基于DSP无位置传感器无刷直流电机控制系统研究毕业论文文档格式.docx
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摘要
无位置传感器无刷直流电机凭借其简单的结构、较高的运行效率、良好的调速性能及避免了位置传感器给系统带来的种种弊端等一系列优点,广泛应用于军事、民用领域,特别是配合TI的电机控制芯片DSP2812及其驱动技术,使得无位置传感器无刷直流电机能够达到较高的控制精度。
本文主要对无位置传感器无刷直流电机控制系统中的若干问题做了研究,主要内容包括:
首先,本文介绍了几种无位置传感器无刷直流电机常用的位置检测手段,重点分析了利用电机绕组端电压实现电机转子位置估测的方法,并对该方法中所用到的换相延迟时间算法进行了稳定性分析。
其次,本文设计了以DSP2812为核心,由功率驱动电路、电源电路、外部存储器电路、I/O接口驱动电路、外扩液晶显示屏电路及反电动势采样电路等组成的系统硬件电路,重点分析了各部分电路的设计理念、芯片选取及时序匹配问题。
再次,本文选取地铁屏蔽门作为电机负载,参考实际屏蔽门门机系统得出课题中所需电机的电气参数,分析并采用S型曲线拟合出电机的理想加速曲线。
此外,为了改善电机的换相转矩脉动,本文从调制方式和电流调节两方面详细分析了改善转矩脉动的方法,并给出了相关软件算法的程序流程图。
最后,本文给出了系统实验的波形和结果,并对波形进行了比较分析。
实验证明,所设计的软硬件系统能够实现无位置传感器条件下电机的加速、状态切换及基于电机绕组端电压检测法的无刷直流电机双闭环控制。
关键词:
无传感器,无刷直流电机,控制系统,反电动势检测
ResearchonSensorlessControlSystemofBLDCMBasedonTMS320F2812
Abstract
ThesensorlessBLDCMiswidelyusedinmilitaryandcivilianfieldswithitssimplestructure,highoperatingefficiency,goodspeedperformanceandsomeadvantageswithoutpositionsensor.EspeciallywiththedevelopmentofcurrentmainstreammotorcontrolchipDSP2812anditsdrivetechnology,thesensorlessBLDCMcanachieveincreasinglyhighcontrolaccuracy.ThispaperstudiedonsensorlessBLDCMcontrolsystemandmainlyincludes:
Firstly,somecommonpositiondetectionmeansusinginsensorlessBLDCMareintroducedinthispaper.Amongthesepositiondetectionmeans,theterminalvoltagedetectionmethodisdetailedanalyzedandthestabilityofthecommutationtimealgorithmusinginterminalvoltagedetectionisanalyzed.
Then,basedontheTMS320F2812,thehardwarecircuitsofpowerdrive,powersupply,externalmemory,I/Ointerfacedriver,externalexpansionLCDandterminalvoltagedetectioncircuitaredesigned.Inaddition,thedesignconceptofeachpart,thechipselectionandtimingmatchingareelaborated.
Furthermore,selectingmetroplatformscreendoorsasloadandreferringtoitsactualdoorsystem,theelectricalparametersofmotorisgiven.ThenanidealaccelerationcurveisfittedaccordingtotheS-shapedcurve.
Besides,inordertoimprovemotortorqueripple,thetorquecontrolmethodsbasedonmodulationschemesandcurrentregulationareanalyzedandsomerelatedflowchartsaregiven.
Lastly,thewaveformandresultsofthesystemexperimentareexpoundedinthispaper.TheexperimentsshowthatthedesignofthehardwareandsoftwaresystemapplyinginsensorlessBLDCMcanrealizetheacceleration,stateswitchinganddouble-loopcontrolofmotorbasedonterminalvoltagedetection.
