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直流无刷电机
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基于TMS320F2812无刷直流电机控制系统设计
[责任编辑：wenwei]
【导读】众所周知，无刷直流电机既具有交流电机简单，运行可靠，维护方便等优点，又具有直流电机运行效率高，不受机械换向限制，调速性能好，易于做到大容量、高转速等特点。本文提出了一种基于TMS320F2812的全数字永磁无刷直流电机控制方案。
TI公司的TMS320F2812数字信号处理器(DSP)既具有高速信号处理和数字功能所需的体系结构。还具有专为电机控制应用提供单片解决方案所需的外围设备。以TMS320F2812为核心的全数字电机控制系统极大地简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，降低了成本，并对无刷直流电机的普及应用具有良好的前景。为此，提出了一种基于TMS320F2812的全数字永磁无刷直流电机控制方案。
2 系统设计方案
该系统设计采用三相Y型永磁方波无刷电机PWM控制方案，通电方式为两两通电。图1给出控制系统原理框图。它采用全数字三闭环控制。其中，电流环采用PI调节器，速度环采用遇限削弱积分的积分分离PID控制算法，它的输出极性决定了正反转方向，从而可实现电机的四象限运行。位置环采用PI调节器。逆变器采用全桥型PWM调制。
3 系统硬件设计
图2给出基于TMS320F2812的无刷直流电机控制系统。采用TMS320F2812作为控制器，用于处理采集到的数据和发送控制命令。TMS320F2812控制器首先通过3个I／0端口捕捉直流电机上霍尔元件H1，H2，H3的高速脉冲信号，检测转子的转动位置，并根据转子的位置发出相应的控制字，以改变PWM信号的当前值，进而改变直流电机驱动电路(全桥控制电路IGBT)中功率管的导通顺序，实现对电机转速和转动方向的控制。电机的码盘信号A，B通过TMS320F2812 DSP控制器的CAP1，CAP2端口捕捉的。捕捉到的数据存储在寄存器中，通过比较捕捉到A，B两相脉冲值，以确定当前电机的正反转状态和转速。在系统运行中，驱动保护电路检测当前系统的运行状态，如果系统中出现过流或欠压状况，PWM信号驱动器(IR2131)启动内部保护电路，锁存后继PWM信号输出，同时通过FAULT引脚拉低TMS320F2812控制器的PDPINTA引脚电压，启动DSP控制器的电源驱动保护。这时所有EV模块的输出引脚将被硬件置为高阻态，从而保护控制系统。以下主要介绍系统中的转子位置检测电路、相电流检测电路、驱动电路、系统保护电路等。
3．1 转子位置检测电路
控制无刷直流电机时，DSP控制器根据转子的当前转动位置，发送相应的控制字，通过改变PWM脉冲信号的占空比控制电机。无刷直流电机的转子位置是由位置传感器来检测的。该系统设计采用了3个光电式位置传感器(霍尔元件)，它们是利用光电效应制成的，由跟随电机转子一起旋转的遮光板和固定不动的光源及光电管等部件组成。
随着电机转子的旋转，光电管间歇接收从光源发出的光，不断导通和截止，从而产生一系列&0&和&l&的信号。这些脉冲信号通过I／0端口传输给DSP，DSP读取霍尔元件的状态值，以确定转子的当前位置。再通过改变PWM信号的占空比控制驱动电路，改变IGBT的导通顺序，实现电机的换相控制．并调节电机的转速。电机驱动电路控制桥臂上的功率管导通顺序为VQ1，VQ2&VQ2，VQ3&VQ3，VQ4&VQ4，VQ5&VQ5，VQ6&VQ6，VQ1(两两通电)。电机转子每转一圈，H1，H2，H3将出现10l&100&110&010&011&00l的6种状态，DSP对每一种状态发送相应的控制字。改变电机的通电相序，实现电机的连续运行。图3给出电机驱动电路控制原理图。
3．2 相电流检测电路
