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基于DSP的无刷直流电机智能控制系统设计与实现

内容摘要

作为一种重要的工业产品，无刷直流电机具有很多有刷直流电机不具备的优点，出了消除了换向问题以外，工作时长稳定，能够适应大多数工作环境，同时易于维修，本课题就是以无刷直流电机为研究对象，以DSP为核心，设计制造无刷直流电机智能控制系统及详细电路，以实现位置伺服或速度控制。

本文首先无刷直流电机的工作机理和历史发展情况进行简要介绍，挖掘了其当前在国内外的同期发展情况并进行比较，通过对于相关公式方程的推导建立了贴合电机实际运行状态的数模，为进一步设计其系统做了坚实理论基础。本文依次对电机的硬软件系统进行设计并绘制电路原理图，在框图的基础上分别给予相应原理的解释和分析。根据现有及其工作机理和结构设计以及电路设计，结合设计分析的数学模型，分析优化出系统控制及设计的运行参数，综上分析使用DSPTMS320F2812芯片在整个系统中作为核心，设计完成控制算法、DSP系统、驱动电路、检测电路等硬件，确保系统能够完成既定任务，达到相应运行目标，实现了控制的轻量化和简洁化；其次对软件部分进行设计，对主程序和子程序模块分别进行合理流程规划。

关键词：无刷直流电机；DSP；位置检测；控制算法

目录

TOC\o1-3\h\z\u内容摘要 1

1绪论 4

1.1课题的背景及意义 4

1.2国内外发展现状 5

1.2.1国外直流电机发展现状 5

1.2.2我国直流电机发展现状 6

1.3本文的主要内容 6

2系统控制方案总体设计 6

2.1设计要求 6

2.2控制系统总体设计 7

2.3无刷直流电机的控制算法研究 7

2.3.1转子位置传感器 8

2.3.2无刷直流电机的换相 9

2.4永磁无刷直流电机的数学模型 9

2.4.1电压方程 10

2.5永磁无刷直流电机的调速方案 10

3控制系统硬件设计 11

3.1控制器件的选择 11

3.2硬件电路设计 11

3.2.1系统硬件框图 11

3.2.2DSP最小系统设计 12

3.2.3驱动电路的设计 14

3.2.4检测电路设计 15

4控制系统软件设计 18

4.1系统控制总体流程图 18

4.2各模块的软件设计 18

4.2.1主程序模块 18

4.2.2子程序模块 19

5结论 21

参考文献 22

1绪论

1.1课题的背景及意义

电机作为生产生活当中必要的工业产品，具有不可替代的功能和地位，早在上世纪60年代，无刷直流电机就出现在大众的视野中，他依靠霍尔元件实现换相操作。无刷直流电机与有刷相比有着相同的控制特点，从结构上分析，无刷直流电机在定子上安装绕组，在转子上安装永磁体，在控制信号到达转子之后才开始转动，控制信号消失的同时转子随即停止，具有控制容易、用工作范围广的优点。电刷作为传统直流电机必备的部件，一直以来在换相时存在一定的机械摩擦，因此会对电机的运行造成干扰，也会对周围环境制造噪音甚至其他危害，同时电刷因其结构问题造成保养维护处繁琐困难的情况，所以有刷直流电机一直饱受诟病，不仅使用寿命较短，对其工作环境有着较为严苛的要求[1]。

在电磁结构上，直流电机相具有高效率、高机械特性、低噪声等显著优势，是电子电力技术与控制理论良好结合的产品。除此之外，无刷直流电机为实现电子的换向需求，和有刷直流电机的显著的区别在于定子上是否安装有位置传感器，而有刷电机需要通过电刷和换向器来完成[2]。随着新型电子技术的发展以及稀土材料的广泛应用研究，包括半导体在内的更多行业也为电机制造提供了新的发展方向，因此无数直流电机具有蓬勃的发展潜力和广泛的应用环境。

驱动电路作为无刷直流电机中的主要供电来源，驱动电流顺序通过各相，冰玉位于转子上的永磁体磁场产生电磁作用。由于不存在电刷以及换向器结构，彻底消除了摩擦的产生，也减少了潜在的机械和电气问题，保证其高效运行。由于定子上安装绕组，因此转子的铜消耗量极少，当转子正常工作时会与永磁体产生的磁场产生同步，会造成电枢磁势在以f方波流入时产生脉动轴线，进而导致产生一定量铁消耗。但相对于有刷直流电机来说，这一部分的消耗是在可控范围的，并且降低了大量的摩擦消耗，只保留了轴承工作产生的微量摩擦影响[2]。

作为与直流电机相匹配的控制系统，随着结构的不断升级改造，系统的控制能力和调速性能也亟待改进，研发与之相匹配的控制算法并实现较高的控制精度已经成为无刷直流电机发展的首要问题。传统电机控制常常采用单片机