電氣工程課程設(shè)計無刷直流電機控制系統(tǒng)

1、東 北 石 油 大 學課 程 設(shè) 計課 程 電氣工程課程設(shè)計 題 目 基于TMS320F2812的無刷直流電機控制系統(tǒng) 院 系 電氣信息工程學院電氣工程系 專業(yè)班級 電氣 學生姓名 學生學號 指導(dǎo)教師 2012年 7 月 18 日東北石油大學課程設(shè)計任務(wù)書課程 電氣工程課程設(shè)計 題目 基于TMS320F2812的無刷直流電機控制系統(tǒng) 專業(yè)電氣工程及其自動化姓名學號主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等主要內(nèi)容：設(shè)計一個電動汽車無刷直流電機控制系統(tǒng)?；疽螅簾o刷直流電機選用的為內(nèi)置位置檢測傳感器，控制系統(tǒng)核心為TI的DSPTMS320F2812。無刷直流電機位置傳感器獲得的信號通過光耦隔離后送入D

2、SP。DSP通過SCI接口與上位PC機相接，上位機控制電機轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)。系統(tǒng)采用閉環(huán)增量式PID控制，速度檢測由位置檢測傳感器獲得參考資料：1高翠云.李岳民.通用低頻測試系統(tǒng)軟硬件平臺及可測試性研究J.北京:中國儀儀表.2007 2蘇奎峰等編著.TMS320F2812原理與開發(fā)M.北京:電子工業(yè)出版社.20053Texas Instruments , TMS320F281x ADC Calibration Reference Guide (Rev.A).20044TPS3307-18.datasheetZ,20055 彭超,基于DSP 的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究.吉林大學，2009完成期限 20

3、12.7.10至2012.7.18 指導(dǎo)教師專業(yè)負責人2012年 7 月 9 日目錄1、設(shè)計簡介12、系統(tǒng)設(shè)計方案13、無刷直流電機的 MATLAB 仿真23.1穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計算23.2有靜差的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)43.3反饋控制調(diào)速系統(tǒng)的主要部件和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算63.4建模仿真參數(shù)的設(shè)定63.5 PID參數(shù)設(shè)定74、 無刷直流電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計74.1 DSP模塊74.2調(diào)速技術(shù)74.3系統(tǒng)的軟件設(shè)計84.4硬件設(shè)計電路圖（見附錄）84.5驅(qū)動電路85、實驗結(jié)果與分析95.1位置信號檢測95.2 MOSFET控制信號檢測95.3端電壓檢測96、總結(jié)10參考文獻111、設(shè)計簡介設(shè)計一個電動汽車無刷直流

4、電機控制系統(tǒng)。無刷直流電機選用的為內(nèi)置位置檢測傳感器，三相八極星形繞組接線，電壓24v,功率52w。控制系統(tǒng)核心為TI的DSPTMS320F2812，產(chǎn)生6路PWM波控制信號送入驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊由IR的IR2130芯片構(gòu)成，驅(qū)動芯片接收到控制信號后，驅(qū)動三相全橋電路，全橋電路采用集成塊FB4710。無刷直流電機位置傳感器獲得的信號通過光耦隔離后送入DSP。DSP通過SCI接口與上位PC機相接，上位機控制電機轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)。系統(tǒng)采用閉環(huán)增量式PID控制，速度檢測由位置檢測傳感器獲得。2、系統(tǒng)設(shè)計方案該系統(tǒng)設(shè)計采用三相Y型永磁方波無刷電機PWM控制方案，通電方式為兩兩通電。圖1給出控制系統(tǒng)原理框圖

5、。它采用全數(shù)字三閉環(huán)控制。其中，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PID控制算法，它的輸出極性決定了正反轉(zhuǎn)方向，從而可實現(xiàn)電機的四象限運行。位置環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器。逆變器采用全橋型PWM調(diào)制?？刂葡到y(tǒng)原理框圖圖2為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。無刷直流電機控制器由DSP模塊、驅(qū)動器模塊、功率變換模塊、位置傳感器模塊、電源模塊和上位機組成。本設(shè)計中使用DSP的六路PWM發(fā)生器和CAP捕獲單元，選用TI公司的TMS320F2812，在與上位機通信時使用SCI接口，驅(qū)動模塊采用IR公司的IR2130高性能三相橋式驅(qū)動器?？奢敵?路驅(qū)動信號，擁有完善的保護功能，IR2130可在不高于600V的電路

