基于空間矢量dsp變頻控制報(bào)告

1、-. z.J I A N G S U U N I V E R S I T Y 基于空間矢量的DSP變頻控制學(xué)院名稱(chēng)：電氣信息工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 電氣1004*： 3100501091 *：賈斌彬 2013/11/4一、摘要： 隨著電力電子技術(shù)和微控制技術(shù)的迅猛開(kāi)展而成熟起來(lái)的直流無(wú)刷電機(jī)具有體積小、重量輕、效率高、噪音低、容量大且可靠性高的特點(diǎn)，從而使其極有希望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流電機(jī)成為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主流。本文在對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)展及應(yīng)用綜述的根底上，介紹了采用DSP芯片對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)展換向與轉(zhuǎn)速控制的微機(jī)控制系統(tǒng)。文中闡述了該系統(tǒng)的根本構(gòu)造、工作原理、運(yùn)行特性及其設(shè)計(jì)方法。文中還對(duì)

2、硬件各種功能的控制原理和電路設(shè)計(jì)以及各軟件模塊進(jìn)展了詳細(xì)的分析。最后給出了樣機(jī)運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 With the development of the power electronics and microcontrol technique，permanentmagnet brushless DC motor possesses small volume，light weight，high efficiency，low noise，big capability and reliability，SO it is hopeful to bee main motor in drive systemO

3、n the basis of the summary for the development and application of permanent magnet brushless DC motor speed-variable system, this thesis introduces a control system, which uses DSP to control the mutation and speed of BLDCM .The basic structure, operational principle and design method of this system

4、 are set forth in this thesis. The thought of hardware design and software programming is introduced as well. At last, the e*perimental results are presented.關(guān)鍵詞： 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)；DSP 控制系統(tǒng)；脈寬調(diào)制;PID 控制; Brushless DC Motor(BLDCM); DSP; Pulse-width Modulation;PID control;三、概述： 近二十多年來(lái)，電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制理論以及新

5、材料技術(shù)都得到迅速的開(kāi)展，推動(dòng)著電機(jī)控制技術(shù)的迅速開(kāi)展。采用稀土永磁材料的直流無(wú)刷電機(jī)不僅具有可靠性高、維修方便、構(gòu)造簡(jiǎn)單、特性好、易散熱、轉(zhuǎn)速不受機(jī)械換向限制、噪聲小，而且具有磁能積高、矯頑力高、剩磁大等優(yōu)點(diǎn)。直流電動(dòng)機(jī)具有線性機(jī)械特性、調(diào)速*圍廣、調(diào)速效率高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、控制電路簡(jiǎn)單和效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而直流無(wú)刷電機(jī)的應(yīng)用*圍不再局限于傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域，在當(dāng)令國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是電機(jī)理論、電力電子、微電子技術(shù)、現(xiàn)代控制理論以及高性能永磁材料相互結(jié)合，集軟硬件于一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品。本次試驗(yàn)利用DSP實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流同步電動(dòng)機(jī)的速度控制，對(duì)電機(jī)電流的檢測(cè)，

6、以及電機(jī)位置和速度的檢測(cè)，進(jìn)展電流和速度的調(diào)節(jié)，從而進(jìn)展對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的控制。四、無(wú)刷直流電機(jī)構(gòu)造組成及工作原理： 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)本體定子、轉(zhuǎn)子、位置傳感器、控制器和電子開(kāi)關(guān)電路四局部組成。電動(dòng)機(jī)本體主要包括定子和轉(zhuǎn)子兩局部，定予繞組分為A、B、C三相，每相相位相差120。，采用星形連接，三相繞組分別與電子開(kāi)關(guān)線路中相應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)器件連接；轉(zhuǎn)子由N、S兩極組成，極對(duì)數(shù)為1。 圖1無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造原理圖 圖中的電動(dòng)機(jī)本體為三相兩極，三相定子繞組分別與電子開(kāi)關(guān)線路中相應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)器件聯(lián)接，在圖1 中A 相、B 相、C 相繞組分別與功率開(kāi)關(guān)管V1、V2、V3相接。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子

7、與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接。定子繞組的*一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號(hào)，作為控制器的輸入，最后由控制器去控制電子開(kāi)關(guān)線路，從而使定子各相繞組按一定次序?qū)ǎㄗ酉嚯娏麟S轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)整體構(gòu)造框圖系統(tǒng)控制原理：先通過(guò)霍爾位置傳感器信息計(jì)算出電機(jī)運(yùn)行中的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，然后將實(shí)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速和給定的參考速度之間的偏差經(jīng)積分別離PID調(diào)節(jié)后，輸出電流參考值。其次，將電流參考值與電機(jī)實(shí)際電流進(jìn)展比擬，得到的偏差值輸入電流控制器進(jìn)展電流PI調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后的控制量用于改變PWM的占空比。最后，

