畢業(yè)設(shè)計(jì)--基于dsp2407的無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（含外文翻譯）

1、<p>　　編號(hào)：（ ）字 號(hào)</p><p>　　本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　題目： </p><p>　　姓名： 學(xué)號(hào)： </p><p>　　班級(jí)：

2、 </p><p><b>　　二〇一三年六月</b></p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　任務(wù)下達(dá)日期： 2012年12月31日</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)日期： 2012年12月31日至2013年6月1

3、2日</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)題目： 無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)專題題目： </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和要求：</p><p>　　熟悉直流無刷電動(dòng)機(jī)的工作原理</p><p>　　掌握直流無刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和工作原理</p><p>

4、;　　設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的直流無刷電動(dòng)機(jī)控制器并分析各模塊的工作過程</p><p>　　完成控制器的PCB設(shè)計(jì)（原理圖、印制板圖）</p><p>　　翻譯電氣自動(dòng)化方面專業(yè)外文資料（中文字?jǐn)?shù)不少于3000字）</p><p>　　院長簽字： 指導(dǎo)教師簽字：</p><p>　　年 月

5、 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本課題介紹了基于DSP的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工作原理。文中重點(diǎn)分為系統(tǒng)原理分析,數(shù)學(xué)算法設(shè)計(jì)，硬件電路搭建，軟件模塊組成，實(shí)物及課題相關(guān)實(shí)踐闡述等5個(gè)部分，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用TMS320LF2407A作為控制芯片。</p><p>　　文中首先對(duì)無刷直流電機(jī)的發(fā)展歷

6、程、前景做了簡要闡述，介紹了它基本組成和工作原理，著重介紹了電機(jī)換相和PWM對(duì)逆變橋路的邏輯控制過程。在認(rèn)識(shí)了電機(jī)工作原理和數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，第三章詳細(xì)分析了控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)研究，對(duì)速度、電流雙閉環(huán)PID調(diào)節(jié)方式進(jìn)行優(yōu)化，采用積分分離的PID控制算法以滿足無靜差平穩(wěn)調(diào)速的需求。硬件設(shè)計(jì)部分，根據(jù)控制需求并參照DSP引腳定義和性能，完成DSP最小系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)控制電路、采樣電路、控制鍵盤顯示電路、保護(hù)電路等,并進(jìn)行詳細(xì)的原理闡述和過程分析

7、。</p><p>　　在此基礎(chǔ)上，提出基于DSP帶位置傳感器的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，對(duì)軟件模塊進(jìn)行初步設(shè)計(jì)——包括主程序的初始化，利用中斷子程序完成PWM信號(hào)觸發(fā)、測速、換相、PID算法實(shí)現(xiàn)等功能，使設(shè)計(jì)達(dá)到基本要求。</p><p>　　同時(shí)，為了更好地理解本課題在實(shí)踐中應(yīng)用，設(shè)計(jì)過程中有幸到“蘇州博世技術(shù)中心有限公司”對(duì)基于英飛凌XC866 BLDC控制器進(jìn)行研發(fā)測試，

8、真正接觸到“無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)”在產(chǎn)品中的應(yīng)用。</p><p>　　關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；DSP；PWM；電子換相</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　This thesis describes the design and working principle of the Permanent Ma

9、gnet Brushless DC (BLDC) motor control system based on DSP. This article is composed of 5parts—system principle, mathematical algorithm design, hardware circuit structures, software modules and practices about this paper

10、. According to the design requirements, the DSP-TMS320LF2407A is chosen as the control chip.</p><p>　　Firstly, the thesis introduces course of development and prospect of the BLDC motor. Presents a brief exp

11、osition of the basic composition and working principle, which mainly focus on motor commutation and PWM inverter bridge logic control. After this, Chapter III detailed analysis of the overall plan of the control system d

12、esign. Optimized the speed, current double-loop PID regulation mode to Integral Separation PID control algorithm, which can meet the needs of a smooth speed control without st</p><p>　　Through all the design

13、 process ,I had an internship in RBAC(BOSCH)where I can do some research on Electric Control Unit of E-bike (equipped with BLDC)based on Infineon XC866 . The BLDC control system has the characteristic of simple structure

14、, high dependability, and can be used in many fields. </p><p>　　KEY WORDS: Permanent Magnet Brushless DC ; DSP ; PWM ; Electronic commutation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p&

15、gt;<b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1課題背景及意義1</p><p>　　1.2國內(nèi)外相關(guān)情況研究綜述1</p><p>　　1.3論文主要內(nèi)容3</p><p>　　2 無刷直流電機(jī)的工作原理和數(shù)學(xué)模型4</p><p>　　2.1無刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)4

16、</p><p>　　2.1.1電機(jī)本體4</p><p>　　2.1.2轉(zhuǎn)子位置傳感器5</p><p>　　2.1.3驅(qū)動(dòng)控制電路5</p><p>　　2.2無刷直流電機(jī)工作原理6</p><p>　　2.3星形全橋驅(qū)動(dòng)6</p><p>　　2.4無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型9<

17、;/p><p>　　3 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)研究11</p><p>　　3.1控制系統(tǒng)總體方案11</p><p>　　3.2控制結(jié)構(gòu)11</p><p>　　3.3 PID控制研究12</p><p>　　3.3.1 PID基本原理12</p><p>　　3.3.2 PID算法設(shè)計(jì)

18、13</p><p>　　3.4控制技術(shù)14</p><p>　　3.4.1調(diào)速原理14</p><p>　　3.4.2電樞電壓調(diào)節(jié)15</p><p>　　3.4.3 PWM相關(guān)技術(shù)16</p><p>　　4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)18</p><p>　　4.1總體硬件結(jié)構(gòu)18<

19、;/p><p>　　4.1.1 TMS320LF2407芯片介紹18</p><p>　　4.2 DSP控制模塊硬件設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.2.1電源電路19</p><p>　　4.2.2外圍電路19</p><p>　　4.3驅(qū)動(dòng)方案和器件選擇22</p><p>　　4.3

20、.1主功率逆變電路22</p><p>　　4.3.2驅(qū)動(dòng)芯片及選型22</p><p>　　4.3.3驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)26</p><p>　　4.4采樣電路27</p><p>　　4.4.1位置信號(hào)及速度信號(hào)采樣27</p><p>　　4.4.2電流采樣30</p><p>　　

21、4.5鍵盤及顯示電路31</p><p>　　4.6保護(hù)電路32</p><p>　　4.6.1過壓、欠壓保護(hù)32</p><p>　　4.6.2光耦合隔離32</p><p>　　5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)34</p><p>　　5.1軟件設(shè)計(jì)總述34</p><p>　　5.2主程序

22、設(shè)計(jì)34</p><p>　　5.2.1初始化子程序34</p><p>　　5.3中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)35</p><p>　　5.3.1捕捉中斷模塊35</p><p>　　5.3.2 PWM波形比較生成模塊36</p><p>　　5.3.3定時(shí)器中斷模塊38</p><p>　　

23、5.3.4電機(jī)保護(hù)中斷模塊40</p><p>　　6 結(jié)論及課題相關(guān)實(shí)踐41</p><p>　　6.1課題相關(guān)實(shí)踐41</p><p>　　6.2全文總結(jié)43</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)45</b></p><p><b>　　附錄47</b><

24、;/p><p><b>　　翻譯部分48</b></p><p><b>　　外文原文48</b></p><p><b>　　中文譯文54</b></p><p><b>　　致 謝60</b></p><p><b&