电流反馈通道由霍尔元件、运算放大器和A／D转换器组成。电流反馈采用变比为1：1 000的磁平衡式霍尔元件，该元件的输出为电流信号，并且信号较弱，必须经过精密电阻转换成电压信号，再经过放大处理，得到电流的双极性信号。因为DSP中A／D转换单元的输入范围是0～3．3 V(单极性)，需要设计将双极性信号变为单极性的电路，再送到A／D转换器。图4给出电路原理图。
3．3 驱动电路
电机控制器驱动电路采用IR2131(见图5)。IR2131／IR2132是一种采用高压、高速功率MOSFlET和IGBT的驱动器。IR2131可同时控制6个功率管的导通和关断。通过输出端口H01，H02，H03分别控制三相全桥驱动电路中上半桥VQ1、VQ5、VQ5的导通和关断，通过输出端口L0l、L02、L03分别控制三相全桥驱动电路中下半桥VQ4、VQ6、VQ2的导通和关断，从而实现控制电机转速和正反转。
3．4 系统保护电路
在无刷直流电机控制系统中，保护电路具有重要作用，可保护控制系统的核心器件DSP免受高压、过电流的冲击，同时也保护电机的驱动电路免遭损坏。整个系统的保护电路主要由电路隔离、信号隔离和驱动保护3部分组成。
3．4．1 隔离电路
信号隔离电路是把控制电路与驱动电路之间的控制信号和驱动信号通过光电隔离器进行信号隔离，实现不同电压之间的信号传输，如图6所示。该隔离电路可实现对DSP的6路PWM输出信号与IGBT的光电隔离，并实现驱动和电平转换功能。
3．4．2 保护电路
为保证系统中功率转换电路及电机驱动电路安全可靠工作，TMS320F2812还提供了PDPINT输入信号，利用它可方便地实现伺服系统的各种保护功能。图7给出具体实现电路。各种故障信号由CD8128综合后，经光电隔离输入到PDPINT引脚。有任何故障状态出现时CD8128输出低电平，PDPINT引脚也被拉为低电平。此时，DSP内的定时器立即停止计数，所有PWM输出引脚全部呈高阻状态．同时产生中断信号，通知CPU有异常情况发生。整个过程不需程序干预，全部自动完成，这对实现各种故障状态的快速处理非常有用。
4 系统与上位机的通讯
系统采用SCI接口完成与上位机的通讯功能，采用RS－232通信，通过上位机给定位置量．同时控制过程中电机的速度、电流、位置反馈量等参数，以实时发送上位机显示；SPI接口完成串行驱动数码管显示功能．通过数字I／O扩展的键盘设定位置给定量，由数码管显示。
5 实验结果
在硬件电路的基础上，通过软件编程得到图8所示的两个实验结果。其中，图8(a)为系统在常规PID控制下的系统跟踪特性曲线；图8(b)为系统在模糊PID系统跟踪特性下的试验曲线。
采用TMS320F2812为核心设计的数字伺服系统，解决了伺服系统中PWM信号的生成、电机速度反馈及电机电流反馈问题，方便地实现了保护功能，极大地简化了系统硬件设计，提高了系统的可靠性，减小了伺服系统的体积。降低了成本(降低约20％)。实验结果验证了该方法的有效性。
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众所周知，无刷直流电机既具有交流电机简单，运行可靠，维护方便等优点，又具有直流电机运行效率高，不受机械换向限制，调速性能好，易于做到大容量、高转速等特点。本文提出了一种基于TMS320F2812的全数字永磁无刷直流电机控制方案。
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[浏览次数：8519次]直流无刷电机
直流无刷电机的电机本身是机电能量转换部分，它除了电机电枢、永磁励磁两部分外，还带有传感器。电机本身是直流无刷电机的核心，它不仅关系到性能指标、噪声振动、可靠性和使用寿命等，还涉及制造费用及产品成本。由于采用永磁磁场，使直流无刷电机摆脱一般直流电机的传统设计和结构，满足各种应用市场的要求，并向着省铜节材、制造简便的方向发展。永磁磁场的发展与永磁材料的应用密切相关，第三代永磁材料的应用，促使直流无刷电机向高效率、小型化、节能方向迈进。
