无刷直流电机伺服控制系统的研究与设计概要.docx
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无刷直流电机伺服控制系统的研究与设计概要
机电一体化技 术
无刷直流电机伺服控制系统的
研究与设计
邱向荣,陈炽坤
(华南理工大学,广东广州510640
ResearchandDesignofBrushlessDCMotorServoControlSystem
QIUXiangrong,CHENChikun
(SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China
摘要:
介绍了一种基于DSP的无刷直流电机伺服控制系统,简述了实现该控制系统的软件和硬件设计方案及控制策略。
实验证明,系统高速范围宽,控制性能好,该方案是行之有效的。
关键词:
无刷直流电机;DSP;伺服控制系统中图分类号:
TP391.73文献标识码:
A
文章编号:
10012257(200508002802收稿日期:
20050401
Abstract:
ThispaperpresentsbushlessDCmo2torservocontrolsystembasedonDSP,thenmakesabriefaboutcontrolstrategyanddesignschemeofsoftwareandhardwarethatrealizesthiscontrolsystem.Itisprovedbyexperimentthatsystemhaswidehighspeedrangeandgoodcontrolproperty,soitiseffective.
Keywords:
BLDCM;DSP;servocontrolsystem
0 引言
无刷直流电机具有简单的电压和电流关系式,控制算法和功率放大器都比较简单,同时具有运行效率高和调速性能好等诸多优点。
此外,借助于霍尔元件实现换相的无刷直流电机又避免了直流电机因电刷而引起的各种缺陷。
其机械特性和调节特性线性度好,高速范围宽,寿命长,维护方便,可靠性高,噪声较小,不存在换向火花,不会产生对无线电信号的干扰。
因此,在高性能、高精度伺服控制系统领域,无刷直流电机具有广泛的应用前景。
1 控制原理
无刷直流电机的本体是一个永磁同步电机,定
子三相绕组通过交流方波,转子为永磁体。
励磁由转子的永磁体提供,定子的三相绕组中的交流电产生旋转磁场。
电枢磁势和转子磁势共同作用产生电磁转矩。
其运行原理是在一个具有恒定磁通密度分布的磁极下,保证电枢绕组中通过的电流总量恒定,以产生恒定转矩,而且转矩只与电枢电流的大小有关。
由于转子的气隙磁通为梯型波,由电机学原理可知,电枢的感应电动势亦为梯形波,大小与转子磁通和转速成正比。
BLDC电机三相电枢绕组的每相电流为120°通电型的交流方波,反电动势为120°梯形波。
只要控制好逆变器各桥臂功率器件的开关时刻就能满足上述要求。
BLDC三相绕组主回路基本类型有三相半控和三相全控2种。
在此采用三相全控式电路,如图1所示。
图1 三相全控式电路
2 控制系统软硬件设计
2.1 硬件结构设计
设计采用基于DSP的伺服控制系统。
系统所
采用的TMS320LF240x芯片包含有32K的FlashEEPROM,把具有低成本、高性能处理能力的C2XLP内核CPU的增强型体系结构设计,与适合于电机控制应用的先进外围设备结合在一起,从而
・
82・《机械与电子》2005(8
最适合于数字电机控制应用[1]。
DSP芯片根据系统外设输入的模拟和数字信号,通过运算处理得出电机所需输出的转矩。
DSP通过调节PWM波形占空比来达到对电机输出转矩控制的目的。
其控制电路如图2所示。
在设计过程
图2 硬件电路
中,应考虑对输入信号进行采样与滤波,以抑制某一频率防止干扰信号,使得DSP能接收到精确的输入指令信号。
同时,由于电机在运转过程中会使得电路出现过流、过压和欠压等故障,而导致电路中元器件的损坏。
这时,一些保护措施是必不可少的。
电路中速度、位置和电流反馈提高的控制过程精度,是实现直流无刷电机高精度控制的必要环节。
根据无刷直流电机控制原理,功率放大驱动环节采用IR2130三相全控桥功率芯片,经过处理后PWM信号通过DSP的PWM输出端,PWM1,PWM2,PWM3,PWM4,PWM5,PWM6到IR2130,
从而驱动无刷直流电机。
电流反馈环节采用电阻作为电流传感器,将其安放在电源对地端,实现电流反馈。
电流反馈输出经滤波放大电路连接到DSP的ADC输入端AD2CIN00,在每一个PWM周期都对电流进行1次采
样,以速度(PWM占空比进行控制。
位置检测环节采用3个霍尔传感器。
每1个霍尔传感器都产生180°脉宽的输出信号。
3个霍尔传感器的输出信号互差120°相位差。
在每个机械转中共有6个上升或下降沿,正好对应无刷直流电机的6个换相时刻。
通过DSP中CAP1/IPOA1,CAP2/IPOA2,CAP3/IPOA3输入,触发DSP捕捉