25、gt;　　1 緒論</b></p><p>　　1.1課題背景及意義</p><p>　　眾所周知，日常生活中直流電機(jī)因其良好的啟制動(dòng)性能，大范圍內(nèi)平滑調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用，但其電刷和換向器嚴(yán)重影響了它的性能（容量、速度等），從而限制了它的發(fā)展空間；交流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，適用特大容量、極高轉(zhuǎn)速的調(diào)速系統(tǒng)，但其啟動(dòng)、調(diào)速性能差使得應(yīng)用范圍再次受到制約。</p

26、><p>　　人們迫切希望能夠在保持直流電機(jī)良好性能的同時(shí)改善機(jī)械換相、電刷火花的影響。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是大功率電子器件的不斷更新，這個(gè)愿望逐漸得以實(shí)現(xiàn)。一種新型電機(jī)——無刷直流電機(jī)（BLDC）進(jìn)入人們的視野，傳統(tǒng)的機(jī)械換相被電子換相所取代。以電動(dòng)車（E-Bike）為例，其外轉(zhuǎn)子使用磁鋼片用來產(chǎn)生固定的磁場（傳統(tǒng)直流電機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子），定子為三相繞組（直流電通過逆變橋路，通過控制MOSFET或IGBT的開通關(guān)

27、斷產(chǎn)生三相電流，然后對(duì)應(yīng)接入三相繞組）根據(jù)磁生電原理從而產(chǎn)生內(nèi)部旋轉(zhuǎn)磁場。</p><p>　　可以說，無刷直流電機(jī)集直流電機(jī)、交流電機(jī)優(yōu)點(diǎn)于一身，它最大的特長如下：剔除了換相、機(jī)械電刷結(jié)構(gòu)。它既具有啟動(dòng)、調(diào)速方便，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大，結(jié)構(gòu)簡單，容量大等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也擺脫機(jī)械換相的制約，可以在高速環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，工作效率得到大大提升。</p><p>　　目前，國內(nèi)外對(duì)無刷直流電機(jī)的定義為在工作氣息

28、內(nèi)產(chǎn)生“跳躍式”（梯形波/方波）旋轉(zhuǎn)磁場的永磁電動(dòng)機(jī)，而180°導(dǎo)通型正弦波驅(qū)動(dòng)則為自控式永磁同步電機(jī)（PMSM）。二者雖然基本結(jié)構(gòu)相同，但其工作運(yùn)行原理卻有很大不同：</p><p>　　BLDC精度低，力矩脈動(dòng)大，轉(zhuǎn)子位置傳感器采用霍爾器件，更適用于低功率速度單一穩(wěn)定的控制系統(tǒng)；</p><p>　　PMSM價(jià)格貴，精度高，力矩脈動(dòng)小，轉(zhuǎn)子位置傳感器采用無接觸式旋轉(zhuǎn)變壓器，更

29、適用于高功率的精密伺服控制系統(tǒng)。</p><p>　　同時(shí)，普通微處理器和單片由于其處理速度和存儲(chǔ)空間的限制，越來越跟不上時(shí)代的發(fā)展，隨著科學(xué)技術(shù)尤其是微電子產(chǎn)品和控制理論的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器DSP已經(jīng)逐漸成為主流控制芯片。</p><p>　　1.2國內(nèi)外相關(guān)情況研究綜述</p><p>　　目前國內(nèi)無刷直流電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相對(duì)成熟，無刷直流電機(jī)已經(jīng)在眾

30、多領(lǐng)域普遍開來，如家用電器設(shè)備、汽車工業(yè)、機(jī)床紡織工業(yè)、軍工產(chǎn)業(yè)等，該領(lǐng)域處于上升階段。國外在BLDC技術(shù)上的研究水平與中國基本一樣，但在大型電機(jī)方面（航空軍用等）一些歐美國家及日本還處于領(lǐng)先地位，尤其是美國的軍用和日本的民用遙遙領(lǐng)先中國，特別體現(xiàn)在控制技術(shù)以及芯片的使用。</p><p>　　目前的研究重點(diǎn)三大趨勢：1.研究無霍爾傳感器控制技術(shù)（啟動(dòng)，換相等），減小BLDC的體積和質(zhì)量。2.改進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)，將PI

31、D算法進(jìn)一步優(yōu)化以克服轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，提高電機(jī)的穩(wěn)定性和精度。3.研究運(yùn)行可靠，體積小，兼容性強(qiáng)的新一代BLDC控制器。</p><p>　　下面簡要介紹一下兩個(gè)重點(diǎn)問題：無霍爾傳感器技術(shù)、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制。</p><p>　　一．無霍爾傳感器相關(guān)技術(shù)</p><p>　　本設(shè)計(jì)將著重介紹帶霍爾傳感器的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，因技術(shù)上的不完善和理論結(jié)合應(yīng)用的復(fù)雜性，無/缺霍爾

32、控制還處于起步階段，但隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，尤其是在尺寸較小、工作環(huán)境惡劣時(shí)，使用位置傳感器的弊端就相當(dāng)明顯了，所以無位置傳感器控制系統(tǒng)必將憑借高級(jí)控制算法、技術(shù)逐漸取代帶前者。目前，常用的檢測方法如下：</p><p>　　1.反電動(dòng)勢過零點(diǎn)法：通過換相過程中，判斷即將導(dǎo)通那相反電勢過零點(diǎn)時(shí)刻（兩次換相之間），過零點(diǎn)前后30°（電角度）電樞繞組會(huì)分別進(jìn)行兩次換相。</p><p&

33、gt;　　2.反電動(dòng)勢三次諧波檢測法：將各相反電勢分解成基波和諧波之和，將三相電壓之和利用低通濾波器濾除其它諧波僅留下3次諧波，3次諧波在基波的一個(gè)周期內(nèi)有6個(gè)過零點(diǎn)，只需檢測這些過零點(diǎn)即可知道換相時(shí)間。</p><p>　　3.續(xù)流二極管導(dǎo)通檢測方法：又稱“第三相導(dǎo)通法”，利用非導(dǎo)通相的續(xù)流二極管，在過零點(diǎn)附近檢測其中某管電流出現(xiàn)比較大的降落(如AB相導(dǎo)通、C相懸空時(shí)，若檢測到續(xù)流二極管導(dǎo)通則反電勢過零點(diǎn))，以

34、此來判斷。</p><p>　　4.固定電壓的檢測方法：基本思路是采用線性電阻對(duì)電源母線電壓進(jìn)行分壓處理，形成一個(gè)用于和濾波分壓后的端電壓進(jìn)行比較的恒定直流電壓，得出換相時(shí)間。</p><p>　　5.預(yù)測反電動(dòng)勢過零點(diǎn)等方法：根據(jù)載波數(shù)、調(diào)制波時(shí)間進(jìn)行預(yù)測等?？偟膩碚f所有思路都利用了反電勢、預(yù)測原理，控制起來比較困難，技術(shù)、算法亟待完善。</p><p><

35、b>　　二．轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制</b></p><p>　　無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)主要分為齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，后者是電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的主要原因。波動(dòng)的存在不僅產(chǎn)生噪聲、振動(dòng)問題，更加影響了系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性、可靠性。假設(shè)當(dāng)AB相導(dǎo)通、C相懸空時(shí)，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為：</p><p><b>　　(1-1)</b></p><p>　　

36、電樞繞組反電勢和電流值決定著電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)AC導(dǎo)通，進(jìn)行B、C換相時(shí)，我們可以得到B、C相電流變化率：</p><p><b>　　(1-2)</b></p><p>　　—電機(jī)機(jī)械速度；、—A、B相反電勢；—繞組自感、互感。</p><p>　　換相區(qū)間內(nèi)，關(guān)斷相電流呈指數(shù)衰減、開通電流指數(shù)呈指數(shù)上升，當(dāng)對(duì)應(yīng)功率差值越大時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越大。所以