直流无刷电机的控制结构
直流无刷电机是同步电机的一种,也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(p)影响:n=120.f / p。在转子极数固定情况下,改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器),控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正,以期达到接近直流电机特性的方式.也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。直流无刷驱动器包括电源部及控制部如图 (1) :电源部提供三相电源给电机,控制部则依需求转换输入电源频率。电源部可以直接以直流电输入(一般为24v)或以交流电输入(110v/220 v),如果输入是交流电就得先经转换器(cONverter)转成直流.不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(q1～q6)分为上臂(q1、q3、q5)/下臂(q2、q4、q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供pwm(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制,所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor),做为速度之闭回路控制,同时也做为相序控制的依据.但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。
直流无刷电机控制系统的研究
1．前言舵机是飞行器的重要组成部分，其性能指标的优劣直接影响飞行器的制导精度。舵机伺服系统是一个高精度的位置伺服系统，舵机控制器接受制导计算机给出的舵面偏角信号，用它的输出指令来操纵导弹舵面的偏转，从而改变导弹的航行姿势或航行轨迹，以达到控制导弹飞行轨迹的目的。随着航空航天的蓬勃发展、各种先进的精确制导武器的研制，人们对导弹上的舵机系统的整体性能要求越来越高。无刷直流电动机既具备交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电动机运行效率高、调速性能好，控制精度高的优点，在工程和技术方面得到了广泛的应用。DSP 是一种广泛适用于各种电机控制的数字信号处理器，它将电机控制所需要的外围电路集于一体，能够大大提高系统的可靠性。然而在实际应用中，由于稀土永磁电机磁性材料存在磁滞、饱和现象，永磁体磁性能随温度非线性变化，使无刷直流电动机（BLDCM）具有非线性、多变量、强耦合及参数摄动大等特点。另外，BLDCM驱动装置存在死区、饱和等非线性，负载含有弹性、间隙和摩擦阻力死区等非线性因素，以及系统包含的未建模动态等，都将造成系统模型不准确及参数失配。因此在BLDCM理论分析、设计及控制策略研究中也不断出现有待进一步深入的新课题。应用鲁棒控制思想解决系统存在参数摄动及外部有界扰动的控制问题。传统的PID控制器具有原理简单直观、方便实现以及稳态精度好等优点，但在保证系统的快速性和抗外部千扰能力、尤其对系统参数摄动的鲁棒性等方面都无法收到满意的效果。新型鲁棒PID控制技术将PID控制算法与各种鲁棒控制理论相，形成了一系列参数自整定PID控制器，对于非线性、时变不确定性的复杂对象，其控制效果远远超过常规的PID控制器。本系统选用美国TI 公司的TMS320LF2407A DSP 芯片为控制器，无刷直流电机(BLDCM)为执行器，MOSFET 为驱动元件配以相应的控制软件，构成电流、速度、位置三闭环伺服系统 。文中介绍了系统的硬件设计原理及控制策略，并进行实验研究。2. 系统硬件设计硬件方案设计包括无刷直流电动机主回路和控制回路，主回路由直流电源、MOSFET 全桥电路和电机本体构成。