DSP基于DSP無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)課件

1、基于DSP無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)本文針對(duì)有刷直流電動(dòng)機(jī)存在換向火花、機(jī)械換向困難、磨損嚴(yán)重等缺點(diǎn)，提出了采用無(wú)刷直流機(jī)來(lái)代替有刷直流電動(dòng)機(jī)，來(lái)提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量,本文設(shè)計(jì)了無(wú)刷直流機(jī)的數(shù)字控制方法。由于DSP具有處理數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性好和精度高等優(yōu)點(diǎn),所以本文控制器采用的是DSP。此系統(tǒng)的雙閉環(huán)就是通過(guò)DSP軟件編程實(shí)現(xiàn)的，比起以往的用模擬器件實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)，其整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、控制精度高并且具有很強(qiáng)的靈活性，系統(tǒng)可根據(jù)用戶的控制要求只需更改設(shè)定參數(shù)（即指令操作數(shù)）就可以實(shí)現(xiàn)其控制結(jié)果。本文對(duì)無(wú)刷直流機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理做了簡(jiǎn)單的介紹，以為了更好地理解無(wú)刷直流機(jī)控制

2、系統(tǒng)。雖然用位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的方法比較直接，但位置傳感器必須安裝在電動(dòng)機(jī)軸上，使電動(dòng)機(jī)更加笨重，并且增加了整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械磨損等，所以本文采用了無(wú)位置傳感器方法來(lái)獲得轉(zhuǎn)子位置信號(hào),本文采用反電勢(shì)檢測(cè)法。為了使整個(gè)系統(tǒng)能夠可靠運(yùn)行，因而采用了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)都采用PI調(diào)節(jié)器。1.1 無(wú)刷直流機(jī)的結(jié)構(gòu)無(wú)刷直流機(jī)的轉(zhuǎn)子是由永磁材料制成的,具有一定磁極對(duì)數(shù)的永磁體。為了能產(chǎn)生梯形波感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，無(wú)刷直流機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鋼的形狀呈弧形（瓦片狀），氣隙磁場(chǎng)呈梯形分布。定子上有電樞，這一點(diǎn)與永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)正好相反。無(wú)刷直流機(jī)的定子電樞繞組采用整距集中式繞組，繞組的相數(shù)有二、三、四、五相，但應(yīng)用

3、最多的是三相和四相。各項(xiàng)繞組分別與外部的電子開(kāi)關(guān)電路相連，開(kāi)關(guān)電路中的開(kāi)關(guān)管受位置傳感器的信號(hào)控制。無(wú)刷直流機(jī)的工作離不開(kāi)電子開(kāi)關(guān)的電路，因此由電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)電路三部分組成了無(wú)刷直流機(jī)控制系統(tǒng)。其原理框圖如圖1-1所示。圖中，直流電源通過(guò)開(kāi)關(guān)電路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電，位置傳感器隨時(shí)檢測(cè)到轉(zhuǎn)子所處位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和截止。從而自動(dòng)地控制了哪些繞組通電，哪些繞組斷電，實(shí)現(xiàn)了電子換向。直流電源電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)電路位置傳感器 圖1-1無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)原理框圖1.2 無(wú)刷直流機(jī)的工作原理普通直流電動(dòng)機(jī)的電樞在轉(zhuǎn)子上，而定子產(chǎn)生固定不動(dòng)的磁場(chǎng)。為了使直流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，

4、需要通過(guò)換向器和電刷不斷的改變電樞繞組中電流的方向，使兩個(gè)磁場(chǎng)的方向始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不斷旋轉(zhuǎn)。無(wú)刷直流機(jī)為了去掉電刷，將電樞放到定子上去，而轉(zhuǎn)子做成永磁體，這樣的結(jié)構(gòu)正好與普通電動(dòng)機(jī)相反。然而即使這樣改變還不夠，因?yàn)槎ㄗ由系碾姌型ㄈ胫绷麟娨院?，只能產(chǎn)生不變的磁場(chǎng)電動(dòng)機(jī)依然轉(zhuǎn)不起來(lái)。為了使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)起來(lái)，必須使定子電樞各相繞組不斷地?fù)Q相通電，這樣才能使定子磁場(chǎng)隨著轉(zhuǎn)子的位置不斷地變化，使定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)始終保持90o左右的空間角，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)5。在換相的過(guò)程中，定子各項(xiàng)繞組在工作氣隙中所形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是跳躍式運(yùn)動(dòng)。這種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在一周有三種狀態(tài)，每種