8、輸出的PWM占空比經(jīng)過(guò)電壓逆變后輸入電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度和電流的雙閉環(huán)控制。五、硬件描述：電源電路設(shè)計(jì)：電機(jī)電源和驅(qū)動(dòng)電源都采用交流220V分壓出各種型號(hào)的電壓接頭，其中用于控制的電源有+5V、+15V及+48V，這些主要用于各種傳感器及控制局部的電源供電；而+48V的接頭則用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的供電。由于2407內(nèi)核和IO端口則為33V供電，這就要設(shè)計(jì)特定的電路產(chǎn)生33V電壓。本論文采用電壓轉(zhuǎn)換芯片BMlll7將5V直流電壓轉(zhuǎn)換成33V的直流電壓。電源轉(zhuǎn)換電路見(jiàn)附件圖1. A/D轉(zhuǎn)換模塊DSP2407的內(nèi)部集成ADC模塊有16路A/D輸入通道，被分為兩組，AD0AD7為一組，AD8ADl5為另外一組

9、，ADC輸入信號(hào)*圍為O3V電壓。為了保護(hù)芯片，必須將模擬信號(hào)輸入控制在+3.3V以?xún)?nèi)。本系統(tǒng)采用了一個(gè)二極管與一個(gè)電阻串聯(lián)，在信號(hào)輸入2407之前，將其鉗位在3.3V以下。A/D轉(zhuǎn)換鉗位電路見(jiàn)附件圖2。 RAM存儲(chǔ)器擴(kuò)展2407的數(shù)據(jù)總線(D0D15)和地址總線(AOA18)分別與IS61LV6416的數(shù)據(jù)總線和地址總線相連。2407的訪問(wèn)外部程序地址空間片選線PSDS與74HC08的引腳1、2相聯(lián)接，高位使能BHE和低位使能BLE相聯(lián)連并接地；DSP的RD信號(hào)直接與IS61LV6416的輸出使能引腳OE相連，此外還要將兩個(gè)芯片的寫(xiě)使能信號(hào)WE連接起來(lái)。2407的數(shù)據(jù)總線(D0D15)和地址

10、總線(AOA18)分別與IS61LV6416的數(shù)據(jù)總線和地址總線相連。2407的訪問(wèn)外部程序地址空間片選線PSDS與74HC08的引腳1、2相聯(lián)接，高位使能BHE和低位使能BLE相聯(lián)連并接地；DSP的RD信號(hào)直接與IS61LV6416的輸出使能引腳OE相連，此外還要將兩個(gè)芯片的寫(xiě)使能信號(hào)WE連接起來(lái)。RAM擴(kuò)展電路見(jiàn)附件圖3。驅(qū)動(dòng)電路從控制局部上的2407事件管理器EVA或EVB輸出的六路PWM，通過(guò)光耦隔離以后接到驅(qū)動(dòng)芯片IR2132的HINlHIN3、LINlLIN3六路輸入端，IR2I32將PWM信號(hào)電壓放大，最后輸入逆變橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。IR2132芯片工作電壓取+15V的直流電壓，高邊

11、懸浮電源端VBlVB3分別通過(guò)快恢復(fù)二極管FRl57即圖中的D1、D2、D3與VCC的電源相連接；高邊懸浮電源地端VSlVS3分別通過(guò)自舉電容C1、C2、C3與高邊懸浮電源端VBlVB3相連接，通過(guò)自舉電容為3個(gè)上橋臂功率管的驅(qū)動(dòng)器提供內(nèi)部懸浮電源；同時(shí)高邊懸浮電源地端VSlVS3分別與上橋臂功率管的源極連接在一起。六只功率開(kāi)關(guān)管中，Ql、Q3及Q5為上橋臂，Q2、Q4及Q6下橋臂。上橋臂三只功率管的漏極接+48V的電機(jī)電壓，而源極則分別與下橋臂三只功率管的漏極相連接；下橋臂三只功率管的源極與電源地之間連接一個(gè)0.1歐的采樣電阻，該電阻用于對(duì)電機(jī)電流進(jìn)展采樣。IR2132輸出HOIH03經(jīng)過(guò)三