控制回路以DSP 芯片TMS320LF2407A 为核心，以电流、速度为内环，位置为外环，由功率驱动电路以及接口电路和保护电路组成如图1。图1 硬件控制框图本系统采用PWM 方式实现对无刷直流电动机的控制。其工作原理是:交流电源经过隔离变压器隔离、调压器调压、整流器整流和滤波以后送入逆变器作为直流电源；系统通过光电编码器作为位置传感器检测电动机转子位置以便确定所需逆变器通电相序。系统采用三相星形连接全控电路，采用两两导通方式。每一瞬间有2 个功率管导通，每隔1 6 周期（60°电角度）换向一次，每次换向一个功率管，每一功率管导通120°电角度。2.1 TMS320LF2407A DSP 最小系统最小系统由DSP 本身或外接EPROM(或EEPROM)、 RAM、PLL 时钟模块、复位电路、译码电路等组成。PLL 时钟模块：包括晶体振荡器、回路滤波元件和电源连接部分。复位电路：具有上电自动复位、手动复位和+3.3V 供电电压欠压保护复位功能。电源转换：由于MS320LF2407的供电电压只能是3.3V，需要将5V 电源变换成3.3V 给 CPU 供电，输出电流可达1A 的TPS76833QPW作为5V 到3.3V 转换芯片，见图2。图2 电源转换及复位电路2.2 主电路主电路采直流稳压电源，全桥电路由六个MOSFET 场效应管构成。T1、T3、T5 三个P 沟道MOSFET 构成上桥，门级G 加负电压时导通。T2、T4、T6 三个N 沟道MOSFET 构成下桥，门级G 加正电压时导通；六个反馈二极管D1-D6 组成，采用低损耗缓冲电路，开关损耗小，工作可靠。2.3 电流检测和保护电路无刷直流电机的三相绕组在运行中任何时刻都只有两相导通，且为同一电流，所以在主回路串接一个反馈电阻Rf 代替常规的电流传感器，其电压值Uf 经过计算便得到间接的线电流测量值。Rf 可完成电流检测、限流和过流保护的功能。电压Uf 一路经滤波、放大、限幅后送入TMS320LF2407 的ADC 模块作为电流反馈值；另一路也经滤波、放大后送电压比较器，系统设定的过电流值作为电压比较器的参考电压，电压比较器的输出送入LF2407A 的PDPINTA 引脚，一旦电枢电流超过设定值，则PDPINTA引脚被拉为低电平，DSP 内部计数器停止计数，所有PWM 呈高阻态；同时产生中断信号，通知DSP 有异常情况发生，并在中断处理程序中，对故障进行判断。2.4 舵面位置检测导弹在飞行中通过控制舵面的偏角来控制导弹飞行的方向，因此舵机控制器必须根据制导计算机的给定位置信号来控制舵面的偏转。舵面位置信号检测是通过光电编码盘实现的。光电编码盘每个机械转有1024 个脉冲输出，每转为360°，那么每转一度就有.844 个脉冲的输出。转动20°偏角时，输出脉冲数为()× 20 = 56.88。当舵机舵面偏转时，根据DSP 中检测到的计数器所计的脉冲数，就可以知舵面当前的位置。给定的舵面位置信号经接口电路送入DSP 的ADCIN01 端，该信号与当前的位置反馈信号相比较，经DSP 的运算处理转化为转速的参考量进行控制。3. 系统控制策略对于任何控制系统来说都有三个基本要求:稳、准、快，其中稳是最根本要求，准是要求稳态误差要小，快是要求超调量要小，调节时间要短。图3 IP 加H∞位置控制器的伺服系统在系统刚刚开始工作时误差很大，此时要解决的问题是快速响应；在误差较小时，要解决的问题是稳态性和静差。因此，为了获取更好的控制效果，本文采用了Bang-Bang 控制器和鲁棒-IP 控制器相结合的方式，在大误差时采用Bang-Bang 控制器以满足快速响应减小误差的效果，当误差在一定范围内时采用鲁棒-IP 控制器以达到所要求的稳定性和静差。通过检测系统误差所处的范围来采取不同的控制策略，可以使系统尽快地向误差消除的方向运动，不但可以提高系统的快速响应，而且还能避免积分饱和的现象。本文采用IP 位置控制器和鲁棒控制器联合。H∞鲁棒控制器K1(s)的作用就是要使得被控对象在参数摄动及外部扰动下对象模型摄动足够小。