5、狀態(tài)持續(xù)120o。它們跟蹤轉(zhuǎn)子，并與轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)相互作用，能夠產(chǎn)生推動(dòng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì) 2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體的硬件電路可分為以下幾個(gè)部分:1) DSP控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)2) 功率主電路設(shè)計(jì)3) 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)4) 故障處理保護(hù)電路設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的總體的硬件框圖如圖2-1所示圖2-1系統(tǒng)總體硬件框圖前級(jí)整流濾波電路提供給整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定的直流電源；逆變電路選用的是IPM模塊，由DSP提供的6路PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)高速光耦的隔離后經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)從而控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)；反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路則是提供給DSP信號(hào)用來(lái)確定轉(zhuǎn)子位置的。保護(hù)電路則是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)提供安全的保護(hù)措施，包括過(guò)壓、欠壓等。2.2

6、 功率主電路由于無(wú)刷直流機(jī)的供電電壓為直流，在其定子中流過(guò)的是交流電的原因，所以對(duì)于系統(tǒng)的主電路來(lái)說(shuō)采用常用的交-直-交變換。圖2-2交直變換電路結(jié)構(gòu)圖交直部分采用三相橋式不可控整流電路(電路圖如2-2所示)，用來(lái)提供電路所需的直流電壓。濾波電容C1用來(lái)穩(wěn)定直流電壓，降低直流電源的輸出阻抗。其中A, B, C三相為從DSP系統(tǒng)開(kāi)發(fā)控制板輸出的三相交流電。2.2.1 IPM模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2-3 IPM的等效電路圖由圖2-3可見(jiàn)，IPM是一種包括反并聯(lián)續(xù)流二極管在內(nèi)的由IGBT組成的逆變器。在此電路中，功率變換由6個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管及續(xù)流二極管構(gòu)成三相逆變橋。六個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)觸發(fā)信號(hào)受TM

7、S320LF2407A DSP芯片所輸出的六路PWM波的控制，開(kāi)關(guān)管有規(guī)律的通斷將直流電逆變?yōu)榻涣麟娞峁┙o無(wú)刷直流機(jī)的三相定子。2.2.2 IGBT驅(qū)動(dòng)電路本系統(tǒng)的IGBT門(mén)極觸發(fā)采用的是日本東芝公司TA8316AS，通過(guò)大電流直接驅(qū)動(dòng)IGBT。其內(nèi)部和控制電路連接如圖：圖2-4 TA8316AS內(nèi)部和控制電路圖2.3 位置檢測(cè)電路無(wú)刷電動(dòng)機(jī)是一閉環(huán)的機(jī)電一體化系統(tǒng)，它是通過(guò)轉(zhuǎn)子磁極位置信號(hào)作為電子開(kāi)關(guān)線路的換相信號(hào)，因此，準(zhǔn)確檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置及時(shí)對(duì)功率器件進(jìn)行切換，是無(wú)刷直流機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。為適應(yīng)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，無(wú)位置傳感器應(yīng)運(yùn)而生，它一般利用電樞繞組的感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)來(lái)間

8、接獲得轉(zhuǎn)子磁極位置，與直接檢測(cè)法相比，省去了位置傳感器，簡(jiǎn)化了電動(dòng)機(jī)本體結(jié)構(gòu)，取得了良好的效果，并得到了廣泛的應(yīng)用。因此本系統(tǒng)采用無(wú)位置傳感器方法進(jìn)行位置檢測(cè)。2.3.1 反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)電路的組成反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法是通過(guò)將電動(dòng)機(jī)電樞繞組的端電壓與電樞中性點(diǎn)電壓比較得反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，從而確定轉(zhuǎn)子磁極的位置，其檢測(cè)電路由端電壓檢測(cè)、低通濾波、過(guò)零比較和光電隔離等環(huán)節(jié)組成，如圖2-5所示。 圖2-5 無(wú)位置傳感器位置檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)由于端電壓不是完全的梯形波，總帶有毛刺和諧波干擾，這些干擾將嚴(yán)重影響反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的正確檢測(cè)，為此必須對(duì)其進(jìn)行深度濾波。濾波后的端電壓檢測(cè)信號(hào)與電機(jī)的中性點(diǎn)電壓進(jìn)行比較，獲得反電

9、動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)。為了避免電壓過(guò)高損壞DSP，必須將反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離。為了計(jì)算不通電相的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，需要測(cè)量三個(gè)相電壓。反電勢(shì)檢測(cè)電路取代了位置傳感器和測(cè)量電路，采用廉價(jià)的分壓電阻和濾波電容組成反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)電路。反電勢(shì)檢測(cè)電路如圖2-6所示。圖2-6端電壓檢測(cè)電路及其與DSP接口2.4 電流檢測(cè)與保護(hù)電路對(duì)于兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)無(wú)刷直流機(jī)，在任意時(shí)刻，只有兩相繞組通電，電流從一相繞組流入，再?gòu)囊幌嗬@組流出，電流大小與直流側(cè)電流大小相等。這樣，只需要在直流側(cè)接入一個(gè)采樣電阻就可以檢測(cè)導(dǎo)通相的電流。圖2-7 電流檢測(cè)與保護(hù)電路原理如圖2-7示，電流信號(hào)通過(guò)檢測(cè)采樣電阻R兩端的電壓得到。電

