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精品文檔-下載后可編輯基于DSP無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用0引言

眾所周知,直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能好,但存在機(jī)械換向裝置易造成換向火花、電磁干擾及需要定期維護(hù)等不足;同步電動(dòng)機(jī)效率高,功率因數(shù)可調(diào),但存在啟動(dòng)困難,重載時(shí)易振蕩失步等問(wèn)題。

隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和新型永磁材料的不斷發(fā)展,為提出一種利用電子換向原理實(shí)現(xiàn)永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制創(chuàng)造了條件。特別是近幾年推出的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)芯片,解決了原來(lái)微處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,單片微處理速度達(dá)不到實(shí)時(shí)系統(tǒng)控制的要求,為無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的復(fù)雜算法提供了軟硬件基礎(chǔ)。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

無(wú)刷電動(dòng)機(jī)屬于一種自控同步電動(dòng)機(jī),它主要由DSP電機(jī)專用高速處理器芯片、轉(zhuǎn)子位置傳感器、邏輯驅(qū)動(dòng)電路、功率電子開關(guān)、電流和電壓檢測(cè)等裝置組成。DSP控制的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中,無(wú)刷電動(dòng)機(jī)定子繞組為星形接法;DSP控制芯片ADMCF328驅(qū)動(dòng)專用集成芯片IR2130;逆變橋采用三相橋式電路;轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器利用霍爾元件檢測(cè),并利用位置信號(hào)估算轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速,以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子采用永磁體,產(chǎn)生直軸位置的勵(lì)磁磁場(chǎng),定子為電樞繞組,通過(guò)功率控制器控制各相繞組的通斷狀態(tài)而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。設(shè)計(jì)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如果選擇轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器,當(dāng)電動(dòng)機(jī)定子電樞系統(tǒng)直接由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制。當(dāng)電動(dòng)機(jī)速度降低時(shí),位置檢測(cè)器的輸出信號(hào)頻率也降低,電樞電流頻率及其旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度也隨之降低,但若使電樞磁場(chǎng)與勵(lì)磁磁場(chǎng)的相對(duì)位置仍保持不變,則電動(dòng)機(jī)就不會(huì)失步。同時(shí),由無(wú)刷電動(dòng)機(jī)調(diào)速特性可知,調(diào)節(jié)直流電壓Ud的大小,可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速性能,這與有刷直流電動(dòng)機(jī)有相似的機(jī)械特性。

2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)采用速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制,兩個(gè)反饋環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器都采用PID數(shù)字調(diào)節(jié)器,如圖2所示。計(jì)算電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的目的是為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和計(jì)算出電樞電流的指令值。在直流母線上采集電流調(diào)節(jié)器的采樣信號(hào),采樣信號(hào)與前端值比較計(jì)算后輸出給PWM同步調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器的計(jì)算除了調(diào)節(jié)器設(shè)定的PID參數(shù)KP,kI和kD外,還要設(shè)定PWM周期參數(shù)等。

2.2DSP控制板

DSP控制板由ADI公司生產(chǎn)的專用DSP芯片ADMCF328、硬件控制與恢復(fù)電路等組成。ADM-CF、328芯片具有強(qiáng)大、快速的處理能力,主要完成控制算法的處理、PWM輸出、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、與上位機(jī)通信和輸出顯示等功能。

該芯片只有28個(gè)外部引腳,縮小了控制板尺寸,提高了系統(tǒng)的可靠性,而且具有價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。芯片的內(nèi)部集成了一個(gè)具有反向功能的5倍放大器,用于的電流采樣,實(shí)現(xiàn)電流的閉環(huán)控制。芯片與IR2130驅(qū)動(dòng)電路、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器、鍵盤和計(jì)算機(jī)等外設(shè)備連接,可實(shí)現(xiàn)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)控制和運(yùn)行監(jiān)視。

2.3轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器

轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器是無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的重要組成部分,常用的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器有電磁感應(yīng)式、光電式、霍爾開關(guān)式和接近開關(guān)式。高性能的無(wú)刷電機(jī)位置檢測(cè)器、磁電碼盤和旋轉(zhuǎn)變壓器式,可根據(jù)實(shí)際控制系統(tǒng)的要求予以選擇。

該系統(tǒng)選用霍爾開關(guān)式轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器,具有性價(jià)比高的特點(diǎn)。它的工作原理是:在霍爾元件的輸入端通入控制電流,當(dāng)霍爾元件受到外磁場(chǎng)作用時(shí),輸出端便有了信號(hào)輸出,根據(jù)霍爾元件的控制信號(hào)便可判斷轉(zhuǎn)子磁極的位置。同時(shí)利用定時(shí)器確定相鄰兩次霍爾位置狀態(tài)變化所需的時(shí)間,就可以估算出轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)數(shù)和轉(zhuǎn)向。

3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與上述硬件電路密切相關(guān)。軟件程序設(shè)計(jì)主要包括主程序和中斷服務(wù)子程序。主程序主要完成ADFVCF328的初始化、變量與常量參數(shù)的設(shè)置等。主程序?qū)嶋H上是進(jìn)入一個(gè)查詢過(guò)程,程序不斷查詢電壓狀態(tài)、電流狀態(tài),更新標(biāo)志并調(diào)入換相服務(wù)子程序,給電動(dòng)機(jī)相應(yīng)的定子繞組通電。中斷服務(wù)子程序主要完成ADC轉(zhuǎn)換,測(cè)量電機(jī)定子電流、直流電壓、PID數(shù)字比較運(yùn)算,確定PWM占空比、PMW周期中斷,計(jì)算及更新PWM寄存器的值。軟件程序設(shè)計(jì)還要考慮轉(zhuǎn)子位置傳感器、霍爾元件信號(hào)接口的初始化及功能設(shè)計(jì)、PID數(shù)字反饋系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定等。

由于ADMCF328芯片數(shù)字PIO口以串口多路復(fù)用,因此選擇引腳時(shí)要特別注意。圖3給出了無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中部分主程序和中斷服務(wù)子程序的軟件程序框圖。

DSP芯片軟件編程一般分為兩部分:首先用匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言編寫DSP程序編譯、匯編并鏈接成為可執(zhí)行的DSP程序;然后利用代碼調(diào)試工具對(duì)生成的可執(zhí)行的:DSP程序進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。該控制系統(tǒng)可以根據(jù)軟件程序框圖編寫DSP程序代碼清單。

4結(jié)語(yǔ)

利用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)電機(jī)專用高速芯片ADMCF328、轉(zhuǎn)子位置傳感器、專用集成芯片IR2130、功率電子開關(guān)、電流和電壓檢測(cè)裝置等設(shè)計(jì)的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng),具有效率高,功率因數(shù)可調(diào),啟動(dòng)方便和重載時(shí)不失步等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)刷電動(dòng)機(jī)選用新型永磁材料和DSP電機(jī)專用高速處理器芯片,解決了原來(lái)微處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,單片微處理器速度達(dá)不到實(shí)時(shí)系統(tǒng)控制要求的不足。用Matlab/Simulink軟件對(duì)無(wú)刷電動(dòng)控制系統(tǒng)搭建了仿真模

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