直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速控制軟件設(shè)計(jì)

1、中北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報告學(xué)生姓名： 陳霖 學(xué)號： 0805054145學(xué)院、系：信息與通信工程學(xué)院電氣工程系專 業(yè)：自動化設(shè)計(jì) 題目：直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速控制軟件設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師：沈小林2012年03月15日結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，撰寫2000字左右的文 獻(xiàn)綜述：文獻(xiàn)綜述1、直流無刷電機(jī)的介紹直流無刷電機(jī)利用電子換向器取代了傳統(tǒng)直流電機(jī)中的機(jī)械電刷和機(jī)械換向器，因 此不僅保留了直流電動機(jī)運(yùn)行效率高和調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)，又具有交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡 單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。由于不受機(jī)械換向限制，易于做到大容量、高轉(zhuǎn)速， 目前在航天、軍工、數(shù)控、冶金、醫(yī)療器械等領(lǐng)域已得到大量應(yīng)用。TMSF

2、2812 DSP 是TI公司新推出的基于TMS320C2xx內(nèi)核的定點(diǎn)數(shù)字信號處理器。器件上集成了多種先進(jìn)的外設(shè)，具有靈活、可靠的控制和通信模塊，完全可以采用單 芯片實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制系統(tǒng)的控制和通信功能，使得電機(jī)控制系統(tǒng)簡單化、模塊化，為電機(jī) 及其他運(yùn)動控制領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)提供了良好的平臺。本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于TI公司 TMS320F2812 DSP芯片的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，功能完善。實(shí)用 性新型無刷電機(jī)是與電子技術(shù)、微電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、自控技術(shù)以及材料科學(xué)等發(fā)展 緊密聯(lián)系的。它不僅限于交直流領(lǐng)域，還涉及電動、發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換和信號傳感等領(lǐng)域。 在電機(jī)領(lǐng)域中新型無刷電機(jī)的品種是較

3、多的，但性能優(yōu)良的無刷電機(jī)因受到價格的限 制，其應(yīng)用還不十分廣泛Mo系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1控制部分硬件設(shè)計(jì)控制板部分以TMS320F2812為核心，加上一部分外圍電路及接口構(gòu)成。實(shí)現(xiàn)的主 要功能是控制指令的接收和執(zhí)行，速度信號的接收和計(jì)算處理，電流采樣信號接收和轉(zhuǎn) 換，速度閉環(huán)和電流閉環(huán)控制算法的執(zhí)行等9對電機(jī)的控制主要使用F2812片上的兩個電機(jī)控制專用外設(shè)一一EVA和EVB。利 用通用定時器T1配合PWM發(fā)生器來產(chǎn)生驅(qū)動功率器件所需的六路PWM信號，通過 GPIO接口將三路電機(jī)霍爾傳感器信號輸入捕獲單元，從而獲取三個轉(zhuǎn)子的位置，進(jìn)而 控制電機(jī)的換相和進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算1。兩個12位AD模塊對相

4、電流信號Iphase和輸入的速度調(diào)節(jié)電壓信號Vref進(jìn)行轉(zhuǎn)換 和存儲，分別作為電流環(huán)的反饋信號和速度環(huán)的參考信號。通過片上的通用輸入輸出接 口（GPIO），實(shí)現(xiàn)與功率驅(qū)動部分的連接，輸出啟動停止信號，正反轉(zhuǎn)信號，緊急制動 信號等，同時接收輸入的保護(hù)信號，故障信號等。通過片上的SCI模塊實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的 通信，接收上位機(jī)的控制指令7】。2.2功率驅(qū)動部分硬件設(shè)計(jì)功率驅(qū)動部分的硬件電路，主要由前置驅(qū)動芯片和六個功率MOSEFET管組成， 實(shí)現(xiàn)對控制部分傳送過來的換相信息的處理和PWM信號的隔離放大，控制功率MOSFET管的導(dǎo)通和關(guān)斷，以此來控制電機(jī)的工作狀態(tài)和速度。除此之外，還有電源 電路，電流檢測

5、電路，過流保護(hù)和緊急制動電路等輔助電路，以及與電機(jī)和控制板的接 口電路13。前置驅(qū)動芯片采用的是舊公司的MOSFET驅(qū)動芯片舊2131，具有集成度高、可 靠性好、速度快、過流欠壓保護(hù)、調(diào)試方便等特點(diǎn)。舊2131內(nèi)部設(shè)計(jì)有過流、過壓及 欠壓保護(hù)3】。功率驅(qū)動電路采用24V供電，驅(qū)動電路與電機(jī)的連接采用三相全橋方式，電機(jī)工 作在三相六狀態(tài)模式下。以任一時刻電機(jī)只有兩相導(dǎo)通的方式來控制換流元件。PWM 調(diào)制的方式是軟斬波方式，即導(dǎo)通時下橋臂功率管始終保持開狀態(tài)，上橋臂功率管的開 關(guān)由PWM信號決定8。功率開關(guān)管采用HITACHI公司的集成功率開關(guān)器件6AM15， 其內(nèi)部集成3個N型MOSFET管和P

