无刷直流电机控制体系设计和实现论文
1.1课题背景及选题意义
1.1.1电力电子及微处理器技术
对无刷直流电机发展的影响传统信号处理方法分为两大类:时域分析和频域分析。时域分析常常是直接利用回波时域信号进行分析并给出结果,是最简单而且最直接的方法,特别是当信号中明显含有简谐成分、周期成分或瞬时脉冲成分更为有效。
(1)小型化和集成化微机电系统(MEMS)技术的发展将使电机控制系统朝控制电路和传感器高度集成化的方向发展,如将电流、电压、速度等信号融合后在进行反馈,可使无刷直流电机控制系统更加简单而可靠。另外,由于无刷直流电机采用稀土永磁材料制作转子,转子侧无热源,故电机内部温升较传统直流电机小很多,使无刷直流电机逆变器控制电路装入电机内部成为可能。逆变器与电机二者融为一体,使无刷直流电机与电子技术结合得更紧密,产品的附加值更高,整个控制系统也将朝小型化、集成化方向发展。
(2)控制器全数字化无刷直流电机性能的改善和提高,除了与电机转子永磁材料及电子驱动电路密切相关外,更与其控制器密切相关。因此,也可以从提高电机控制器的性能着手来提高无刷直流电机控制系统的整体性能。高速微处理器及高密度可编程逻辑器件技术的出现,为此提供了可行的方案和可靠的保证。例如,在一些对控制成本和空间要求严格的应用中,增加位置传感器不太实用或无法接受,而DSP等芯片固有的高速计算能力正可被用来实现无刷直流电机的无位置传感器控制。许多硬件工作,如传统的PID模拟电路,信号处理电路和逻辑判断电路等都可以由软件来实现,从而进一步减少了系统硬件电路的体积、提高了系统的可靠性和效率。另外一些相对复杂的控制算法也可以通过DSP、CPLD或者FPGA等芯片来实现,这不但可以提高无刷直流电机控制系统的可靠性,也为其接口的通用化和控制的全数字化方向发展提供了坚实的堪础。控制器的全数字化将使系统的硬件结构更加简单,促使柔性控制算法在电机控制中的应用,同时还易与上层和远程控制系统进行数据传输通信,便于系统故障的监视和诊断。
(3)驱动电路的幵关频率一般在2-5kHz,该频率范围内引起的噪声在人耳声频范围之内,不利于人的身心健康。同时,在绕组电感不够大时,绕组电流波形不太平滑、波动较大。采用MOSFET和IGBT之后,开关频率可达几十千赫兹以上。这样,不论是电磁噪声还是电流波形都能得到改善。因此,在利用软幵关等新技术来降低开关损耗、增加幵关寿命,并保证系统效率不变或提高的前提下,提高驱动电路的开关频率可实现无刷直流电机系统控制的绿色化PWM控制。而在器件开关频率受限条件下,则可采用新的调制模式来提高PWM调制的工作频率,从而达到降低无刷直流电机转矩波动,提高系统效率的目的。另外,电机驱动功率管,尤 是MOSFET,在大电流下管压降大,功率管的损耗也大。因此,在允许范围内,控制时宜选用高电压、低电流功率管或采用高电压、低电流供电方式,则功率管压降占母线的比例会较小,这样可进一步提高系统的效率。
二无刷直流电机的工作原理和数学模型
无刷直流电机由于用电流转向装置取代了直流电机的换向器,使得直流电机的换向问题得以解决,与此同时它还保留了直流电机的良好特性。无刷直流电机既具有直流电机调速性能好、起动转矩大的优点,又具有交流屯机结构简单、运行可靠、维护方便的优点。近年来,随卷Hi力电子技术、永磁材料和计算机控制技术的'出现了各种各样结构各异-的永磁无刷直流电动机,具有广阔的应用前景和强大的生命力。永磁无刷直流电机具有高效、高功率密度、高可靠性等特点,在国民经济的各个领域,如电动车、医疗器械、仪器仪表、工业自动化、精密电子仪器与设备、航空航天等方面的应用日益广泛。
2.1无刷直流电机的基本结构
无刷直流电机的设计思想来源于利用电子开关电路代替有刷直流电机的机械换向器。普迎有刷直流电机由于电刷的换向作用,使得电枢磁场和主磁场的方向在电机运行的过程中始终保持相互垂直,这样能够产生最大的转矩,从而驱动电机不停地运转下去。无刷直流电机取消电刷实现了无机械接触换相,做成“倒装式直流电机”的结构,将电枢绕组和永磁磁钢分别放在定子和转子侧。无刷直流电机必须具有由控制电路、功率逆变桥和转子位置传感器共同组成的换相装置以实现电机速度和方向的控制因此,可以认为无刷直流电机是典型的机屯一体化器件,其基本结构由电动机本体、驱动控制电路及转子位置传感器三部分组成,转子位置传感器是无刷直流电机的重要组成部分,它的作用是检测转子磁极的位置、.为逻辑开关电路提供正确的换相信总,即将转子磁极的位置信号转换成电信号,然后去控制定子绕组换相,使电机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按一定次序换相,通过气隙形成步进式旋转磁场,驱动永磁转子连续不断地旋转。位置传感器的种类浪多,并且都各具特点。目前在无刷直流电机中应片]较多的位置传感器主要有磁敏式、电磁式、光电式等?。霍尔位置传感器是磁敏式位置传感器的一种,由于其体积小,使用方便并且价格低廉,故无刷直流电机控制系统中一般将其作为转子位置检测装置。
三 控制系统的整体结构和控制策略.......... 24-30
3.1 系统的整体方案......... 24
3.2 系统结构......... 24-25
3.3 控制芯片......... 25-28
3.4 控制技术......... 28-29
3.5 控制策略......... 29
3.6 本章小结 .........29-30
四 控制系统硬件电路设计......... 30-41
4.1 总体硬件结构 .........30
4.2 DSP最小系统设计......... 30-33
4.3 驱动电路设计.........33-38
4.4 采样检测电路设计......... 38-40
4.4.1 电流采样电路 .........38
4.4.2 转子位置信号检测电路......... 38-40
4 5 本章小结......... 40-41
五 控制系统软件设计 .........41-53
5.1 软件开发环境介绍......... 41-42
5.2 控制系统软件概述......... 42-46
5.3 数字PID算法及其在本系统中的应用......... 46-51
5.3.1 PID控制......... 47-49
5.3.2 PID算法在本系统中的应用 .........49-51
5.4 三相全桥调制方式......... 51-52
5.5 本章小结......... 52-53
结论
随着各种控制理论,数字信号处理器(DSP)的发展以及它们在电机控制中的广泛应用,屯机的控制技术的发展进入了全新的阶段。木文对拙于DSP的无刷直流电机控制系统进行了研宂,完成了控制系统的软、硬件部分的设汁,本文所做的主要工作包括:
(1)阅读大量的文献资料,介绍了无刷直流电机的发展现状与趋势,对电机控制技术的发展以及特点进行了详尽的叙述。
(2)研究无刷直流电机的基本原理,数学模型、调速原理。
(3)在无刷直流电机控制系统的设计部分,本文详细论述了系统的整体硬件结构,介绍了TMS320F2812控制器,重点论述了 DSP外围电路、驱动和三相全桥电路的设计。同寸完成了采样检测电路的设计。
(4)熟练使用DSP仿真环境CCS进行软件编程,对控制系统的软件的主程序和中断服务子程序分别进行了设计。
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