基于DSP的BLDC调速控制器的设计 - 图文 (2)

5.3.2 PWM波的DSP实现 ................................................................................................... 38 5.4反电势过零点检测和计算 ................................................................................................. 39

6.控制系统的调试及运行结果 ........................................................................................... 41

6.1电机实物图 ......................................................................................................................... 41 6.2系统硬件电路 ..................................................................................................................... 41 6.3结果及波形分析 ................................................................................................................. 43

结 论 ........................................................................................................................................... 45 参考文献 .................................................................................................................................... 46 附录1：最小系统原理图 ..................................................................................................... 48 附录2：主电路原理图 ......................................................................................................... 49 附录3：最小系统PCB ......................................................................................................... 50 附录4：调试程序 ................................................................................................................... 51

1主程序 .................................................................................................................................... 51 2初始化程序 ............................................................................................................................ 52 3中断程序 ................................................................................................................................ 58 4 PWM波的产生 ...................................................................................................................... 60

致谢 ............................................................................................................................................. 63

IV

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1.引言

1.1研究背景

一个多世纪以来，电机作为电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。电机的主要类型有同步电机、异步电机与直流电机三种[1]。直流电机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，因此被广泛应用于各种调速系统中，但传统的有刷直流电机均以机械换相方法进行换相，存在相对的机械摩擦，因此带来噪声、火花、无线电干扰及寿命等致命弱点，从而大大地限制了它的应用范围。而相比有刷直流电机，无刷直流电机的结构是以电力电子电路取代传统有刷直流电机的电刷，故其既具有有刷直流电机运行效率高、运行性能好等优点，又具有交流电机运行结构简单、运行可靠、维护方便等优点。目前，随着半导体技术的快速进步与永磁材料的新发现，高性能、低成本的永磁无刷直流电机已成为调速领域的领军力量，它具有巨大的开发潜质和广阔的应用前景[30]。

为了实现永磁无刷直流电机控制系统的速度控制，需要知道电机转子的位置信号和速度信号。通过位置信号确定转子的磁极位置，然后去控制定子绕组的换相。通常，转子位置信号有一个光电或霍尔传感器输出。转子的速度信号通常依靠安装在转轴上的测速发电机、光电编码盘等测速装置侧得。由于大多数永磁无刷直流电机的容量都很小，一般不宜在其轴上安装测速发电机等测速装置，所以目前的永磁无刷直流电机通常是利用转子位置传感器所产生的脉冲信号来反映它的转速。由于这些传感器的存在给永磁无刷直流电机的应用带来很多的不便：（1）为了安放传感器而增加电机体积和成本。对于容量在数百瓦以下的永磁无刷直流电机，传感器体积往往占了整机体积的20%以上，其成本通常为电机本体的30%左右；（2）传感器连线太多。例如，一台永磁三相无刷直流电机若采用霍尔传感器，至少需要五根连线，若采用其它传感器时往往连线更多。因此太多太长的连线都很容易引入干扰；（3）高温低温，污浊空气等工作环境及震动，高速运行等工作条件，都会降低传感器的可靠性。尤其在一些恶劣工作环境中，如在密闭的空调压缩机种，由于制冷剂的强腐蚀性，常规的位置传感器根本就无法使用；（4）传感器的安装精度直接影响电机的运行性能，因此也相对增加了生产工艺的难度。

针对位置传感器所带来的种种不利影响，近一二十年来，永磁无刷直流电机的无位置传感器控制一直是国内外研究的热点，也是永磁无刷直流电机控制器的发展方向。

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1.2无刷直流电机的研究历史及现状

长期以来，电动机将电能转化为机械能驱动机械装置，其应用范围涉及军事和工农业生产的各个领域，以及人们的日常生活必需的电气设备如冰箱、空调、洗衣机等。传统的有刷直流电动机采用电刷装置以机械方法来实现电气换流，因存在电刷和换向器之间的机械摩擦，由此带来机械和电磁噪声、电气火花甚至环火、导致无线电干扰以及缩短使用寿命等致命弱点，再加上换向器制造成本高及维护困难，而且转子转动惯量大，调速动态响应性能差等缺点，从而大大限制了它在高精度、宽范围调速系统的应用[10]。

针对上述直流电动机的弊病，早在本世纪三十年代就有人研制以电子换流代替电刷机械换流的直流无刷电动机，经过几十年的努力，直至六十年代终于实现了这个愿望。

七十年代，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件，如 SCR、GTO、GTR、MOSFET、IGBT等相继问世，以及高性能永磁材料的研制成功，器件和材料价格不断下降，均为永磁无刷直流电机的发展创造了得天独厚的条件。

八十年代，随着数字信号处理技术及其硬件芯片包括微处理器技术的迅猛发展，许多复杂而有效的控制策略和算法在各种电机控制中得到实现，并且越来越多地用于电动车辆和其他工业驱动控制系统中[11]。

传统的微处理器如：51、96系列在实现对电动机的控制时，由于本身指令功能不强，乘除法所用周期过多，外围电路数据转换速度慢；另一方面，永磁无刷直流电机存在齿槽效应，电磁转矩脉动大，无法在规定时间内完成复杂的控制算法，永磁无刷电机的性能要得到充分发挥，还必须要在硬件上采取措施。