10、流檢測(cè)信號(hào)一方面作為DSP的過(guò)流保護(hù)信號(hào)，接至DSP的引腳；另一方面作為電流環(huán)的反饋信號(hào)，輸入到DSP的ADCIN00引腳。過(guò)流檢測(cè)是為了防止電機(jī)過(guò)載、起動(dòng)或異常運(yùn)行時(shí)由于電流過(guò)大而對(duì)控制電路、功率逆變器和電動(dòng)機(jī)本體的損害而設(shè)計(jì)的。在直流側(cè)串聯(lián)一個(gè)采樣電阻，通過(guò)將采樣電阻兩端電壓進(jìn)行比較來(lái)確定主電路電流是否過(guò)流，過(guò)流信號(hào)送至DSP的中斷引腳，封鎖功率開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。如圖2-8所示，其中電容C1和C2的作用是濾去采樣電阻兩端電壓的高頻干擾信號(hào)，防止過(guò)電流誤動(dòng)作。采樣電阻應(yīng)根據(jù)最大允許電流的限值來(lái)選取，其阻值以端電壓為0.5V為基準(zhǔn)。由于TMS320LF2407A的A/D轉(zhuǎn)換單元輸入信號(hào)的電壓范圍

11、為03.3V，而電流采樣信號(hào)比較小，所以需要進(jìn)行放大。同時(shí)為了保護(hù)DSP不因過(guò)流信號(hào)而損壞，還應(yīng)該對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行隔離。具體的放大電路可參照端電壓檢測(cè)電路。2.5 故障處理和保護(hù)電路2.5.1 過(guò)欠電壓保護(hù)電路 DSP實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)交流母線電壓，當(dāng)電網(wǎng)電壓過(guò)低或過(guò)高時(shí)，關(guān)閉逆變器，使控制器不會(huì)損壞。電機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中，如果出現(xiàn)了欠壓的情況，電機(jī)將起動(dòng)不了，會(huì)使電機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，從而對(duì)系統(tǒng)造成損壞。為了避免上述情況，我們?cè)O(shè)計(jì)了下面的電路如圖2-8。圖2-8過(guò)、欠電壓保護(hù)原理圖過(guò)、欠壓保護(hù)電路的輸入電壓IN必須能反映三相交流輸入電源的變化，這樣當(dāng)三相交流電出現(xiàn)過(guò)壓或者是欠壓時(shí)，過(guò)、欠壓保護(hù)電路的輸入電壓I

12、N就會(huì)發(fā)生變化，輸出端的信號(hào)LOWVOL和OVERVOL就會(huì)輸出信號(hào)給控制電路進(jìn)行處理。2.6 DSP控制電路設(shè)計(jì)TMS320LF240X芯片為公司的MS320C200系列下的一種定點(diǎn)DSP芯片，特別適合于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)全數(shù)字化控制。它具有低成本、低功耗、高性能的處理能力。它將幾種外設(shè)集成到芯片內(nèi)，形成了真正的單芯片控制器，具有運(yùn)算速度在30MPIS以上、外設(shè)集成度高、程序存儲(chǔ)量大（片內(nèi)FLASH）、ADC模塊的轉(zhuǎn)換速度快等特點(diǎn)。同時(shí)，該類芯片具有強(qiáng)大的外部通信接口（SCI、SPI、CAN）便于構(gòu)成大的控制系統(tǒng)。因此本系統(tǒng)選用DSP的型號(hào)為T(mén)MS320LF2407A。2.6.1 起停電路、DSP晶振

13、及復(fù)位電路設(shè)計(jì)1)起停電路的實(shí)現(xiàn)起動(dòng)、停止電路如圖2-9所示: 圖2-9起動(dòng)、停止控制電路圖起動(dòng)、停止電路都是最基本的RC充放電路?？刂齐姍C(jī)起動(dòng)，通過(guò)按按鈕SW2，START信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖?，送DSP的ADCIN04(I/O) 多功能口，通過(guò)程序?qū)DCIN04（I/O）口配置成I/O口，當(dāng)DSP檢測(cè)到START信號(hào)變低時(shí)，系統(tǒng)便開(kāi)始電機(jī)起動(dòng)程序。而電機(jī)停機(jī)是通過(guò)SW1按鈕控制，STOP信號(hào)送DSP的ADCIN04(I/O)口，當(dāng)SW1按下時(shí)，DSP檢測(cè)到高電平時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)。電阻R17和R18是為了防止在高電平到低電平的突變，起到續(xù)流的作用。2)復(fù)位電路系統(tǒng)的復(fù)位電路采用的為簡(jiǎn)單實(shí)用的上

