数字电路接口。图2-3-2(a) 光电位置传感器图2-3-2(b) 遮光板图2-3-2(c) 光敏位置传感器放大整形集成电路霍尔式位置传感器:霍尔式位置传感器是利用“霍尔效应进行工作的。利用霍尔式
22、位置传感器工作的无刷直流电动机的永磁转子,同时也是霍尔传感器的转子。通过感知转子上的磁场强弱变化来辨别转子所处的位置。(如图2-3-3(a) 图2-3-3(a) 霍尔位置传感器集成电路图图2-3-3(b) 霍尔效应原理图如图2-3-3(b)所示,在长方形半导体薄片上通入电流I,电流方向如图,当在垂直于薄片的方向上施加磁感应强度为B的磁场时,则在与电流I和磁场强度B构成的平面相垂直的方向上会产生一个电动势E,称其大小为: (K为灵敏度系数),我们称这种效应为霍尔效应。当磁场强度方向与半导体薄片不垂直,而是成0角时,霍尔电动势的大小改为:。所以,利用永磁转子的磁场,对霍尔半导体通入直流电,当转子的
23、磁场强度大小和方向随着它的不同而发生变化时,霍尔半导体就会输出霍尔电动势,霍尔电动势的大小和相位随转子位置而发生变化,从而起到了检测转子位置的作用。霍尔位置传感器由于结构简单,性能可靠,成本低,因此是目前在无刷直流电机上应用最多的一种位置传感器。3 无刷直流电机数学模型及PID控制器的设计3.1 无刷直流电机的运行特性图3-1(a) 电驱绕组感应电势波形图以三相非桥式星形接法两极电机为例,分析无刷直流电动机的运行特性。依无刷直流电机的工作原理,该种接法时的。为了便于分析,作如下假设:(1)转子磁钢所产生的磁场在气隙中沿圆周按正弦分布;(2)忽略电枢绕组的电感,电枢绕组电流可以突变;(3)忽略过
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