这样，IP 控制器K2(s)的选取仅针对标称模型即可，如图3。实验中电机采用深圳铭雅戈电机有限公司的无刷直流电动机，额定功率：1487W，额定电压：DC80V，额定电流：18.6A，额定转速：3307r/min，三相Y 型连接，二对极。图4a 为空载下电机的阶跃响应对比，图4b 为空载下电机受到干扰后的阶跃响应对比，其中红线为本文所提到的Bang Bang/IP+H∞控制器，蓝线为传统的位置环PI 控制器。从图中可以看出，给定信号为20°时，位置环PI 控制器的上升时间 tr =0.18s，调整时间 ts =0.275s，稳态误差为 ess =2.98°，超调量1.63[%]；Bang Bang/IP+H∞控制器的上升时间为 tr =0.175s，调整时间为 ts =0.225s，稳态误差为 ess =2.52°，无超调无震荡。当受到干扰时，位置环PI 控制器的调节时间为1.3s，有震荡；而Bang/IP+H∞控制器的调节时间为0.675s，无震荡。图4 系统响应对比曲线5.结论通过实验结果表明，本文所设计的位置控制系统能够使得系统鲁棒稳定，并能有效抑制系统内部参数变化和非线性等不确定性、外界负载干扰的影响，本系统的位置跟踪较传统PID 控制器性能优良。
利用ARM7对无刷电机实施磁场定向控制
有刷和无刷电机之间最显着的区别是是否配置有常见的电刷-换向器(Brush-Commutator)。过去一个世纪以来，有刷直流电机的换向一直是通过石墨电刷与安装在转子上的环形换向器相接触来实现的。而无刷电机则通过霍尔传感器(Hallsensor)把转子位置反馈回控制电路，使其能够获知电机相位换向(顺序)的准确时间。大多数无刷电机生产商生产的电机都具有三个霍尔效应定位传感器。由于无刷电机没有电刷，故也没有相关接口，因此更干净，声学噪声更小，事实上无需维护，寿命更长。那么，还有什么是有待更进一步的呢?尽管电机业对无刷电机优势的认识日益加深，但迄今工作仍只限于开发上述的无刷电机霍尔传感器控制电子元件。目前对电机驱动盒和电机驱动卡开发的需求十分急迫，它们能为设计人员提供微控制器、可编程能力和驱动器，并把所有这些功能都集成在一个单一封装内。不论是在数字还是模拟模式下，本质上是这种集成方式完成各种电机应用必需的换向。没有这种集成，无刷电机就不起作用。在选择最佳驱动器时，脉宽调制(PWM)IC正逐渐作为一种首选技术受到认可。最佳驱动器的选择仅取决于效率。线性电路的缺点在中端开始突显，此时输出电平为50[%]左右。在这种输出电平时，旁路元件的阻抗等于负载阻抗，这意味着放大器产生的热量等于供给负载的功率!简言之，当以中等功率等级驱动电阻式负载时，线性控制电路出现50[%]的最低效率。相对于有百年历史的有刷电机而言，无刷电机更干净、纤小和轻便，并正在稳步快速地向前发展。对于它们稳定且不断增加的受欢迎程度，仅以“是时候了”来概括显然过于保守。就在两年前，无刷电机还远比有刷电机昂贵。但受惠于设计技术和材料技术的进步，其价格急剧降低。如今，两种电机技术之间的成本差异只有10[%]。而最显着的转变则是设计人员开始紧密结合工业应用进行工作。传统上，这被认为属于硬核式有刷电机的应用领域，因为“干净”的工作环境并不是最重要的。但现在，由于成本门槛的降低，无刷电机不断获得新的应用。
无刷电机的功能分析及应用
直流无刷电机广泛应用于计算机外围设备、数控机床、机器人、伺服系统、汽车、家电等领域。本文介绍的电机驱动电路就是某稳定平台的角度伺服控制回路的驱动部分。本文中设计的基于CPLD的电机驱动电路，充分利用cPLD的硬件可编程和实现逻辑运算方便的特点，用一片CPLD代替原有十几片逻辑门和一部分模拟电路。采用VHDL语言编程实现相关逻辑。利用CPLD在线可编程的特点，可以很方便的对系统进行调试。1 无刷直流电机的驱动原理直流无刷电动机是由电动机本体、转子位置传感器和电子开关电路组成一个闭环系统。与一般的有刷电机不同，他的定子为电枢绕组，转子采用永磁体。本文介绍的电动机采用了3相Y型联结的全控电路，其基本构成如图1所示。