14、電復(fù)位電路，電源剛加上時(shí)，TMS320LF240LF7A處于復(fù)位狀態(tài)，為低電平使芯片復(fù)位。為使芯片初始化正確一般應(yīng)保證為低電平至少3個(gè)CLKOUT周期，即當(dāng)時(shí)鐘為20MHz時(shí)的600ns。但是，在上電后，系統(tǒng)的晶體振蕩器往往需要幾百毫秒的穩(wěn)定期，一般為100ms200ms。圖2-10 復(fù)位電路系統(tǒng)采用圖2-10電路的復(fù)位時(shí)間主要由R和C確定。3)晶振電路給DSP芯片提供時(shí)鐘一般有兩種方法，一種是利用DSP芯片內(nèi)部提供的晶振電路，在DSP芯片的X1和X2CLKIN之間連接一晶體可起動(dòng)內(nèi)部晶體振蕩器，這種方式的晶體應(yīng)為基本模式，且為并聯(lián)諧振。第二種是將外部時(shí)鐘源直接輸入X2CLKIN引腳，X1懸空

15、。采用封裝好的晶體振蕩器，這種方法使用方便，在實(shí)際應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用。在本系統(tǒng)中正是利用第二種方法提供給DSP芯片時(shí)鐘信號(hào)源，電路圖如圖2-11所示圖2-13時(shí)鐘電路系統(tǒng)時(shí)鐘SYSCLOCK和看門(mén)狗時(shí)鐘都由CPU時(shí)鐘提供。系統(tǒng)時(shí)鐘，一般采用CPU時(shí)鐘頻率的1/2或1/4，供DSP的所有外圍設(shè)備總線上的設(shè)備使用。而WATCHCLOCK時(shí)鐘頻率較低，為watchdog計(jì)數(shù)器和實(shí)時(shí)中斷模塊使用。3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 無(wú)刷直流機(jī)控制系統(tǒng)原理無(wú)刷直流機(jī)工作在由位置檢測(cè)器控制逆變器開(kāi)關(guān)管通段的“自控式”變頻方式下，逆變器的變頻是自動(dòng)完成的，并不需要控制系統(tǒng)加以干預(yù)及控制。要控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速就應(yīng)控制電機(jī)

16、的轉(zhuǎn)矩，調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓即可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。通常采用PWM（Pulse-Width Modulation,脈寬調(diào)制）調(diào)節(jié)方式，通過(guò)改變控制脈沖的占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸入無(wú)刷直流機(jī)的平均直流電壓，以達(dá)到調(diào)速的目的。無(wú)刷直流機(jī)系統(tǒng)通常采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，系統(tǒng)原理圖如圖3-1所示。其中，ASR和ACR分別為轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器，通常采用PI算法實(shí)現(xiàn)。速度為外環(huán)，電流為內(nèi)環(huán)，由于，電流調(diào)節(jié)的實(shí)際上是電磁轉(zhuǎn)矩。速度給定信號(hào)，與速度反饋信號(hào)送給速度調(diào)節(jié)器（ASR），速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流信號(hào)的參考值，與電流信號(hào)的反饋值一起送至電流調(diào)節(jié)器（ACR），電流調(diào)節(jié)器的輸出為電壓參考值，與給定載波比較，形成PWM調(diào)制波，控制I

17、PM模塊的實(shí)際輸出電壓。被確定要導(dǎo)通的相并不總是在導(dǎo)通，它受PWM輸出信號(hào)的控制，邏輯與單元的任務(wù)就是把換向信號(hào)和PWM信號(hào)結(jié)合，再送到IPM模塊。 圖3-1無(wú)刷直流機(jī)系統(tǒng)原理圖3.2 無(wú)刷直流機(jī)的起動(dòng)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流機(jī)是利用反電勢(shì)來(lái)決定換流時(shí)序的。當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止或低速時(shí)，反電勢(shì)為零或太小，無(wú)法利用。因此電機(jī)必須以他控式同步電動(dòng)機(jī)方式起動(dòng)、加速，最后切換至無(wú)刷電機(jī)狀態(tài)。之所以要連續(xù)N次檢測(cè)到開(kāi)路相的感應(yīng)電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)后，才從他控式狀態(tài)切換到自控式狀態(tài)，目的是為了防止干擾等引起的誤檢測(cè)和轉(zhuǎn)速未趨于穩(wěn)定，影響起動(dòng)過(guò)程的順利完成。所提出的方法起動(dòng)可靠、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、方便。調(diào)試中需要注意的是To和PWM的占空比的選擇，以及對(duì)加速過(guò)程中占空比的變化速度的控制。圖3-2起動(dòng)程序框圖4 結(jié)論本文的基于TMS320LF2407A DSP的全數(shù)字無(wú)刷直流機(jī)無(wú)位置傳感