37、在電機(jī)啟動(dòng)和換相的瞬間，力矩波動(dòng)會(huì)非常大。</p><p>　　齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)：轉(zhuǎn)子永磁體同定子齒槽相互作用，在圓周方向產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，它總是試圖將轉(zhuǎn)子定位在某些位置。解決這個(gè)問題的方法主要靠設(shè)計(jì)優(yōu)化，如：斜槽法、分?jǐn)?shù)槽法、無齒槽繞組……</p><p><b>　　換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)：</b></p><p>　　1.重疊換相法：換相時(shí)，將應(yīng)立即關(guān)斷的功率

38、開關(guān)管延長一個(gè)時(shí)間間隔關(guān)斷，不應(yīng)導(dǎo)通的開關(guān)管提前開通一個(gè)角度，補(bǔ)償電流換相期間的跌落。技術(shù)的關(guān)鍵在于重疊時(shí)間的選擇，所以在傳統(tǒng)的重疊換相基礎(chǔ)上，引入定頻采樣電流調(diào)節(jié)技術(shù)，采用PWM技術(shù)使得重疊時(shí)間由電流調(diào)節(jié)自動(dòng)調(diào)節(jié)，適用在高速情況下。</p><p>　　2.滯環(huán)電流法：在電流環(huán)中采用滯環(huán)電流調(diào)節(jié)器，當(dāng)實(shí)際電流的幅值小于滯環(huán)寬度下限時(shí)，開關(guān)器件導(dǎo)通；達(dá)到滯環(huán)寬度上限時(shí)，開關(guān)器件關(guān)斷。利用滯環(huán)電流調(diào)節(jié)器控制開通相電

39、流上升速率來抑制低速下的換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，此法簡單，快速性好同時(shí)具有限流能力，但對(duì)高速區(qū)力矩波動(dòng)無能為力。解決的方法是：采用滯環(huán)控制法直接控制非換相相電流。由式（1-1）知換相轉(zhuǎn)矩正比于非換相相電流，利用滯環(huán)比較器使得非換相相電流實(shí)時(shí)跟蹤參考值，達(dá)到目的，適用于高速伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。</p><p>　　3.PWM斬波法：使開關(guān)器件在斷開前、導(dǎo)通后進(jìn)行一定頻率斬波，控制換相過程中的端電壓，使得兩換相相電流上升、下降速率相

40、等，補(bǔ)償總電流幅值的變化，從而抑制換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。</p><p>　　4.電流預(yù)測控制：基本原則是保持非換相相電流恒定。高速區(qū)運(yùn)行時(shí)，關(guān)斷相下降速率快于開通相上升速率，造成非換相相電流凹陷，轉(zhuǎn)矩偏小。通過調(diào)節(jié)關(guān)斷相電流下降速率以保持非換相相電流恒定；低速區(qū)運(yùn)行時(shí)，關(guān)斷相下降速率低于開通相上升速率，造成非換相相電流凸出,轉(zhuǎn)矩偏大。通過使關(guān)斷相關(guān)斷，在開通相上施加相應(yīng)占空比進(jìn)行補(bǔ)償以保持非換相相電流恒定。</p

41、><p>　　總體而言，我國BLDC研究起步于20世紀(jì)70年代，而微電子器件和電力電子器件早在20世紀(jì)5、60年代已經(jīng)開始發(fā)展。限于元器件水平難以達(dá)到理論知識(shí)的要求，我國在理論創(chuàng)新和制造工藝方面與國際水平還有較大差異。日常生活中我們接觸最多的就是基于無刷直流電機(jī)的電動(dòng)車，國內(nèi)整個(gè)電動(dòng)車行業(yè)至今任沒有一個(gè)統(tǒng)一的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比，國產(chǎn)無刷直流電機(jī)加工工藝穩(wěn)定性、成熟度較國外廠家還有一定差距，有待進(jìn)一步提高。</

42、p><p>　　控制系統(tǒng)方面，當(dāng)前，控制系統(tǒng)方面主要采用的控制器有：單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器、ASIC專用集成芯片、FPGA等。目前，很多先進(jìn)工業(yè)國家的半導(dǎo)體廠商都能提供自己開發(fā)的電機(jī)專用控制集成電路，如美國ON Semiconductor和Motorola等公司開發(fā)的MC33035、MC33039無刷直流電機(jī)控制芯片和MicroLinear公司的ML4425/4428無位置傳感器芯片。在工業(yè)和研究實(shí)驗(yàn)中使用的微處理器

43、一般是如下三種：單片機(jī)、基于現(xiàn)場可編程門陣列FPGA以及數(shù)字信號(hào)處理器DSP。目前為止，第六代DSP已經(jīng)進(jìn)入人們的生活，其獨(dú)有的哈佛、多總線、流水線結(jié)構(gòu)，多處理單元以及特殊的DSP指令使得其運(yùn)算周期短速度快，同時(shí)他自身具備強(qiáng)大的硬件配置使其功能更加強(qiáng)大、人機(jī)交換更加便捷。</p><p>　　正因如此，相關(guān)業(yè)內(nèi)專業(yè)研究人員紛紛投身于數(shù)字智能控制的無刷直流電機(jī)研究領(lǐng)域。眼下，除了控制智能化亟待開發(fā)，還有一個(gè)很大的桎

44、梏就是控制算法上得不到創(chuàng)新，結(jié)合到具體應(yīng)用等方面還處于發(fā)展階段。但隨著科技日新月異，微控制器處理速度和儲(chǔ)存空間正在飛速發(fā)展，相信不久的將來高級(jí)智能化控制必將得以實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　1.3論文主要內(nèi)容</b></p><p>　　本文針對(duì)DSP在無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用趨勢，采用TI公司TMS320C24x系列中功能最強(qiáng)的一款TMS320LF240

45、7A芯片作為控制器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷直流電機(jī)的控制，采用霍爾傳感器利用霍爾效應(yīng)判斷轉(zhuǎn)子位置，輸出控制信號(hào)，數(shù)字信號(hào)處理器通過控制信號(hào)生成相應(yīng)的PWM波控制逆變橋路通斷，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟停、正反轉(zhuǎn)、制動(dòng)等命令。通過驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)電機(jī)過載、過/欠壓、霍爾時(shí)序異常等自診斷功能。</p><p><b>　　本系統(tǒng)的目標(biāo)為：</b></p><p>　　1.實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟停、加減

46、速、正反轉(zhuǎn)等功能；</p><p>　　2.對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理進(jìn)行闡述,利用PID算法，實(shí)現(xiàn)電流、速度雙閉環(huán)控制；</p><p>　　3.電機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)，包括電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)、按鍵顯示等模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；</p><p>　　4.系統(tǒng)主程序、其它各模塊子程序的分析設(shè)計(jì)。</p><p>　　2 無刷直流電機(jī)的工作原理和數(shù)學(xué)模型<

47、;/p><p>　　2.1無刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　如圖2-1所示為無刷直流電機(jī)（BLDC）原理框圖，主要構(gòu)成部分有電動(dòng)機(jī)（Motor）、霍爾位置傳感器（HALL）、電子開關(guān)三相逆變橋（MOSFET）。驅(qū)動(dòng)電源部分由直流電源通過三相逆變橋輸出3路電壓供電，霍爾位置傳感器實(shí)時(shí)檢測轉(zhuǎn)子位置并提供MOOSFET功率管開關(guān)順序信號(hào)，最終通過驅(qū)動(dòng)電路使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。</p>