6、中工作，輸出的上橋臂驅(qū)動電流峰值為250mA，下橋臂驅(qū)圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖動電流峰值為500mA。功率變換電路采用6個MOSFET構(gòu)成三相全橋電路，MOSFET采用IR公司的N溝道MOSFET FB4710，其最大電壓為100v，電流75A。電機采用的是42BLF02,電源使用的HH1713 雙路直流穩(wěn)壓電源電壓范圍為（0V-30V）。3、無刷直流電機的 MATLAB 仿真本課程設(shè)計選用MATLAB進行仿真模擬設(shè)計，其中SIMULINK電力系統(tǒng)工具箱是以SIMULINK為運行環(huán)境，涵蓋了電路、電力電子、電氣系統(tǒng)等電工學中常用的基本元件和系統(tǒng)仿真模型。他有以下的模塊庫組成：電源模塊Electri

7、c Source、基本元件庫Elements、電力電子模塊庫Power Electronic、電機模塊庫Machines、連接模塊庫Connects、測量模塊庫Measurements、一個附加模塊庫Extra Lib。可利用以上幾個模塊中的元件為基礎(chǔ)，搭建單閉環(huán)直流調(diào)速模型。3.1穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計算    根據(jù)已知數(shù)據(jù)計算靜態(tài)參數(shù)系統(tǒng)為滿足調(diào)速范圍和靜差率的要求，則必須組成轉(zhuǎn)速閉環(huán)，并設(shè)置放大器。所以閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算主要是計算檢測環(huán)節(jié)和運算放大器的有關(guān)參數(shù)。    了滿足靜態(tài)調(diào)速指標要求，額定負載時調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降應(yīng)為 

8、          根據(jù)靜態(tài)速降，計算系統(tǒng)的開環(huán)放K 計算測速反饋系數(shù) 及有關(guān)參數(shù)    測速反饋電壓,其中測速反饋系數(shù) 。為電位器RP2的分壓系數(shù)。Cetg為測速發(fā)電機的電勢系數(shù)。    從測速發(fā)電機數(shù)據(jù)可知     試取分壓系數(shù)，如果測速發(fā)電機與主電動機直接傳動，這樣電動機最高轉(zhuǎn)速1500r/min下反饋電壓為一般最大給定電壓約10V左右，本系統(tǒng)選用直流穩(wěn)壓電源為±15V，

9、可以滿足要求，分壓系數(shù)試取合適，于是測速反饋系數(shù)為電位器RP2的選擇方法如下：考慮測速發(fā)電機輸出最高電壓時，其電流約為額定值的20%，這樣，測速機電樞電壓降對檢測信號的線性度影響較小，于是此時RP2所消耗的功率為：為使電位器溫度不要很高，實選瓦數(shù)應(yīng)為消耗功率的一倍以上，故選RP2為10W，2.2k可調(diào)電位器。    晶閘管整流與觸發(fā)裝置放大系數(shù)Ks  計算：可近似取為計算運算放大器的放大系數(shù)和參數(shù)   實取 Kp =12，工程上一般取R0=20k或40 k，若R0=20k則3.2有靜差的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)以下用自動控制

10、理論中的反饋控制原理改善系統(tǒng)的性能。利用此原理,需要在電機軸上安裝一測速發(fā)電機 TG,其輸出電壓U 與轉(zhuǎn)速成正比,把U 作為負反饋電壓與轉(zhuǎn)速給定電壓 U 相比較,構(gòu)成了速度負反饋調(diào)速系統(tǒng)如圖 1 (a) 所示。因為采用了速度負反饋,所以可以提高運行的穩(wěn)態(tài)精度。根據(jù)自動控制原理,推導(dǎo)出如圖 1 (b) 所示的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。其閉環(huán)特性為: n=KNKSUn/Ce(1+k)-PId/Ce(1+k)=n0-n。其中: K = Kp Kx/Ce 為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù); n 為理想轉(zhuǎn)速。速度負反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如果斷開反饋回路,可以得到系統(tǒng)的開環(huán)機械特性n=KpKsUn/Ce-(Rid/Ce

