基于DSP的電子絡(luò)筒無(wú)刷直流電機(jī)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、隨著科技的飛速發(fā)展，電力電子器件、集成電路以及微處理器都經(jīng)歷了日新月異的變化，越來(lái)越多的工業(yè)場(chǎng)合諸如機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床以及紡織行業(yè)的電子絡(luò)筒技術(shù)等均對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)提出了高精度位置、轉(zhuǎn)速伺服控制的要求。而電機(jī)作為伺服控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)在制動(dòng)時(shí)的能量利用也成為國(guó)家節(jié)能工程的一個(gè)重點(diǎn)。
　　 無(wú)刷直流電機(jī)是一種集電機(jī)和電子一體化的高科技產(chǎn)品，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行效率高，無(wú)勵(lì)磁損耗、調(diào)速性能好以及維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是位置傳感器增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)

2、雜性和成本，降低了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，因而無(wú)位置傳感器控制成為研究的熱點(diǎn)；另一方面，由美國(guó)TI公司專門為電機(jī)的數(shù)字化控制設(shè)計(jì)的16位定點(diǎn)DSP控制器TMS320LF2407集高速處理能力及適用于電機(jī)控制、優(yōu)化的外圍電路于一體，為高性能傳動(dòng)伺服控制提供了可靠高效的信號(hào)處理與硬件控制支持。因此，為滿足對(duì)伺服系統(tǒng)高精度位置、轉(zhuǎn)速控制的要求，并且有效回收利用電機(jī)制動(dòng)產(chǎn)生的能量，本文采用無(wú)刷直流電機(jī)(BLDCM)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要研究了基于TMS3

3、20LF2407 DSP的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)伺服系統(tǒng)。內(nèi)容包括伺服系統(tǒng)的控制部分設(shè)計(jì)、硬件控制電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)等。
　　 本文首先對(duì)課題研究背景絡(luò)筒機(jī)的概況與發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述，同時(shí)也介紹了無(wú)刷直流電機(jī)、伺服控制系統(tǒng)及其控制策略的現(xiàn)狀和發(fā)展；接著，研究了無(wú)刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，并建立了數(shù)學(xué)模型；然后詳細(xì)介紹了反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)和換相的原理，對(duì)反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)公式進(jìn)行了推導(dǎo)和計(jì)算，并提出了位置檢測(cè)

4、的誤差補(bǔ)償方法。
　　 在伺服系統(tǒng)的控制部分論證中，本文以三相橋式MOSFET逆變電路作為控制主電路，采用120°導(dǎo)通方式；本文采用電流霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的檢測(cè)，無(wú)位置傳感器的設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)通過(guò)反電勢(shì)過(guò)零法獲取三相電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算和延時(shí)處理為逆變電路提供了換相信號(hào)，同時(shí)由過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間間隔和相位關(guān)系得到轉(zhuǎn)速的檢測(cè)；本文設(shè)計(jì)了電流、轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)控制，電流環(huán)采用比例-積分(PI)調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速環(huán)在采用PI調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加入了微分環(huán)

5、節(jié)，并采用模糊PID控制的方法以達(dá)到最優(yōu)控制；另一方面，為達(dá)到絡(luò)筒卷繞的精確性，采用了位置和轉(zhuǎn)速雙目標(biāo)控制；然后，深入研究并設(shè)計(jì)了無(wú)刷直流電機(jī)的能量回饋系統(tǒng)，從背景開始分析，提出了可行的解決方案，設(shè)計(jì)了由超級(jí)電容器、雙向DC-DC變換電路和逆變電路構(gòu)成的能量回饋主電路，對(duì)升／降壓模式的工作原理進(jìn)行了分析，并根據(jù)控制方式建立了模型，說(shuō)明了相關(guān)參數(shù)的設(shè)定。在伺服系統(tǒng)的硬件控制部分的設(shè)計(jì)中，先進(jìn)行了整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，然后論述了系統(tǒng)主回路、功率模

6、塊、通訊模塊以及各個(gè)接口電路的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了幾個(gè)主要電路的設(shè)計(jì)和一些器件的選擇和參數(shù)的計(jì)算。在伺服系統(tǒng)軟件控制部分的設(shè)計(jì)中，則先討論了DSP的開發(fā)流程和本系統(tǒng)的軟件需求，然后設(shè)計(jì)了主程序和各個(gè)功能模塊子程序的流程圖，并根據(jù)流程圖針對(duì)每個(gè)模塊在CCS環(huán)境下利用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編寫了程序。
　　 在理論研究的基礎(chǔ)上，采用MATLAB7.1對(duì)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零法，電流、轉(zhuǎn)速、位置的閉環(huán)調(diào)節(jié)以及能量回饋系統(tǒng)模型進(jìn)行了階躍響應(yīng)和伯德圖的仿真驗(yàn)