KeyWords:
sensorless,BLDCM,controlsystem,back-EMFdetection
目录
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
1.1课题研究的背景和意义1
1.2无刷直流电机的研究动态2
1.3无刷直流电机在地铁屏蔽门系统中的应用现状5
1.4本文的主要内容和结构安排6
第二章无刷直流电动机的工作原理8
2.1无刷直流电机的工作原理8
2.2无刷直流电机的数学模型10
2.3无位置传感器常用检测法介绍12
2.4端电压检测法分析15
2.5本章小结18
第三章控制系统硬件设计19
3.1主控芯片DSP概述19
3.2驱动电路硬件设计20
3.3控制系统的硬件设计22
3.3.1控制部分电源电路设计22
3.3.2外部数据存储电路设计23
3.3.3接口驱动电路设计24
3.3.4液晶显示电路设计26
3.3.5反电动势检测电路设计27
3.4本章小结28
第四章负载理论分析及软件算法设计29
4.1电机的选型29
4.2电机加速曲线的拟合31
4.3换相转矩脉动的抑制32
4.4DSP软件算法设计33
4.4.1启动子程序34
4.4.2PWM调节及换相子程序35
4.4.3转速PI子程序37
4.4.4AD采样子程序38
4.4.5电流跟踪调节子程序40
4.5本章小结41
第五章实验结果与分析42
5.1实验系统硬件平台42
5.1.1系统实验平台42
5.1.2控制电路与驱动电路42
5.1.3控制电路与反馈电路43
5.2实验波形分析44
5.2.1端电压波形44
5.2.2端电压与反电动势过零点信号波形46
5.2.3电机相电流波形47
5.2.4电机转速波形48
5.3本章小结49
第六章结论50
参考文献52
在学研究成果55
致谢56
第一章绪论
1.1课题研究的背景和意义
传统的直流电动机具有相对较好的调速性能及效率高等特点,使得其在电气传动领域中获得过较为广泛的应用。
但是人们通过长期的实践发现,由于传统直流电机中采用了电刷及机械换相装置,使得传统直流电机的制造相对复杂,成本高,维护困难,并且在其工作过程中碳刷与换相片之间的摩擦将产生电火花、噪音和电磁干扰等问题。
这些问题的存在,约束了传统直流电动机的发展与应用。
长时间以来,人们一直在努力克服电刷及机械换相装置对直流电机工作的影响,并试图寻找既能继承直流电机效率高、调速好等优点,又能避免受电刷影响的非机械换相的直流电动机结构[1-5]。
美国的Harrison和Rye为了避免电刷和机械换相装置所带来的不足,设计了一种晶体管换相装置,并在1955年首次成功申请专利,为无刷直流电机的应用奠定了基础[6]。
为了保证电机的可靠启动,带有离心装置的换相器被引入实验室,同时人们还尝试了在定子上安装辅助磁钢的方法。
经过实验室反复试验,采用电子换相的直流电机终于在借助霍尔元件的条件下实现了转子位置检测,无刷直流电机进入实用性阶段。
国际上对无刷直流电机进行深入的研究,先后研制出无刷直流电机和永磁同步电机,前者的内部气隙磁场为方波而后者的内部气隙磁场为正弦波[7],本文的研究对象是方波型永磁无刷直流电机,也简称为无刷直流电机。
与感应电机相比,无刷直流电机由于采用高性能的永磁材料,减小了电机转子的体积,有效降低了电机的惯性,提高响应速度及转矩/惯量比,因为无需定子励磁电流分量,所以无刷直流电机具有较高的功率密度。
与永磁同步电机相比,无刷直流电机采用方波进行驱动,增加了同等条件下的输出转矩;
无刷直流电机结构相对简单,并且对相应的控制器及传感器要求相对较低,降低了成本。
与有刷直流电机相比,无刷直流电机使用电力电子器件替代机械换相器件,增加了系统的可靠性及控制灵活性,同时降低了系统的维修次数及电磁干扰。
与传统的无刷直流电机驱动系统相比,由于去除了安装在定子上的位置传感器,使得无位置传感器无刷直流电机不仅降低了系统的成本、尺寸和维护难度,而且由传感器所导致的在某些场合的使用限制也将得以解决。
将无位置无刷直流电机应用于屏蔽门驱动中不仅减小了电机的尺寸和空间,降低了控制系统结构的复杂性,还能避免因传感器故障而导致的不稳定因素。
因此,对无传感器无刷直流电机的控制系统进行系统、深入的研究具有十分重要的理论和现实意义。
1.2无刷直流电机的研究动态
目前,应用于无刷直流电机的一般控制技术已经相对成熟,国外发达国家与国内相比对无刷直流电机的研究内容基本一致。
当前的研究热点主要集中在以下三个方面:
(1)无位置传感器控制技术的研究
由于无刷直流电机中位置传感器常常会受到环境因素的影响,传感器的好坏直接限制了无刷直流电机的应用。
因此,无位置传感器控制技术当前越来越受到重视,尤其是随着检测手段、控制技术的发展及控制芯片性能的提高,无传感器控制技术也得到了迅速发展,部分技术已经实用化。
20世纪80年代末,在无传感器条件下有关于电机转子位置检测技术的发展呈现出多元化。
1989年,Lin等提出了利用相电流来检测转子位置的方法[8],该方法是基于相电流与定子磁链相位相同的原理,利用相电流的变化反应无刷直流电机转子的位置。
1990年,Ogasawara利用无刷直流电机两两导通工作方式中始终有一相电机绕组处于断开状态的特点,希望通过检测逆变桥上6个反向续流二极管的导通状态从而获知6个功率管的开关顺序,并提出了续流二极管法[9]。