6、型MOSFET管，構(gòu)成三相全橋功率開關(guān)電路何。 與采用六個分立MOSFET管相比，有利于提高集成度，減少電路板面積，增加可靠性。 每個MOSFET管自帶超快恢復(fù)二極管，在MOSFET管關(guān)閉期間起反向續(xù)流作用】。系統(tǒng)控制策略及軟件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)控制策略由無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可知，其轉(zhuǎn)速基本上跟電壓成正比，轉(zhuǎn)矩基本上和相電 流成正比。為了達(dá)到控制精度和動態(tài)性能，本系統(tǒng)選用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉壞調(diào)速系統(tǒng)。 電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，速度環(huán)采用遇限削弱積分的積分分離PI控制算法。它具有良好 的起動和抗干擾性能，可以滿足本系統(tǒng)的需要4】。3.2軟件設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)的控制策略，可以得出整個控制系統(tǒng)軟件由主程序和IN

7、T3中斷服務(wù)子程序所組成15。參考文獻(xiàn):周航慈.PHILIPS 51LPC系列單片機(jī)原理及應(yīng)用設(shè)計(jì).北京：北京航空航天大學(xué)出 版社，2001： 3752李朝青單片機(jī)原理及接口技術(shù)，北京航空航天大學(xué)出版社，1998馬明建，周長城著.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù).話安：西安交通大學(xué)出版社，1998：64-52夏長亮，無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，科學(xué)出版社，2009-2-1張世德.一種基于單片機(jī)系統(tǒng)的無線通信方式.微計(jì)算機(jī)信息，2002, 18(1)：32-33馬懷儉，雷旭.電機(jī)測試系統(tǒng)集成方法的研究.中小型電機(jī)，2000(5)： 4243揚(yáng)帆，顏景斌.電機(jī)測試系統(tǒng)的面向?qū)ο蠓治雠c實(shí)現(xiàn).哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報， 200

8、2(2)： 89陳三風(fēng)，劉曉波.基于VB6. 0與單片機(jī)串行通信的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì).計(jì)算機(jī) 應(yīng)用，2004(1)： 1416張宏林.Visual Basic 6. 0開發(fā)數(shù)據(jù)庫.北京：人民郵電出版社，1999： 111-126劉炳文，VISUAL BASIC程序設(shè)計(jì)教程.北京：清華大學(xué)出版社，2002=46-98孫永鍵.電機(jī)繞組溫升的在線測量，電測與儀表，1997(6)： 3233魏英靜.微機(jī)在電機(jī)測試中的應(yīng)用.石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報，1995(4)： 9499李曉竹，矯樹人.異步電動機(jī)損耗的測定.中小型電機(jī)，1997(6)： 4041劉淑琴.電機(jī)測試中電壓電流及功率的同步采樣.同煤科技，2002

9、(1)： 8-9A. B. Bnnett. Reliability Comparison between Standard and Energy Efficient33 (1)： 135142Motors. IEEE Transactions on Industry Applications.1997，本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：研究意義電動機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍己遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域以及人們的 日常生活之中。與采用機(jī)械機(jī)構(gòu)（電刷）進(jìn)行換向的傳統(tǒng)直流電機(jī)相比，無刷直流龜動 機(jī)既具有交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠和維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動 機(jī)的運(yùn)

10、行效率離、無勵磁損耗及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)今國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域的應(yīng) 用日益普及。無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)是一種新型的調(diào)速系統(tǒng)，是具有數(shù)字化特點(diǎn)的電 動機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有良好的運(yùn)行、控制及經(jīng)濟(jì)性能，顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿?。直流無刷電動機(jī)既具有交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)， 又具備直流電動機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，故在當(dāng)今國 民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域應(yīng)用日益普及。針對上述傳統(tǒng)直流電動機(jī)的弊病，早在上世紀(jì)30年代就有人開始研制以電子換向代 替電刷機(jī)械換向的直流無刷電動機(jī)。經(jīng)過了幾十年的努力，直至上世紀(jì)60年代初終于實(shí) 現(xiàn)了這一愿望。上世紀(jì)70年代以來，隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，許多高性能半導(dǎo)體 功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相繼出現(xiàn)，以及高性能永磁材料的問世，均 為直流無刷電動機(jī)的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。研究內(nèi)容查