48、<p><b>　　2.1.1電機(jī)本體</b></p><p>　　三相電樞繞組定子和永磁體轉(zhuǎn)子構(gòu)成了無刷直流電機(jī)（BLDC）的本體結(jié)構(gòu)組成如圖2-2，這點(diǎn)和永磁同步電機(jī)有類似之處。</p><p><b>　　定子</b></p><p>　　與交流同步電機(jī)類似，BLDC的定子結(jié)構(gòu)分為星形連接（Y接）或封閉式連

49、接（△接），考慮到制造工藝和成本控制，日常應(yīng)用中三相對(duì)稱的星形連接比較常見。同時(shí)相較普通電機(jī),BLDC的繞組一般接定子側(cè)，更有利于散熱保持系統(tǒng)穩(wěn)定性。</p><p><b>　　轉(zhuǎn)子</b></p><p>　　電機(jī)轉(zhuǎn)子基礎(chǔ)模型就是按順序排列的磁鋼片，由永磁體、導(dǎo)磁體組成。主要作用是為了產(chǎn)生勵(lì)磁磁場，能夠和定子感生磁場作用拖動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，作用和構(gòu)成材料如下表2-1所示

50、。</p><p>　　圖2-2 BLDC定子、轉(zhuǎn)子</p><p><b>　　表2-1 轉(zhuǎn)子組成</b></p><p>　　2.1.2轉(zhuǎn)子位置傳感器</p><p>　　轉(zhuǎn)子位置傳感器是BLDC的關(guān)鍵無接觸換相部件，它一般有三個(gè)引腳：電源端，地端，信號(hào)端。它主要有兩大作用：第一.通過檢測永磁體轉(zhuǎn)子相對(duì)定子電樞繞組的

51、相對(duì)位置，確定逆變橋功率管的導(dǎo)通順序，控制電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。第二.通過傳感器的位置排布，確定間隔角60°/120°，從而確定電樞磁場的磁狀態(tài)。由于霍爾磁敏傳感器具有質(zhì)量、體積小、制作成本低等優(yōu)點(diǎn)，更適合應(yīng)用在BLDC控制系統(tǒng)中。</p><p>　　對(duì)于一般常見的“二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)”電動(dòng)機(jī)而言，一般采用三個(gè)霍爾元器件，它們在圓周空間的配置有兩個(gè)方案：互相間隔60°電角（電角度=機(jī)械

52、角度×極對(duì)數(shù)）或互相間隔120°電角。兩種方案輸出波形組合圖分別如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-3 60°/120°霍爾方波信號(hào)</p><p>　　相應(yīng)輸出狀態(tài)分別為：</p><p>　　表2-2 60°/120°序列</p><p>　　2.1.3驅(qū)動(dòng)控制電路<

53、;/p><p>　　驅(qū)動(dòng)控制電路一大特性：其導(dǎo)通順序和轉(zhuǎn)子換相轉(zhuǎn)角保持同步運(yùn)行，它將位置霍爾傳感器輸出的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行處理，按換相順序的要求輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制MOSFET開關(guān)順序。起到電子換相的作用從而替代了普通的機(jī)械電刷。</p><p><b>　　1．控制電路</b></p><p>　　控制電路需要保證各種調(diào)速功能穩(wěn)定運(yùn)行電機(jī)能夠正常啟停

54、運(yùn)行的關(guān)鍵，著重須要完成以下五個(gè)功能： </p><p>　　將霍爾位置傳感器輸出的控制信號(hào)如啟停、正反轉(zhuǎn)進(jìn)行邏輯整合，為驅(qū)動(dòng)的電路MOSFET的開斷提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)控制功能。</p><p>　　調(diào)節(jié)占空比，產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的PWM調(diào)制信號(hào)，可以滿足不同實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的電壓需求。</p><p>　　對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度、電流PID雙閉環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。&l

55、t;/p><p>　　實(shí)現(xiàn)各種故障保護(hù)功能，如短路保護(hù)、過電流保護(hù)、欠電壓保護(hù)等。 </p><p><b>　　2. 驅(qū)動(dòng)電路</b></p><p>　　一般電力電子功率驅(qū)動(dòng)電路主要用來連接系統(tǒng)主電路和控制電路，其組成一般包含如下幾個(gè)部分：MOSFET/IGBT組成的三相橋路逆變電路、自舉電路、濾波環(huán)節(jié)等。主要任務(wù)是：在電力電子器件公共端和控

56、制端之間按照控制目標(biāo)約定傳遞控制信號(hào)，從而控制電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷；與此同時(shí)，為了防止干擾還需在主電路和控制電路之間提供電氣隔離環(huán)節(jié)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用的是功率開關(guān)管集成驅(qū)動(dòng)電路IR2130，TLP521進(jìn)行光電隔離，相關(guān)原理將在第四章詳細(xì)介紹。</p><p>　　2.2無刷直流電機(jī)工作原理</p><p>　　為分析方便，如圖2-4所示，選用一

57、臺(tái)三相非橋式接法的兩極無刷直流電機(jī)，A相接Q1，B相接Q2，C相接Q3，三個(gè)霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器按一定規(guī)則固定在定子端。當(dāng)定子某相繞組通電時(shí)，感生磁場和轉(zhuǎn)子永磁體相互作用，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)?；魻杺鞲衅鹘邮沼来朋w磁場信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，進(jìn)入功率管柵極控制逆變橋的導(dǎo)通順序，從而使定子繞組進(jìn)行換相改變相電流導(dǎo)通順序，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的感生磁場，控制電機(jī)按一定要求運(yùn)行。</p><p>　　圖2-4 三相兩極無刷直流電機(jī)</p&g

58、t;<p><b>　　2.3星形全橋驅(qū)動(dòng)</b></p><p>　　當(dāng)功率晶體管轉(zhuǎn)變成橋式逆變電路，電機(jī)條件不變，如圖2-5所示，一般三相星形橋式連接方式有“一相導(dǎo)通星形三相三狀態(tài)”、“二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)”、“二相三相輪流導(dǎo)通星形三相十二狀態(tài)”，本設(shè)計(jì)研究基于“二相導(dǎo)通三相六狀態(tài)”，因其控制方便，易理解而被廣泛采用。</p><p>　　圖2-5

59、 全橋驅(qū)動(dòng)模型</p><p>　　如圖2-5所示，逆變橋路由6個(gè)功率開關(guān)管MOSFET或者IGBT組成，因?yàn)镸OSFET相比一般功率晶體管有很多優(yōu)勢第四章中將詳細(xì)介紹，所以我們根據(jù)電機(jī)電壓、電流選用IR公司的IRF540NL。表2-3和表2-4分別列出電機(jī)順時(shí)針和逆時(shí)針運(yùn)行時(shí)，霍爾信號(hào)和PWM驅(qū)動(dòng)順序。圖2-6表示在順時(shí)針和逆時(shí)針兩種情況下相電流不同時(shí)刻的流動(dòng)方向，同一時(shí)刻的兩相導(dǎo)通繞組電流大小相等，方向相反。

60、</p><p>　　逆變橋中除了功率開關(guān)管外，還有6個(gè)與MOSFET并聯(lián)的續(xù)流二極管，其作用為了防止換相瞬間電機(jī)繞組中的沖擊電流會(huì)損壞功率開關(guān)管，同時(shí)讓電流能平緩的上升和下降。</p><p>　　表2-3 順時(shí)針驅(qū)動(dòng)順序</p><p>　　表2-4 逆時(shí)針驅(qū)動(dòng)順序</p><p>　　圖2-6 電機(jī)不同轉(zhuǎn)向情況下電流流通方向</p