其电子开关电路为6个IGBT组成的三相逆变电路。直流无刷电机驱动电路的作用就是对来自电机转子位置传感器的位置信号、来自外部的PWM控制信号以及其他控制信号采样并进行译码，使A，B，C三相绕组能按要求的顺序导通，实现定子绕组的正确换相，从而使电机正常运行。在实际应用中还要对电机的过压、欠压、过流、过热保护等进行设计。并按要求进行光电隔离和基极驱动电路设计。2 系统总体方案设计电动机驱动电路包括3个部分，即：(1)CPLD核心控制电路；(2)驱动及隔离电路；(3)IPM接口电路；其系统框图如图2所示。3 硬件电路设计3.1 CPLD控制电路该部分是电动机驱动电路的核心部分见图3，其信号采集、换相译码、死区发生器设计以及故障处理均由该部分完成。采集的信号有：电机控制器的PWM信号；正反转控制信号；经过整形的电机的霍尔位置传感器的位置信号；来自IPM模块的电机的欠压、过压、过流、过热等故障检测信号。这些信号输入到CPLD后，通过CPLD的软件实现换相译码、编程死区和电机保护逻辑，最后输出控制信号UP，VP，WP，UN，VN，WN到IPM的三相逆变电路。控制电机的三相电枢正确换相，从而使电机正常运行。霍尔传感器信号的整形电路如图4所示：采用4路精密电压比较器LM339完成。对来自霍尔传感器的信号进行整形，并对输出到CPLD的信号加滤波电容滤波。3.2 驱动隔离电路驱动隔离电路包括光电隔离电路和基极驱动电路。光电隔离电路的作用是实现CPLD控制电路与IPM模块之间的电气隔离。隔离信号有2部分：(1)CPLD输出到IPM模块的UP等控制信号；(2)IPM反馈给CPLD的电机故障诊断信号F1，F2，F3，F4；UP等信号的电气隔离采用高速光电耦合芯片6N137，该芯片的最大延迟时间为75 ns。可实现3 000 VDC的高电压隔离，适合于电气控制场合。IPM反馈给CPLD信号的电气隔离由光电耦合芯片4N25完成，如图5所示。基极驱动电路采用9014三极管，并使三极管工作在开关状态。增加控制信号的驱动能力，并最终输出控制电压给IPM模块的三相逆变电路。如图6所示：3.3 IPM接口电路设计IPM(智能功率模块)将多个IGBT集成到一起，广泛应用于无噪声逆变器、低噪声UPS和伺服控制器中。一般含有栅极驱动、短路保护、过压、过流保护等。本文采用三菱电机生产的PM75CSA120的IPM模块实现驱动电机所需的三相逆变电路。他内部集成6只IGBT，每2只对应电机的一相。其额定负载电流为75 A，额定控制电压为1 200 V。另外还集成过流、过热、欠压、短路等故障检测电路，其示意图如图7所示。出现故障时，IPM会将检测信号FO送到CPLD进行处理，采取相应的措施，提高系统的可靠性。IPM工作需要单独的电源供电，与控制电路电源严格分开。其中上桥臂的3个IGBT各自需要1路电源，下桥臂的3个IGBT共用1个电源，这样就需要4路电源。其电源模块的电路如图8所示。智能功率模块将功率电子器件和驱动电路集成到一起，并且内藏有故障检测电路，不仅体积小，而且可靠性高。4 系统软件设计4.1 软件构架设计CPLD的软件采用VHDL语言编程实现。软件模块间的程序并行执行，没有程序流程图，只能用程序架构表示。CPLD的软件主要有电机的换相译码、死区发生器设计、故障处理和PWM与转向控制等功能，其软件构架如图9所示。4.2 换相译码程序设计换相译码器的作用是根据当前位置信号和PWM控制信号以及转向控制信号Q，确定出UP，VP，WP，UN，VN，WN的相应值。需要实现的逻辑表达式为：4.3 死区发生器设计为防止三相逆变电路上下桥臂的IGBT产生“共态导通”的现象，导致短路。需要给IGBT的控制信号的上升沿设置死区，使其在一段延时之后才真正达到高电平。死区发生器设计采用饱和计数器的方式，类似于电容的充放电过程，需产生如图10所示的时序。