1992年,Matsui希望利用电机运行过程中电流、电压与转子间的相互关系,根据他们的瞬时方程实现电机转子位置的检测[10]。
1994年,Ertugrul基于电机定子磁链的大小会随着电机转子位置变化而不同的理论,提出了根据磁链估算出转子的位置信号,由于定子各相绕组的磁链需要通过对相电压和线电流信号进行采样计算,所以该方法计算量比较大,对控制芯片的性能要求高,但是控制精度较好、调速范围广[11]。
同期,利用状态观测器和卡尔曼滤波法来检测电机转子位置的方法被提出[12]。
由于这种方法计算量过大,受到当时硬件条件的限制,没能引起人们足够的重视。
近几年来,随着数据处理芯片的高度集成化和运算速度的提高,卡尔曼滤波法已获得了较大的突破,且已应用到实际的电机控制系统中[13-15]。
端电压法是指检测电机各相绕组与电机中点之间的电压,该电压的变化可以间接反映转子的相对位置。
其实引起绕组端电压变化的原因实际上就是转子位置改变而引起的绕组自身反电势的变化,因此它也是反电势法的一种变化形式。
不过“端电压法”较传统的反电势法具有更加简单的外围电路,从而更加实用[16]。
变电机结构法是指从电机的机械结构入手,通过适当改动电机转子或定子结构,利用内部磁场气隙的变化实现电机的无位置传感器控制。
如添加一个短路的转子绕组在表面粘贴式转子无刷直流电机中来获取电机转子位置信号[17],或在转子表面安装非磁性材料,通过检测材料涡流反映造成的断开相电压变化来获得转子的位置信号[18]。
Matsuse等则从电机定子侧出发设计闭口槽型式电机来获取转子位置信号[19]。
随着控制理论及技术的发展,在无位置传感器无刷直流电机控制系统中引入智能控制算法已经成为一种新的趋势。
其中将电机的电压、电流信号和转子位置信号之间的相互关系建立在Fuzzy-PID控制和神经网络控制等智能算法的基础上是无位置传感器检测技术的新趋势,其控制精度较高[20-22]。
但是由于其复杂算法对硬件的要求较高,因此控制成本也相对较大。
对于无位置传感器无刷直流电机控制而言采用一种稳定有效的启动方式始终是该领域研究的热点和难点。
当电机处于静止或低速运行时,转子的位置通常都是未知的,为了能让电机工作,需要控制系统采用开环的方式将电机加速以完成电机的启动过程,目前比较成熟的启动方式是“三段式”启动法,即预定位-加速-切换三个阶段。
(2)换相转矩波动抑制研究
无刷直流电机通常采用电子换相原理,通过开关管频繁改变电机相电流的走向实现电机的持续运转。
由于电机绕组存在内部电感,因此在电机绕组上频繁变化的电流通常不能为理想的方波,这就必然会引起电机电磁转矩的波动,通常称该原因导致的电磁转矩波动为换相转矩波动。
如何有效改善换相转矩波动也是无刷直流电机研究领域的一项重要内容。
国外学者提出转矩波动抑制的方法主要有:
利用信号处理理论将电机的相电压和相电流进行傅里叶级数分解以得出高次谐波分量,并根据高次谐波分量的大小调节绕组的导通角,达到补偿谐波并消除转矩脉动的目的[23-24],这种方法控制效果好,但是计算比较复杂。
为了保证回路中总电流的幅值不变,有人提出了重叠换相法。
该方法是针对换相时非换相相电流的下降,按照换相时序提前导通下一换相周期的功率开关,使换相时刻瞬间电机存在三相绕组同时导通[25]。
定子谐波电流的最优权重法主要是借助于电流调节器等装置改善电磁转矩及齿槽转矩引起的转矩波动[26]。
1997年,Lim等提出通过调节电压型逆变器关断角来抑制电机换相转矩波动的方法,该方法既适用于定频、定压系统,也适合变频、变压系统[27]。
近年来,有学者提出对无刷直流电机的转矩进行直接控制[28],以及通过动态改变输入电压的方法实现转矩波动的抑制[29]。
国内相关学者也对无刷直流电机的转矩波动进行了大量的研究。
张志忠提出利用转矩观测器间接测量转矩的方法,将反电势、相电流、电机转速看作输入信号,转矩作为输出信号构成转矩观测器,实现在线估计转矩的大小与变化,针对不同工况下的转矩波动作相应的补偿,这种方法虽然计算复杂,但能转矩控制的时效性较好,能够抑制多种因素引起的转矩波动,且对电机瞬时转矩的测量不作要求[30]。
夏长亮等提出采用智能算法人工神经网络实现换相转矩波动抑制的方法[31]。
他同时还指出将电机等效为两个非线性系统(转矩子系统和转速子系统)构成串联对象,为了实现对电机的双闭环控制,设计了两个一阶自抗扰控制器并采用扩张状态观测器来观测电机转矩,从而结合跟踪微分器和非线性状态误差反馈控制规律实现对电机转矩波动的抑制[32]。
总而言之,引起无刷直流电机转矩波动的原因非常复杂,我们需要根据不同的场合,不同方法的特点对症下药。
同时,现有的转矩波动研究方法并不能从根本上消除转矩波动,它们只是针对特殊的电机结构或控制方案所设计的一些补偿方法,因此对于转矩波动抑制的研究还有待深入。
(3)无刷直流电机控制器研究
当前,无刷直流电动机的控制器主要分为三类:
专用集成电路(ASIC)控制器、微处理器(MCU)和数字信号处理器(DSP)。
MC33035是MOTOROLA公司生产的一款较为典型的无刷直流电机集成控制芯片,该芯片内部所集成的电路能够实现对三相或四相无刷直流电机控制的基本功能,其外围电路简单,保护、控制功能完善并且易于调试、成本低,广泛应用于某些对电机控制要求、复杂度不
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- 基于 DSP 位置 传感器 直流电机 控制系统 研究 毕业论文