61、><p>　　所謂的“二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)”，是指每間隔1/6個(gè)周期進(jìn)行一次換相，每次有兩相同時(shí)導(dǎo)通，總共進(jìn)行6次換相。每個(gè)功率管導(dǎo)通120°角，每相維持導(dǎo)通120°，順時(shí)針運(yùn)行時(shí)功率管的導(dǎo)通順序?yàn)?V6V1—V1V2—V2V3—V3V4—V4V5—V5V6。如第一階段電流從A相繞組進(jìn)入，從B相繞組輸出，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是由Ta和Tb合成的如圖所示，Ta、Tb、Tc大小均為T，則合成轉(zhuǎn)矩的大小為，如

62、圖2-7所示。</p><p>　　圖2-7 “二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)”力矩原理圖</p><p>　　這種情況下產(chǎn)生的每一相反電勢和相電流如圖2-8所示，反電勢為梯形方波，水平部分為120°，每相間隔120°。</p><p>　　圖2-8 相電勢、相電流波形</p><p>　　2.4無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型</p&

63、gt;<p>　　BLDC定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢與電機(jī)轉(zhuǎn)速匝數(shù)成正比，如式（2-1）：</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　式中，—電樞感應(yīng)線電動(dòng)勢；—電機(jī)極對(duì)數(shù)；—繞組的匝數(shù)；—每極磁通；—轉(zhuǎn)速；—極弧系數(shù)。由式（2-1）可知，其他條件一定的情況下，可以通過改變繞組匝數(shù)進(jìn)行調(diào)速。為了進(jìn)行數(shù)學(xué)簡化分析，假定：</

64、p><p>　　忽略BLDC轉(zhuǎn)子鐵芯飽和，不計(jì)渦流、磁滯損耗；</p><p>　　不計(jì)電樞反應(yīng)，電樞導(dǎo)體均勻分布在電樞表面。三相定子間隔120°均勻分布，氣隙磁場為理想的梯形波；</p><p>　　功率管、續(xù)流二極管性能優(yōu)異，有不錯(cuò)的開關(guān)特性。</p><p>　　那么可以用電阻、電感、反電勢來等效無刷直流電機(jī)BLDC的每相電機(jī)繞組

65、。</p><p>　　由于采用的是星形連接方式，數(shù)學(xué)模型方程如式（2-2）所示：</p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　、、—三相端電壓和中點(diǎn)電壓（V）；、、—三相繞組電流（A）；—電樞繞組電阻（Ω）；、—電樞繞組電感、互感（H）；、和—三相反電勢（V）；—中點(diǎn)電壓（V）。</p><p>

66、;　　當(dāng)電機(jī)處于運(yùn)動(dòng)過程中，電磁力矩的表達(dá)式為</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　經(jīng)查閱資料還可進(jìn)一步簡化為：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　—轉(zhuǎn)子角速度（rad/s）；—電機(jī)極對(duì)數(shù)；—每相繞組匝鏈永磁磁鏈的最大值；</p

67、><p>　　—電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)；—穩(wěn)態(tài)繞組相電流。</p><p>　　電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為：</p><p><b>　　(2-5)</b></p><p>　　其中—電磁轉(zhuǎn)矩；—負(fù)載轉(zhuǎn)矩；—粘滯摩擦系數(shù)；—轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。</p><p>　　電壓方程的等效電路圖如圖2-9所示：</p>

68、<p>　　圖2-9 無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)等效電路</p><p>　　3 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)研究</p><p>　　3.1控制系統(tǒng)總體方案</p><p>　　基于DSP的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的原理框圖如圖3-1所示，其控制的核心為TMS320LF2407A，它主要作用有兩方面：1.收集外部傳來的霍爾信號(hào)、電流、電壓等信息，按控制要求進(jìn)行計(jì)算、動(dòng)作。2

69、.作為I/O輸出口，負(fù)責(zé)發(fā)送指令如PWM信號(hào)。</p><p>　　當(dāng)CAP口接收到經(jīng)光耦隔離電路處理的霍爾信號(hào)后，根據(jù)判斷得到的轉(zhuǎn)子位置，輸出合適的信號(hào)給驅(qū)動(dòng)模塊IR2130，從而控制逆變橋運(yùn)轉(zhuǎn)?？刂艬LDC，最重要的是判斷電機(jī)的速度和電流大小，2407根據(jù)定時(shí)器2的捕獲中斷確定換相間隔的時(shí)間，計(jì)算出當(dāng)前速度，而后與設(shè)定的速度比較，形成外環(huán)控制（ASR）；另一方面，通過電流采集電路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊得實(shí)時(shí)相電流，

70、并與ASR傳遞的電流值比較形成內(nèi)環(huán)（ACR）。此外，2407還有自我保護(hù)模塊，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，可以進(jìn)行自診斷和保護(hù)。</p><p><b>　　3.2控制結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　通過大學(xué)期間自動(dòng)控制理論和電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)兩門功課的學(xué)習(xí)，我們知道雙閉環(huán)PID控制技術(shù)在控制技術(shù)方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，可以很好地實(shí)現(xiàn)：大范圍、小靜差率、同時(shí)具備良好的隨動(dòng)性和抗

71、干擾能力的調(diào)速方式。而這也正是無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，基本原理如圖3-2所示。</p><p>　　速度環(huán)為外環(huán)，它能使速度n跟隨給定電壓實(shí)時(shí)進(jìn)行變化，起主導(dǎo)調(diào)節(jié)作用。同時(shí)，他它還對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用，限定點(diǎn)擊允許的最大電流，通過采集霍爾信號(hào)由DSP軟件計(jì)算得出。</p><p>　　電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，它能使電流跟隨ASR輸出的電壓實(shí)時(shí)變化。此外，它對(duì)電網(wǎng)的波動(dòng)起穩(wěn)定抗擾作用、加快

72、了動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，若電機(jī)發(fā)生過流故障還能起及時(shí)保護(hù)作用，通過直接在直流母線上采集獲得。</p><p>　　實(shí)時(shí)速度與設(shè)定的速度比較，經(jīng)PID調(diào)節(jié)形成外環(huán)控制（ASR）。通過電流采集電路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊得實(shí)時(shí)相電流，并與ASR傳遞的電流值比較形成內(nèi)環(huán)（ACR），實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制電機(jī)按要求運(yùn)轉(zhuǎn)。</p><p>　　3.3 PID控制研究</p><p&

73、gt;　　3.3.1 PID基本原理</p><p>　　在當(dāng)今工業(yè)控制中，動(dòng)態(tài)校正使用越來越廣泛。其中， PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的滯后(PI)-超前（PD）校正兼有二者的優(yōu)點(diǎn)：擁有超前校正的穩(wěn)定裕度，快速性、滯后校正的穩(wěn)態(tài)精度等而被長期青睞，使用PID調(diào)節(jié)可以全面提高系統(tǒng)的控制性能。原理如圖3-3所示</p><p>　　圖3-3 PID控制系統(tǒng)框圖</p><p>　

74、　—給定值；—給定值與反饋值的差量；—PID調(diào)節(jié)后的控制量。</p><p>　　PID基本原理：將給定值與實(shí)際值之間的偏差，按比例-積分-微分線性組合生成控制量，利用再對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。</p><p>　　連續(xù)控制系統(tǒng)PID控制公式為：</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　式中：─比