11、)=n0-n (2) 以下對開環(huán)特性和閉環(huán)特性進行比較:開環(huán) 轉(zhuǎn) 速 降:n=Rid/Ce, 閉 環(huán) 轉(zhuǎn) 速 降:n=Rid/Ce(1+k), 二者的關(guān)系是:n=n/(1+K), 可以看出閉環(huán)系統(tǒng)的特性要硬的多。開環(huán)的靜差率: s=n/n0 閉環(huán)的靜差率: s =n/n0；閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小的多。當靜差率相等時,閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍也大大提高。如果取 nmax 為理想空載轉(zhuǎn)速,則開環(huán)時：D= n/n(1-s); 閉時環(huán):D = n0s/n(1-s).當s=s，則D=(1+K)D可以看出閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能要比開環(huán)系統(tǒng)高的多,而閉環(huán)系統(tǒng)有高的穩(wěn)態(tài)性能的前提是閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù) K要足夠大。如前

12、所提的高精度系統(tǒng),要滿足 D = 20, S 5% 的要求,則轉(zhuǎn)速降需要在 n = 112.4 r/min以下,所以系統(tǒng)的開放放大系數(shù)必須滿足 K n/n-1=42雖然單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有較好的穩(wěn)態(tài)性能,但仍然存在穩(wěn)態(tài)速差,其穩(wěn)態(tài)速差為: n =RId/Ce(1+k) 。只有當 K = 時,才能使速差 n = 0,這是不可能實現(xiàn)的。所以該調(diào)速系統(tǒng)稱為有靜差調(diào)速系統(tǒng)。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖在有靜差調(diào)速系統(tǒng)中, K越大,系統(tǒng)的穩(wěn)定性就越好,穩(wěn)態(tài)速差也就越小。但是 K太大時,會影響系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)動性, 圖 2是系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖,根據(jù)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以得到系統(tǒng)的傳(S) : （3） 系統(tǒng)的特征方程： （4）

13、根據(jù)勞斯 - 吉樂維茨判斷,該系統(tǒng)動態(tài)的穩(wěn)定條件為:可以看出為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度而增加開環(huán)的放大系數(shù),有可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。在該調(diào)速系統(tǒng)中,系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)穩(wěn)定性是一對矛盾。對一個自動控制系統(tǒng)來說,系統(tǒng)的穩(wěn)定性是正常工作的首要條件,必須得到保證。所以該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度不會太高,這是系統(tǒng)面臨的第一個問題。系統(tǒng)面臨的第二個問題:直流電機起動時,由于反饋電壓 U = 0,直流電機處于全壓起動狀態(tài),此時電機電流過大,會影響安全運行。要解決這個問題,需要對系統(tǒng)進行改進。3.3反饋控制調(diào)速系統(tǒng)的主要部件和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算運算放大器：運算放大器用作比例放大器（也稱比例調(diào)節(jié)器、P調(diào)節(jié)器）時，注意比例調(diào)節(jié)器的

14、輸出電壓與輸入電壓成反比。其輸出量能立即響應(yīng)輸入量的變化。當放大器上需要綜合好幾個信號時,可以用并聯(lián)輸入的方法來實現(xiàn)，當和Ux的極性相反時，由于A電的，可得令，則得 它的意義是：放大系數(shù)只按給定輸入回路的電阻計算，其它信號則應(yīng)按輸入回路電阻比折合到給定回路上。 晶閘管整流與觸發(fā)裝置：。若初步估算，即在條件下，用兩個量的設(shè)計最大值估算，即。也可估算，例如，當Uct的調(diào)節(jié)范圍是010V，對應(yīng)的變化范圍是0220V時，可取3.4建模仿真參數(shù)的設(shè)定電機定子相繞組電阻R2.8750定子相繞組自感與自感之差L-M0.02 轉(zhuǎn)動慣量J0.005kg·m2 阻尼系數(shù)B=0.000

15、2N·m·s/rad 額定轉(zhuǎn)速n1000r/min 直流電源供電電壓為220V 4、設(shè)計方案的設(shè)定3.5PID參數(shù)設(shè)定比例系數(shù) Kp=3積分系數(shù)Ki=0.02微分系數(shù)Kd=04、 無刷直流電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計無刷直流電機控制中存在的轉(zhuǎn)矩脈動問題，一直是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵問題之一。引起轉(zhuǎn)矩脈動的因數(shù)主要有三個方面：電勢、電流波形的影響，定子繞組換流引起 的轉(zhuǎn)矩脈動，以及齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動。由于現(xiàn)在的DSP集成了大量的外設(shè)，可以更方便實現(xiàn)更多的功能，充分利用數(shù)字信號處理器DSP的高速數(shù)字運算功能，控制策略可嘗試采用其它智能策略，諸如模糊與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合、遺傳算法與模糊推理神經(jīng)