其规则为：(1)当UP[_]IN输入为0时，如果计数值T等于0，则计数值T保持不变，否则作减1计数；(2)当UP[_]IN输入为1时，如果计数值T等于max，则计数值T保持不变，否则做加1计数；(3)当输入为1且死区计数器数值T为MAX时，UP=1对应IGBT导通；(4)当死区计数器数值在0～MAX之间时，UP=0，对应IGBT关闭；下面为死区时间为N个时钟周期的VHDL程序，程序的运行结果如下。4.4 IPM故障处理在系统中故障检测信号的处理是把信号引入到CPLD中，然后UP实现的逻辑后输出，既保证IPM出现故障时，UP无输出，又保证UP与UN的反逻辑。5 结 语介绍一种采用CPLD做核心控制器的无刷直流电动机的驱动电路的设计。实现电机驱动所需的换相逻辑、电机运行故障处理以及可以灵活设置死区时间的死区发生器。该电机驱动电路可以用于高精度的伺服控制系统中。
基于CPLD的直流无刷电机驱动电路设计
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&&& 目前，处理器性能的主要衡量指标是时钟频率。绝大多数的集成电路 （IC） 设计都基于同无刷直流电机无位置传感器控制关键技术研究--《华中科技大学》2010年博士论文
无刷直流电机无位置传感器控制关键技术研究
【摘要】：永磁无刷直流电机因具有结构简单、运行效率高、控制简单和维护方便等优点而得到了广泛应用。传统的无刷直流电机一般采用三相六状态120°导通方式,需要位置传感器在一个电周期内检测到六个关键的转子位置信号以便对三相绕组进行换相控制。然而,位置传感器增大了电机的成本和体积,易受外界信号干扰,降低了系统的可靠性,因此对无位置传感器无刷直流电机控制技术的研究具有重要的理论意义和实用价值。本文以永磁无刷直流电机的无位置传感器控制为研究内容,针对在无位置传感器条件下的无刷直流电机控制的几个关键问题,即转子位置辨识方法、PWM控制策略、电机起动控制方法、转子位置辨识误差及其补偿分析、转矩脉动抑制策略等进行了较为系统和深入的理论分析、仿真和实验研究。
反电动势法因原理简单、方法可靠等优点而成为转子位置检测的主要方法。本文在分析传统的反电动势过零检测需要虚拟电机绕组中点方法的基础上,提出了改进的相反电动势转子位置辨识理论。该方法抛弃了传统的反电动势硬件检测原理,只通过检测无刷直流电机任意两路线电压,经软件实时计算后,就可以得到未导通相反电动势的过零点。该方法结构简单、不需要构造虚拟的电机中点和信号深度滤波电路,具有简易性和可靠性等优点。
在对无刷直流电机反电动势波形分析的基础上,提出了一种利用线反电动势过零原理来获得转子位置的新方法。该方法通过波形定性分析和傅立叶级数定量推导,均得出线反电动势的过零点就是对应的电子换相点这一结论。对于反电动势波形为任意平顶宽度的梯形波或正弦波,只要三相反电动势波形对称,该方法均适用于转子位置的估算。在此基础上,为减小对电机参数的依赖,提出了一种简化实用的线反电动势法来估算转子位置。该方法只依赖于电机定子电阻,并对定子电阻参数不敏感,无需30°相位延迟和上一次换相信息,具有理论和工程应用价值。
分析和比较了无刷直流电机两两导通控制的八种PWM调制方式。通过对各种PWM方式下非换相期间非导通相电流续流情况进行的理论推导,分别得到与上述转子位置辨识方法各自对应的PWM调制方式。
电机起动控制问题是无位置传感器控制技术的另一难点。本文基于定子铁心饱和法原理,提出了一种新的起动控制方法:即利用两两导通和三三导通得到的12个电压矢量脉冲施加到定子端,并通过检测各相定子电流峰值来判断定子电感的变化,进而得到转子初始位置所在的30°区间,再通过施加特定的电压矢量将转子精确地定位到换相位置。在此基础上,通过升压升频原理顺序起动电机,一旦检测到线反电动势过零,即可切换到无位置传感器控制方式。研究表明,这种方法电机起动可靠,易于工程实现。
详细分析了电机参数变化、电压电流采样误差、滤波电路相位延迟对转子位置辨识误差带来的影响。提出了一种利用最小二乘法原理来拟合线性函数的方法进行相位延迟开环补偿,并根据反电动势波形的对称性提出了一种转子位置误差闭环校正方法。仿真和实验结果表明了该方法的实用性。