75、例常數(shù)；─積分時(shí)間常數(shù)；─積分時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　比例環(huán)節(jié)的作用（P）</p><p>　　比例環(huán)節(jié)對(duì)偏差能夠做出快速反應(yīng)，使得偏差向減小的方向發(fā)展。比例系數(shù)和控制強(qiáng)度成正比，但如果過大則會(huì)是系統(tǒng)發(fā)生振蕩。其最大缺點(diǎn)就器控制環(huán)節(jié)是有靜差調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　積分環(huán)節(jié)的作用（I）</p><p>　　積分環(huán)節(jié)把參考值和設(shè)

76、定值之間的偏差積累作為輸出，其最大特點(diǎn)就是能實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速。只要有偏差存在，積分環(huán)節(jié)的輸出就會(huì)不斷增大。積分時(shí)間常數(shù)越大，積分作積累用越弱，消除靜差的過程越慢，但超調(diào)量減少，系統(tǒng)穩(wěn)定性相應(yīng)提高。其最大缺點(diǎn)就是會(huì)降低系統(tǒng)響應(yīng)速度。</p><p>　　微分環(huán)節(jié)的作用（D）</p><p>　　微分環(huán)節(jié)用于抑制偏差變化。微分環(huán)節(jié)可以很好的克服系統(tǒng)振蕩，降低超調(diào)，從而使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定，尤其是在高

77、頻環(huán)節(jié)。但其最大缺點(diǎn)是對(duì)噪聲非常敏感。</p><p>　　3.3.2 PID算法設(shè)計(jì)</p><p>　　由于DSP微處理器的工作特性和電機(jī)控制可靠性的要求，連續(xù)型PID控制的適用范圍因此得到很大的限制，這時(shí)就需要通過離散化重新構(gòu)建PID控制，即數(shù)字PID控制，控制系統(tǒng)以開關(guān)量方式進(jìn)行工作。最終得到離散PID控制律的差分方程，具體過程如下：</p><p><

78、;b>　　(3-2)</b></p><p>　　式中: ─比例系數(shù)；─積分系數(shù)；─微分系數(shù)；T─采樣周期； </p><p>　　─第k次采樣周期時(shí)刻輸入的偏差值。</p><p>　　上式成為增量式PID算法，可將此進(jìn)一步改寫為：</p><p><b>　　式中：；；。</b></p>

79、<p>　　綜上所述：（3-3）</p><p>　　相比式（3-2），式（3-3）最大優(yōu)點(diǎn)是無需進(jìn)行累加操作，最近的幾次采樣值可以決定控制增量的取值，利用加權(quán)能夠比較容易地得到最好的控制結(jié)果。</p><p>　　雙閉環(huán)控制中，電流環(huán)因信號(hào)易受高頻干擾，所以采用PI控制。先確定內(nèi)環(huán)的控制參數(shù),將ASR環(huán)傳遞過來的電流參考值和電流采集電路的反饋值相比較，把二者的差值送入A

80、CR環(huán)節(jié)進(jìn)行PI調(diào)節(jié)。</p><p>　　而外環(huán)─速度環(huán)采用積分分離PID控制作為調(diào)節(jié)算法，根據(jù)上文介紹可知，積分環(huán)節(jié)雖然有益于系統(tǒng)的精確度能夠?qū)崿F(xiàn)無靜差調(diào)速，但在啟動(dòng)、停止或者出現(xiàn)較大偏差時(shí)，積分控制會(huì)引起積分積累，產(chǎn)生過大超調(diào)量，不利于電機(jī)運(yùn)行。為了減少積分環(huán)節(jié)的影響，需采用改進(jìn)后的PID算法─積分分離PID控制：當(dāng)偏差較大時(shí)，采用PD調(diào)節(jié)；當(dāng)偏差在允許范圍之內(nèi)時(shí)，恢復(fù)PID算法調(diào)節(jié)。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：&l

81、t;/p><p>　　根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定一個(gè)閥值。</p><p>　　當(dāng)時(shí)，采用PID控制，保證控制精度；當(dāng)時(shí)，采用PD控制，確保反應(yīng)速度，同時(shí)避免過大超調(diào)。</p><p>　　用公式表達(dá)，在PID算法的積分項(xiàng)上乘以一個(gè)系數(shù)，</p><p>　　當(dāng)時(shí)，，進(jìn)行PD控制，由式(3-2)得：</p><p><b>

82、;　　（3-4）</b></p><p><b>　　式中：；；。</b></p><p>　　當(dāng)時(shí)，，進(jìn)行PID控制由式（3-3）得：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　式中：；；；</b></p><

83、p><b>　　。</b></p><p><b>　　3.4控制技術(shù)</b></p><p><b>　　3.4.1調(diào)速原理</b></p><p>　　通常情況下，星型連接的三相無刷直流電機(jī)在同一時(shí)刻只有兩相繞組導(dǎo)通，有電流流過。</p><p>　　其電動(dòng)勢平衡方程

84、為：</p><p><b>　　(3-6)</b></p><p>　　式中─電源電壓（V）；─繞組反電動(dòng)勢（V）；─平均相電流（A）；─繞組的平均電阻（Ω）；─功率管飽和壓降（V）；橋式換相路線為。</p><p>　　當(dāng)電樞繞組或換相電路形式的不同，會(huì)使得繞組的反電勢表達(dá)式不相同，但無論哪種情況，均有一個(gè)通用的表達(dá)式：</p>

85、<p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　式中代表Motor的轉(zhuǎn)速（r/min）；代表電動(dòng)勢系數(shù)（V/r/min）。</p><p>　　通過式（3-6）、式（3-7）可知：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　由式（3-8）可知，可以

86、通過改變外加電壓的大小來對(duì)BLDC進(jìn)行調(diào)速；當(dāng)越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速就越大，反之則小。</p><p>　　3.4.2電樞電壓調(diào)節(jié)</p><p>　　經(jīng)資料查閱和試驗(yàn)比較，可以利用變壓調(diào)速的方法進(jìn)行直流調(diào)速。改變輸入電壓有兩種方法：改變直流母線的電壓以及電樞繞組的相電壓、相電流。但在實(shí)際應(yīng)用中，改變直流母線電壓和電流，器調(diào)節(jié)效率低、精度低、反應(yīng)慢，更多是采用調(diào)節(jié)電樞電壓的方法。</p>

87、;<p>　　以下3種可控直流電源常用來調(diào)節(jié)電樞電壓：靜止式可控整流器，旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，直流斬波器或脈寬調(diào)制解調(diào)器（PWM）。</p><p>　　本設(shè)計(jì)用到的PWM脈寬調(diào)制技術(shù)基本原理是利用電力電子開關(guān)對(duì)恒定電源進(jìn)行脈寬調(diào)制，將其“分割”成若干份，從而產(chǎn)生PWM信號(hào)，如圖3-5所示。同時(shí)，利用“面積等效”原理，我們可以用PWM波代替各種波形，方便系統(tǒng)進(jìn)行控制。</p><p>

88、;　　圖3-4 PWM調(diào)速控制原理圖</p><p>　　圖3-5 輸入輸出波形</p><p>　　PWM信號(hào)通過功率開關(guān)管的開通、關(guān)斷，按要求把直流電壓分割成若干脈沖電平，而調(diào)壓、調(diào)頻、去除諧波等是可以通過調(diào)節(jié)電壓脈寬和頻率周期。</p><p>　　圖3-4中，電壓脈沖序列驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管VT的導(dǎo)通關(guān)斷。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)時(shí)，為正，VT導(dǎo)通，電源電壓加到電機(jī)電