16、網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方案，實 現(xiàn)系統(tǒng)的控制模式更加靈活多樣。無位置傳感器技術(shù)是當前無刷直流電機控制的趨勢。應(yīng)用反電勢過零點法進行 無位置傳感器的控制方案，具有一定的可行性和很大的實用性。4.1 DSP模塊 DSP選用TI公司的TMS320F2812，采用的是合肥零零電子生產(chǎn)的開發(fā)板。本設(shè)計中使用DSP的六路PWM發(fā)生器和CAP捕獲單元，在與上位機通信時使用SCI接口。4.2調(diào)速技術(shù)本系統(tǒng)通過PWM調(diào)速方式，通過控制開關(guān)管的PWM觸發(fā)信號來改變占空比，從而改變端電壓U來實現(xiàn)對無刷直流電機的調(diào)速。PWM技術(shù)主要有兩種：單極性PWM控制和雙極性PWM控制。圖1所示為單極性PWM控制的控制信號，六個開關(guān)管分別

17、在60。電角度的區(qū)域內(nèi)處于導(dǎo)通狀態(tài)，另一個開關(guān)管處于PWM狀態(tài)；圖2所示為雙極性PWM控制的控制信號，兩個工作的開關(guān)管在每個60。電角度區(qū)域內(nèi)或者導(dǎo)通或者關(guān)斷。通常情況下，為了減小電流脈動和開關(guān)管的損耗，電機控制系統(tǒng)都采用單極性的PWM控制技術(shù)4.3系統(tǒng)的軟件設(shè)計軟件設(shè)計采用CCS3.3調(diào)試仿真軟件進行開發(fā)調(diào)試。本設(shè)計使用C語言編程，程序模塊具體分為六大部分： 主程序及初始化程序位置檢測、轉(zhuǎn)向檢測程序PID算法程序定時測速子程序捕獲中斷子程串口接收中斷子程序4.4硬件設(shè)計電路圖（見附錄）4.5驅(qū)動電路驅(qū)動模塊采用IR公司的IR2130。IR2130是高性能三相橋式驅(qū)動器?？奢敵?路驅(qū)動信號，擁

18、有完善的保護功能，IR2130可在不高于600V的電路中工作，輸出的上橋臂驅(qū)動電流峰值為250mA，下橋臂驅(qū)動電流峰值為500mA。下圖為IR2130驅(qū)動電路示意圖。IR2130驅(qū)動電路示意圖5、實驗結(jié)果與分析5.1位置信號檢測 電機轉(zhuǎn)子位置信號的正確檢測，是無刷直流電機正常工作的基礎(chǔ)。5.2 MOSFET控制信號檢測 通過觀察控制信號的波形，判斷控制是否正確。5.3端電壓檢測 本部分對電機端電壓、端電壓與位置信號的對應(yīng)以及端電壓與控制信號的對應(yīng)進行測試，以驗證驅(qū)動過程中換相的正確性HALL信號圖DSP輸出PWM波上三管圖 DSP輸出PWM波下三管圖6、總結(jié) 采用TMS320F281

19、2為核心設(shè)計的數(shù)字伺服系統(tǒng)，解決了伺服系統(tǒng)中PWM信號的生成、電機速度反饋及電機電流反饋問題，方便地實現(xiàn)了保護功能，極大地簡化了系統(tǒng)硬件設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可靠性，減小了伺服系統(tǒng)的體積。降低了成本(降低約20)。通過各路觀察HALL信號和PWM波得波形圖，得出電路的軟硬件都沒有問題，可以正常工作，實驗結(jié)果驗證了該方法的有效性。參考文獻1高翠云.李岳民.通用低頻測試系統(tǒng)軟硬件平臺及可測試性研究J.北京:中國儀儀表.2007 2蘇奎峰等編著.TMS320F2812原理與開發(fā)M.北京:電子工業(yè)出版社.20053Texas Instruments , TMS320F281x ADC Calibratio