转矩脉动是无刷直流电机两两导通方式固有的缺点。在无位置传感器控制下,由于转子位置辨识的误差,转矩脉动有可能进一步增大。本文分析了相反电动势平顶宽度、转子位置估算误差和换相期间非换相相电流畸变等因素对转矩脉动的影响后,提出了采用定子电流预测控制方法来抑制无刷直流电机转矩脉动。
构建了以dsPIC30F6010为核心的系统实验平台,在此实验平台上进行了无刷直流电机无位置传感器控制系统性能实验,并与有位置传感器控制实验结果进行了对比,实验结果验证了本文提出的无位置传感器控制策略的正确性和可行性。
【关键词】：
【学位授予单位】：华中科技大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2010【分类号】：TM33【目录】：
Abstract6-8
主要符号表8-10
论文中英文缩写的全称和中文含义10-14
1 绪论14-30
1.1 引言14-15
1.2 永磁无刷直流电机的工作原理15-21
1.3 国内外无位置传感器控制研究现状21-28
1.4 本文主要研究内容28-30
2 基于反电动势实时计算的转子位置检测新方法30-54
2.1 反电动势检测法重构的电机中点与实际的电机中点电位关系30-33
2.2 相反电动势转子位置检测方法的改进33-35
2.3 线反电动势的过零点与实际换相点的一致性35-37
2.4 任意相反电动势波形时无刷直流电机的线反电动势过零点分析37-41
2.5 线反电动势傅里叶级数分析41-44
2.6 线反电动势过零检测转子位置实现策略44-46
2.7 仿真和实验结果46-53
2.8 本章小结53-54
3 适合无位置传感器控制的PWM 调制方式分析54-70
3.1 永磁无刷直流电机的PWM 调制方式54-57
3.2 不导通相电流续流情况与PWM 控制策略的关系57-63
3.3 不同的PWM 调制方式对反电动势检测转子位置的影响63-65
3.4 仿真和实验结果分析65-69
3.5 本章小结69-70
4 无位置传感器控制电机转子初始位置确定及起动策略70-83
4.1 永磁无刷直流电机的转子初始位置定位技术70-77
4.2 无位置传感器控制下电机停止时记忆转子位置的制动控制策略77-79
4.3 升压升频电机软件起动加速方法79-80
4.4 实验结果80-82
4.5 本章小结82-83
5 电机转子位置估算误差分析及补偿策略研究83-101
5.1 电机参数变化对转子位置辨识误差的影响83-84
5.2 电压电流信号检测误差对转子位置辨识误差的影响84-87
5.3 滤波电路带来的相移及其补偿策略87-94
5.4 基于反电动势对称的转子位置相位误差校正方法94-99
5.5 实验结果分析99-100
5.6 本章小结100-101
6 基于定子电流预测控制的转矩脉动抑制技术研究101-122
6.1 不同PWM 调制方式下电磁转矩大小分析101-105
6.2 无刷直流电机电磁转矩脉动分析105-114
6.3 基于预测控制的电磁转矩脉动抑制策略114-119
6.4 实验结果及分析119-121
6.5 本章小结121-122
7 无刷直流电机无位置传感器控制系统的实验结果及分析122-134
7.1 系统实验平台和算法设计122-124
7.2 系统实验结果及与有位置传感器控制实验结果比较124-133
7.3 本章小结133-134
8 全文总结及展望134-136
8.1 全文工作总结134-135
8.2 本文主要创新点135
8.3 下一步工作展望135-136
致谢136-137
参考文献137-145
附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文145-146
附录2 公开发表的学术论文与博士学位论文的关系146
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