89、樞兩端；這樣，電動(dòng)機(jī)兩端得到的平均電壓為：</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過改變占空比完成。</p><p>　　由式（3-9）和可知，有三種方法可以改變占空比 的值：定寬調(diào)頻法、調(diào)寬調(diào)頻法、定頻調(diào)寬法。</p><p>　　第一第二種分別是僅改變，不變；僅改變

90、，不變。它們共同之處在于都得改變控制脈沖周期，若控制不當(dāng)，容易引起系統(tǒng)不穩(wěn)定和振蕩。第三種方法同時(shí)改變和確保周期T不變，雖然控制起來略顯麻煩，但因其穩(wěn)定性能而被廣泛使用。</p><p>　　此外，PWM調(diào)制技術(shù)又分為雙斬式、單斬式。所謂雙斬式即上下兩功率管同時(shí)用PWM信號(hào)控制；單斬式為上管PWM控制，下管恒導(dǎo)通。相比而言，單斬式雖然力矩波動(dòng)很大，但其功率管開關(guān)損耗僅為前者的一半，實(shí)現(xiàn)起來也較為簡單，所以本設(shè)計(jì)采

91、用單斬控制方式。</p><p>　　3.4.3 PWM相關(guān)技術(shù)</p><p>　　通過課程學(xué)習(xí)，我們知道一般而言PWM控制技術(shù)有三種不同的方法：一般的脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）、正弦脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM）和空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（SVPWM），下面進(jìn)行分析比較，如表3-1所示。</p><p>　　表3-1不同控制方法比較</p><p>　

92、　對(duì)于TMS320LF2407A而言，要產(chǎn)生一個(gè)PWM波形，需要具備三個(gè)基本條件：第一. 為了產(chǎn)生一個(gè)與PWM周期相同的計(jì)數(shù)周期，需要一個(gè)能夠循環(huán)計(jì)數(shù)的定時(shí)器；第二.需要一個(gè)比較環(huán)節(jié)，通過比較寄存器中的設(shè)定值和計(jì)數(shù)器的值比較，確定脈沖跳轉(zhuǎn)；第三.還要有一個(gè)邏輯控制，確定電平上、下跳，強(qiáng)制高低電平……。具體PWM產(chǎn)生模塊將在第五章軟件模塊詳細(xì)介紹。</p><p>　　4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p>&

93、lt;p><b>　　4.1總體硬件結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　硬件部分由微控制器處理電路、驅(qū)動(dòng)控制電路、逆變橋路、光耦合隔離、保護(hù)電路等組成，本設(shè)計(jì)中采用TI公司的TMS320F2407，它能夠高速進(jìn)行信號(hào)處理、數(shù)字控制功能，而且擁有豐富的外圍擴(kuò)展設(shè)備實(shí)現(xiàn)電機(jī)各類控制需求。總體硬件結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。</p><p>　　4.1.1 TMS320LF24

94、07芯片介紹</p><p>　　本控制系統(tǒng)中，使用的微控制處理器是TI公司的TMS320LF2407。它是TI公司專門為逆變器、各類電機(jī)、數(shù)控工業(yè)等控制系統(tǒng)而研發(fā)的。尤其針對(duì)無刷直流電機(jī)，DSP自身已集成PWM生成，A/D轉(zhuǎn)換，各類中斷，自保護(hù)等模塊，使用十分方便。其特點(diǎn)如下：</p><p>　　工作電壓3.3V,采用靜態(tài)CMOS技術(shù)。40MIPS的執(zhí)行速度，較同類產(chǎn)品（30MIPS）

95、有很大優(yōu)勢。</p><p>　　片內(nèi)32K的Flash的程序存儲(chǔ)器，1.5K數(shù)據(jù)/程序RAM,還包括544B的DRAM（雙端口）和2K的SRAM（單端口）；片外擴(kuò)展：分別為64K程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、I/O尋址空間，總共192K空間可擴(kuò)展。</p><p>　　擁有兩個(gè)高性能事件管理模塊，EVA和EVB。它們功能基本相同，都分別包含GP通用定時(shí)器，比較、捕獲單元等。</p>&l

96、t;p>　　擁有40個(gè)復(fù)用或者可獨(dú)立編程的通用輸入/輸出引腳。轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns的A/D轉(zhuǎn)換器（10位），可用EVA/EVB選擇觸發(fā)兩個(gè)8通道出入或者一個(gè)16通道輸入。</p><p>　　擁有看狗口定時(shí)器模塊、鎖相環(huán)時(shí)鐘發(fā)生器。含有一個(gè)復(fù)位中斷、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷、兩個(gè)可屏蔽中斷。</p><p>　　快速通信模塊，如16位串行外設(shè)(SPI)，控制局域網(wǎng)（CAN）2.0B模塊。&l

97、t;/p><p>　　4.2 DSP控制模塊硬件設(shè)計(jì)</p><p><b>　　4.2.1電源電路</b></p><p>　　關(guān)于電源部分，所選擇的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源為48V，可以通過普通鉛蓄電池（每節(jié)12V）得到；2407的工作電壓為3.3V，雖然這樣能在一定程度上減少芯片損耗，但一般控制平臺(tái)輸出電壓5V，所以為了匹配和系統(tǒng)穩(wěn)定性，需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換

98、電路。常用的有兩種方法：一是直接用電阻分壓；二是采用穩(wěn)壓模塊。方案一由于會(huì)隨著負(fù)載的變化而出現(xiàn)振蕩波動(dòng)，易受外界因素干擾，同時(shí)分壓電阻自身也會(huì)消耗部分能量，所以對(duì)于要求輸入電平嚴(yán)格的控制系統(tǒng)不予采用。方案二由于能夠生成足夠穩(wěn)定的電壓，性價(jià)比高，在眾多控制系統(tǒng)中廣為應(yīng)用，常用的3.3V轉(zhuǎn)換芯片有BM1117、LM1085、TPS7533等。</p><p>　　考慮到其最大輸出功率，本設(shè)計(jì)選用上海百力微電子公司的B

99、M1117作為電壓轉(zhuǎn)換芯片：1A的輸出電流，輸出電壓從1.25V起調(diào)，輸入電壓最大可達(dá)18V，有能力為DSP供電。電路圖如圖4-2-1所示。電路中104電容起去耦、補(bǔ)償?shù)皖l濾波的作用；電解電容起濾除紋波作用，二者均不可或缺。</p><p>　　圖 4-2-1電源轉(zhuǎn)換電路</p><p><b>　　4.2.2外圍電路</b></p><p>

100、　　芯片TMS320LF2407A和各類外圍電路組成了數(shù)字信號(hào)處理器系統(tǒng)，下面通過具體實(shí)例對(duì)DSP外圍電路進(jìn)行分析：</p><p><b>　　1.復(fù)位時(shí)鐘電路</b></p><p>　　DSP工作是以時(shí)鐘為基準(zhǔn)的，如圖4-2-2所示，為了使得內(nèi)部振蕩器啟動(dòng)（DSP以時(shí)鐘為基準(zhǔn)工作的），需在數(shù)字信號(hào)處理器XTALI和XTAL2之間連接一個(gè)晶振（20MHZ）。此外，

