DSP基于DSP无刷直流电动机调速系统的设计.doc

基于DSP无刷直流电动机调速系统的设计 1 无刷直流电动机 本文针对有刷直流电动机存在换向火花、机械换向困难、磨损严重等缺点，提出了采用无刷直流机来代替有刷直流电动机，来提高控制系统的控制质量,本文设计了无刷直流机的数字控制方法。由于DSP具有处理数据量大、实时性好和精度高等优点,所以本文控制器采用的是DSP。此系统的双闭环就是通过DSP软件编程实现的，比起以往的用模拟器件实现的控制系统，其整个系统结构比较简单、控制精度高并且具有很强的灵活性，系统可根据用户的控制要求只需更改设定参数（即指令操作数）就可以实现其控制结果。 本文对无刷直流机的结构和工作原理做了简单的介绍，以为了更好地理解无刷直流机控制系统。虽然用位置传感器检测转子位置的方法比较直接，但位置传感器必须安装在电动机轴上，使电动机更加笨重，并且增加了整个系统的机械磨损等，所以本文采用了无位置传感器方法来获得转子位置信号,本文采用反电势检测法。为了使整个系统能够可靠运行，因而采用了转速电流双闭环，转速环和电流环都采用PI调节器。 1.1 无刷直流机的结构 无刷直流机的转子是由永磁材料制成的,具有一定磁极对数的永磁体。为了能产生梯形波感应电动势，无刷直流机的转子磁钢的形状呈弧形（瓦片状），气隙磁场呈梯形分布。定子上有电枢，这一点与永磁有刷直流电动机正好相反。无刷直流机的定子电枢绕组采用整距集中式绕组，绕组的相数有二、三、四、五相，但应用最多的是三相和四相。各项绕组分别与外部的电子开关电路相连，开关电路中的开关管受位置传感器的信号控制。 无刷直流机的工作离不开电子开关的电路，因此由电动机本体、转子位置传感器和电子开关电路三部分组成了无刷直流机控制系统。其原理框图如图1-1所示。图中，直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，位置传感器随时检测到转子所处位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止。从而自动地控制了哪些绕组通电，哪些绕组断电，实现了电子换向。 图1-1无刷直流电动机原理框图 1.2 无刷直流机的工作原理 普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场。为了使直流电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断的改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转。 无刷直流机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子做成永磁体，这样的结构正好与普通电动机相反。然而即使这样改变还不够，因为定子上的电枢通入直流电以后，只能产生不变的磁场电动机依然转不起来。为了使电动机的转子转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子磁场随着转子的位置不断地变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持90o左右的空间角，产生转矩推动转子旋转[5]。在换相的过程中，定子各项绕组在工作气隙中所形成的旋转磁场是跳跃式运动。这种旋转磁场在一周有三种状态，每种状态持续120o。它们跟踪转子，并与转子的磁场相互作用，能够产生推动转子继续转动的转矩 2 系统硬件平台设计 2.1 系统总体方案设计 系统总体的硬件电路可分为以下几个部分: DSP控制系统电路设计 功率主电路设计 检测电路设计 故障处理保护电路设计。系统的总体的硬件框图如图2-1所示 图2-1系统总体硬件框图 前级整流滤波电路提供给整个系统稳定的直流电源；逆变电路选用的是IPM模块，由DSP提供的6路PWM信号经过高速光耦的隔离后经驱动电路驱动从而控制电机的运转；反电动势检测电路则是提供给DSP信号用来确定转子位置的。保护电路则是对整个系统提供安全的保护措施，包括过压、欠压等。 2.2 功率主电路 由于无刷直流机的供电电压为直流，在其定子中流过的是交流电的原因，所以对于系统的主电路来说采用常用的交-直-交变换。 图2-2交直变换电路结构图 交直部分采用三相桥式不可控整流电路(电路图如2-2所示)，用来提供电路所需的直流电压。滤波电容C1用来稳定直流电压，降低直流电源的输出阻抗。其中A, B, C三相为从DSP系统开发控制板输出的三相交流电。 2.2.1 IPM模块的内部结构 图2-3 IPM的等效电路图 由图2-3可见，IPM是一种包括反并联续流二极管在内的由IGBT组成的逆变器。在此电路中，功率变换由6个IGBT开关管及续流二极管构成三相逆变桥。六个IGBT开关管的开关触发信号受TMS320LF2407A DSP芯片所输出的六路PWM波的控制，开关管有规律的通断将直流电逆变为交流电提供给无刷直流机的三相定子。 2.2.2 IGBT驱动电路 本系统的IGBT门极触发采用的是日本东芝公司TA8316AS，通过大电流直接驱动IGBT。其内部和控制电路连接如图： 图2-4 TA8316AS内部和控制电路图 2.3 位置检测电路 无刷电动机是一闭环的机电一体化系统，它是通过转子磁极位置