中断功能从而获得这6个时刻。
2.2 控制方案
直流无刷电机的反电动势大小可表示为如下等式[2]:
E=2NlrBω
力矩等式可表示为[2]:
T=(12i2dLdθ-(12B2dRdθ+(4N
πBrlπi式中 N
每相线圈圈数
l转子的长度 r转子内半径
B转子的磁场密度
ω电机的角速度
i相电流
L相电感
θ转子位置
R相电阻
力矩表达式中前2项是寄生的磁阻转矩因子
第3项产生相互转矩,此转矩产生直流无刷电机的有效转矩。
由上述关系式确定直流无刷电机的控制方案,如图3所示。
图3 控制原理
在控制方案中,某一时刻,电机的三相中只有两
相通过电流,从而产生力矩,在反电动势过零点则不产生力矩。
这种控制结构具有只需1个电流传感器,使用低成本的分流电阻,且每一时刻只需要控制一个电流的优点。
控制方案有3个控制环路:
最内部的1个环路获得转子的位置从而正确进行换相;第2个控制环路调节定子磁场的大小,定子磁场的大小正比于流过定子线圈的电流,控制定子线圈的电流即可控制定子磁场的大小;最外部的环路是速度控制环路。
2.3 控制系统的软件结构
整个控制系统软件由主程序和中断服务子程序所组成。
主程序主要完成事件管理系统的初始化、变量的初始化以及IR2130器件的初始化。
中断程序主要包括捕获中断、ADC转换结束的中断等几个部分。
捕获中断、ADC转换中断的流程如图4所示。
・
92・《机械与电子》2005(8
图4 程序流程
3 结束语
基于DSP的无刷直流电机控制系统的软硬件设计方案和控制策略,满足了对直流无刷电机的输出转矩和转速控制,实践证明,以TMS320LF240x芯片为核心的控制系统能实时、有效地控制电机的运转。
参考文献:
[1] 刘和平,等.TMS320LF240XDSP结构、原理及应用
[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2002.
[2] TexasInstrumentsInc.DSPsolutionsforBLDCmotor
[Z].LiteratureNumber:
BPRA057,1997.
作者简介:
邱向荣 (1976-,男,福建漳州人,华南理工大学
机械工程学院硕士研究生,研究方向为机械设计及理论。
基于MCS51单片机的功率闭环控制单元的设计
李代金,党建军,罗 凯,赵彩科(西北工业大学,陕西西安,710072
DesignofPowerClosedLoopControlUnitBasedonMCS51Microcontroller
LIDaijin,DANGJian
jun,LUOKai,ZHAOCai
ke
(NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China
摘要:
介绍一种由MCS51单片机构成的功率
闭环控制单元。
对功率控制系统的工作原理、控制系统硬件设计、系统控制软件及中断处理软件设计进行了详细介绍。
数字试验台试验证明该系统具有良好的实用性和可靠性。
关键词:
功率闭环控制;水下热动力推进系统;MCS51单片机8032
中图分类号:
TP273文献标识码:
A
文章编号:
10012257(200508003003
收稿日期:
20050330
Abstract:
Apowerclosedloopcontrolunitu2singMCS51microcontrollerisdevelopedinthispa2per.Thispaperelaboratesonthesystemprinciple,controllingsystem,whichincludethehardwareandsoftwaredesign.Thedependabilityandpracticabili2tyofthehydraulictest
bedwasprovedbytest.
Keywords:
powerclosedloopcontrol;under2waterheatenginepropellersystem;MCS51micro2controller8032
0 引言
目前对于水下热动力系统的控制方式多属于开环形式,仅使用压力调节阀或流量调节阀对于航深进行补偿[1],已不能满足高航速、远航程、大航深以及优良的机动性能要求。
因此,水下热动力推进系统闭环控制研究是目前研究的焦点和核心,也是未来水下动力推进系统发展的方向。
1 系统工作原理
某水下热动力推进系统闭环控制系统工作原理如图1所示。
控制方案的基本工作过程是微机功率控制单元,以上位机指令转速为期望转速,以系统转速为反馈信号,输出控泵电压控制变量泵排量,以达到控制转速目的,变量泵的输出流量直接供入燃烧・
03・《机械与电子》2005(8
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- 直流电机 伺服 控制系统 研究 设计 概要
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