12、個(gè)5l歐的限流電阻分別與逆變器上橋臂三個(gè)功率管相連接，L01L03經(jīng)過(guò)三個(gè)20歐的限流電阻分別與逆變器下橋臂三個(gè)功率管相連接。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路見(jiàn)附件圖4。液晶顯示電路本文采用信利TRULY公司生產(chǎn)的SD1335控制芯片LCD模塊MSPG320240，實(shí)現(xiàn)DSP與SED1335的接口應(yīng)用及軟硬件設(shè)計(jì)方案。由于在顯示過(guò)程中，TMS320LF2407需要將數(shù)據(jù)寫(xiě)入控制器，有時(shí)又要從控制器中讀數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)總線上的信號(hào)流是雙向的，如果把兩者直接相連，數(shù)據(jù)的流向可能會(huì)對(duì)TMS320LF2407造成損害，所以在設(shè)計(jì)中采用74LVC4245進(jìn)展總線電平轉(zhuǎn)換，通過(guò)它來(lái)連接SED1335與TMS320LF2407，

13、同時(shí)為了提高TMS320LF2407對(duì)控制器的驅(qū)動(dòng)能力，且適合電平要求，SED1335的5個(gè)控制端口通過(guò)非門(mén)74HC04分別與TMS320LF2407的輸入/輸出端口相連，通過(guò)對(duì)這個(gè)控制口不同的信號(hào)組合可以實(shí)現(xiàn)寫(xiě)指令代碼、寫(xiě)參數(shù)、讀參數(shù)及顯示數(shù)據(jù)等。顯示電路見(jiàn)附件圖5。6、按鍵模塊電路本模塊通過(guò)5個(gè)按鍵控制電機(jī)的起停、正反轉(zhuǎn)及制動(dòng)命令，通過(guò)上拉電阻與按鍵相連，再與2407的5個(gè)I/O口相連，以產(chǎn)生控制電機(jī)命令。按鍵電路見(jiàn)附件圖6。系統(tǒng)總電路圖見(jiàn)附件圖7。六、軟件描述：1、PWM 單元的初始化步：a. 設(shè)置全比擬單元?jiǎng)幼鞔娣牌鰽CTRA；b. 初始化比擬存放器CMPR*；c. 配置存放器DBTC

14、ONA，設(shè)置死區(qū)時(shí)間；d. 設(shè)置CONA,使能PWM 模式，制止比擬模式；e. 設(shè)置全局通用定時(shí)器控制存放器(GPTCONA)，開(kāi)場(chǎng)計(jì)數(shù)。2、控制軟件分主程序和中斷效勞子程序兩大局部。主程序包括初始化子程序、起動(dòng)和軟起動(dòng)子程序、雙閉環(huán)PI 調(diào)節(jié)子程序等；主程序主要完成以下一些功能：DSP 的初始化；保護(hù)電路的自檢、預(yù)置系統(tǒng)參數(shù)；判斷電機(jī)起動(dòng)和停頓；運(yùn)行時(shí)升降速和速度顯示等。 主程序流程圖 電流環(huán)PI調(diào)節(jié)子程序流程圖中斷效勞子程序主要有捕獲中斷子程序、A/D 中斷子程序、定時(shí)器上溢中斷、功率保護(hù)中斷、SCI 接收中斷等。 中斷子程序流程圖 A/D中斷子程序流程圖七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論：1. 本次無(wú)刷

15、直流電動(dòng)機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)的硬、軟件設(shè)計(jì)是合理的、可行的。2. 采用電機(jī)控制專(zhuān)用芯片DSP 后，簡(jiǎn)化了本系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性，增加了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制的靈活性和快速性。而轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)PI 調(diào)節(jié)的全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，改善了系統(tǒng)的整體性能。3.無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)不僅具備有刷直流電動(dòng)機(jī)的效率高、調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)，而且具備交流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。如果充分利用和發(fā)揮我國(guó)在稀土資源豐富方面的優(yōu)勢(shì)，大力開(kāi)展稀土永磁電機(jī)，將對(duì)我國(guó)機(jī)電產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，具有戰(zhàn)略意義。5.機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中存在一定的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。對(duì)于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的因素很多，與電機(jī)制造有關(guān)的主要是齒槽效應(yīng)和磁通畸變；與控制系統(tǒng)有關(guān)的主要是電流調(diào)節(jié)的誤差和相電流換向。八、參考文獻(xiàn)：1 貢俊，陸國(guó)林無(wú)刷直流電機(jī)在工業(yè)中的應(yīng)用與開(kāi)展。3*春喜等永磁電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)。3宋海龍，楊明，*宇無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的無(wú)位置傳感器控制。4*丁，