101、還有一個(gè)PLL濾波模塊，通過查閱參數(shù)手冊確定鎖相環(huán)濾波器PLLF和PLLF2之間的電阻電容參數(shù)，注意C48、C49必須為無極性電容，PLLVCCA接3.3V電壓（旁路陶瓷電容C7取值0.01uF～0.1uF接地，同時(shí)串聯(lián)電感進(jìn)行低通濾波）。2407芯片具有鎖相環(huán)時(shí)鐘模塊,鎖相環(huán)支持設(shè)定不同的倍頻系數(shù)（0.5～4），具體是利用SCSR1寄存器的11～9位，通過軟件編寫來完成。</p><p>　　圖4-2-2 時(shí)鐘

102、振蕩電路</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用簡單的手動(dòng)復(fù)位電路如圖4-2-3所示，當(dāng)按下按鈕S6時(shí)，POWERRST輸出低電平，2407芯片進(jìn)行復(fù)位動(dòng)作。</p><p>　　圖4-2-3 復(fù)位電路</p><p>　　2. A/D轉(zhuǎn)換模塊電路</p><p>　　數(shù)模接口方面，由于2407芯片自帶16通道的10位A/D轉(zhuǎn)換，所以只需要按DSP工

103、作要求設(shè)定好參考電壓，無需外部添加數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片器件。其輸入信號(hào)范圍0～3.3V電壓。本系統(tǒng)采用一個(gè)二極管和電阻串聯(lián)，將電壓牽制在3.3V以下，起保護(hù)作用，如圖4-2-4所示。</p><p>　　圖4-2-4 A/D轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　3.RAM擴(kuò)展電路</p><p>　　2407一大優(yōu)勢是其片內(nèi)擁有32K的FLASH程序存儲(chǔ)器和1.5K數(shù)據(jù)/程序RA

104、M，使用起來方便高效。但在正常調(diào)試程序時(shí)，我們需要將程序通過JTAG裝載到1.5K的數(shù)據(jù)/程序RAM中，而非直接寫到FLASH ROM中。所以為了避免重復(fù)調(diào)試和滿足存儲(chǔ)需求，我們需要對(duì)存儲(chǔ)空間進(jìn)行外部擴(kuò)展。</p><p>　　這里我們選用型號(hào)為CYC1021的RAM進(jìn)行擴(kuò)展，其大小為64K×16bit。通過與門（74HC08）實(shí)現(xiàn)將其共用為數(shù)據(jù)RAM和程序RAM。RAM的低32K被定義為數(shù)據(jù)空間，地址

105、0x0000～0x7FFF；高32K被定義為程序空間，地址為0x8000～0xFFFF。</p><p>　　圖4-2-5所示，CYC1021的數(shù)據(jù)總線和2407數(shù)據(jù)總線（D0-D15）相連，地址總線和2407的地址總線（A0-A18）對(duì)應(yīng)相連；高位使能BHE和低位使能BLE共地；、分別與DSP讀寫使能、相連。 </p><p>　　圖4-2-5 RAM擴(kuò)展電路</p>&l

106、t;p><b>　　4.JTAG電路</b></p><p>　　JTAG即聯(lián)合測試行動(dòng)組電路,主要用于芯片內(nèi)部測試,JTAG編程方式是在線編程,從而大大加快開發(fā)進(jìn)度。 </p><p>　　圖4-2-6 JTAG電路</p><p>　　4.3驅(qū)動(dòng)方案和器件選擇</p><p>　　4.3.1主功率逆變電路<

107、;/p><p>　　圖4-3-1 驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　如圖4-3-1所示，主功率逆變橋路以“兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)”方式運(yùn)行（第二章已做詳細(xì)介紹）。正轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)通順序V6V1—V1V2—V2V3—V3V4—V4V5—V5V6；反轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)通順序V3V2-V1V2-V1V6-V5V6-V5V4-V3V4。</p><p>　　4.3.2驅(qū)動(dòng)芯片及選型</p&g

108、t;<p>　　驅(qū)動(dòng)方案一般有兩種：</p><p>　　使用分立器件搭建，主要用驅(qū)動(dòng)芯片和功率管組建成逆變橋路，通過外部驅(qū)動(dòng)控制功率管開通來生成控制信號(hào)；</p><p>　　使用專用的IPM（Intelligent Power Modules）智能功率模塊，不僅內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電路和功率開關(guān)管，同時(shí)還具備防止過壓、流、熱故障保護(hù)電路；</p><p>　　

109、二者相比較而言均適合作為無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。若使用分立器件搭建，驅(qū)動(dòng)電路簡單，成本也較低，任意一個(gè)器件損壞對(duì)其他模塊影響不大，獨(dú)立性好可隨時(shí)替換；而使用IPM模塊，優(yōu)點(diǎn)在于其穩(wěn)定性、可靠性，但對(duì)模塊供電信號(hào)要求3路非共地的直流穩(wěn)壓，這勢必造成多余能耗。同時(shí)，其獨(dú)立性較差，一旦內(nèi)部某一元件損毀則整個(gè)電路模塊就得重新更換。綜合各方面考慮，成本、穩(wěn)定性等，本文使用第一種方案。</p><p><b>　　功率

110、開關(guān)管選擇</b></p><p>　　MOSFET作為電壓控制器件，相比普通電流控制器件GTR，因其具有體積小、開關(guān)速度快、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)方便、熱穩(wěn)定性好等眾多優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，由于IGBT更適合在大電壓、功率場合使用。因而在無刷直流電機(jī)控制領(lǐng)域，人們更青睞于適合相對(duì)較低電壓控制的MOSFET。</p><p>　　和小功率MOSFET 類似，功率MOSFET 也有分為N 溝道和

111、P 溝道兩大類；二者的選型由負(fù)載的連接方式所決定——當(dāng)負(fù)載接地時(shí)，采用P溝道MOSFET；當(dāng)負(fù)載連接電源電壓時(shí)，選擇N溝道MOSFET，主要為了防止負(fù)載電流進(jìn)入柵極影響驅(qū)動(dòng)控制。</p><p>　　每個(gè)大類又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種。雖然耗盡型具備很多增強(qiáng)型沒有的優(yōu)點(diǎn)，如增強(qiáng)型必須在柵源開通后才有導(dǎo)電溝道，而耗盡型柵極不加電壓都有導(dǎo)電通道；耗盡型 可以用正、零、負(fù)電壓控制導(dǎo)通，而增強(qiáng)型必須使得，才能導(dǎo)通。但實(shí)際應(yīng)

112、用過程中為滿足工藝要求，大部分功率MOSFET都是增強(qiáng)型的。</p><p>　　電流、電壓對(duì)MOSFET選型影響：MOSFET在關(guān)斷瞬間，會(huì)承受到最大的電壓沖擊，這個(gè)最大電壓跟負(fù)載有很大關(guān)系：本設(shè)計(jì)負(fù)載是繞組電機(jī)，其電感在關(guān)斷瞬間會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢（電磁感應(yīng)定律），其方向與VCC方向相同（楞次定律），所以承受的最大電壓為VCC與感生電動(dòng)勢之和，但考慮到續(xù)流二極管的作用，其所能承受的電壓即為VCC。</p&g

113、t;<p>　　在計(jì)算出最大電壓后，再留有20%～30%的裕量，就可以確定所需要的MOSFET的額定電壓 值。在這里需要說的是，為了獲得更好的穩(wěn)定性，可以選擇在感性負(fù)載上并聯(lián)續(xù)流二極管與電感在關(guān)斷時(shí)構(gòu)成續(xù)流回路，釋放掉感生能量來保護(hù)MOSFET，如果必要，還可以再加上RC緩沖電路（Snubber）來抑制電壓尖峰（第六章將會(huì)詳細(xì)介紹）。</p><p>　　綜上所述，本設(shè)計(jì)采用N溝道增強(qiáng)型MOSFET