美国德州仪器 TI [3,28]公司专门为电机的数字化控制设计了一系列16位定点数字信号处理器 TMS320F24xxDSP等，其信号具有高速处理能力且集电机控制的优化的外围电路于一体，可以为高性能传动控制提供可靠而高效的信号处理与控制硬件。为了提高控制器的运算速度和运算精度，本控制系统控制器选择TI公司最新推出的数字信—TMS320F2812 DSP芯片。

九十年代，采用数字信号处理器控制的无刷永磁直流无刷电机驱动系统不断朝着高压大功率方向发展，能够适应电动助力车，甚至电动轿车和汽车等的要求，电动车辆得到越来越多的用户青睐，由于永磁无刷直流电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又兼有直流电动机的运行效率高 、无励磁损耗及调速性能好的特点，同时由于采用高性能永磁材料。因此电机本体设计可做到重量轻、体积小、效率和

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功率密度高、出力大等性能指标。

但是，近代许多永磁无刷直流电机在应用时，往往由于电机本身存在转矩波动，致使负载转速得不到精确控制，对需要高精确，宽范围调速运行场合的速度控制，对转速信号反馈控制灵敏度的要求更为严格，另一方面由于逆变器供电使电机绕阻（多为集中绕阻）中的电流谐波成分多，当采用交流供电时，使交流输入侧功率因数降低，因此需要采取功率因数校正措施以改善交流供电系统的功率因数。

采用DSP控制永磁无刷直流电机有如下的优点[6,14]。

· 降低电机本身的电磁转矩波动，减轻系统振动，延长寿命。 · 减少滤波成分，降低滤波器的造价。

· 实时检测和计算原来需要存于表格的数据，节约存储器空间，实时反映系统变化。 · 控制功率逆变器，产生高性能的PWM波形输出。

· 提供单片控制系统，降低系统成本，同时对高性能控制，DSP控制器可执行更复杂的算法。

· 实现无位置传感器控制，提高系统的可靠性。 · 基于自适应控制理论，参数自适应的实时监控系统。 · 通过观测机械振动的频谱，预测系统故障的容错控制系统。

· 实现限波滤波器抑制和清除可能引起系统谐振并导致系统不稳定运行的能量。

1.3无刷直流电动机的发展历程

1831年，法拉第发现了电磁感应现象，奠定了现代电机的基本理论基础[20,25]。从19世纪40年代研制成功第一台直流电机，经过大约17年的时间，直流电机技术才趋于成熟。随着应用领域的扩大，对直流电机的要求也就越来越高，有接触的机械换向装置限制了有刷直流电机在许多场合中的应用。为了取代有刷直流电机的电刷－换向器结构的机械接触装置，人们曾对此作过长期的探索。1915年，美国人Langnall发明了带控制栅极的汞弧整流器，制成了由直流变交流的逆变装置。20世纪30年代，有人提出用离子装置实现电机的定子绕组按转子位置换接的所谓换向器电机，但此种电机由于可靠性差、效率低、整个装置笨重又复杂而无实用价值。

科学技术的迅猛发展，带来了电力半导体技术的飞跃。开关型晶体管的研制成功，为创造新型直流电机——无刷直流电机带来了生机。1955年，美国人Harrison首次提出了用晶体管换相线路代替电机电刷接触的思想，这就是无刷直流电机的雏形。它由功率放大

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部分、信号检测部分、磁极体和晶体管开关电路等组成，其工作原理是当转子旋转时，在信号绕组中感应出周期性的信号电动势，此信号电动势分别使晶体管轮流导通实现换相。问题在于，首先，当转子不转时，信号绕组内不能产生感应电动势，晶体管无偏置，功率绕组也就无法馈电，所以这种无刷直流电机没有起动转矩；其次，由于信号电动势的前沿陡度不大，晶体管的功耗大。为了克服这些弊病，人们采用了离心装置的换向器，或采用在定子上放置辅助磁钢的方法来保证电机可靠地起动。但前者结构复杂，而后者需要附加的起动脉冲。其后，经过反复的试验和不断的实践，人们终于找到了用位置传感器和电子换相线路来代替有刷直流电机的机械换向装置，从而为直流电机的发展开辟了新的途径。20世纪60年代初期，接近开关式位置传感器、电磁谐振式位置传感器和高频耦合式位置传感器相继问世，之后又出现了磁电耦合式和光电式位置传感器。半导体技术的飞速发展，使人们对1879年美国人霍尔发现的霍尔效应再次发生兴趣，经过多年的努力，终于在1962年试制成功了借助霍尔元件（霍尔效应转子位置传感器）来实现换相的无刷直流电机。在20世纪70年代初期，又试制成功了借助比霍尔元件的灵敏度高千倍左右的磁敏二极管实现换相的无刷直流电机。在试制各种类型的位置传感器的同时，人们试图寻求一种没有附加位置传感器结构的无刷直流电机。1968年，德国人W·Mieslinger提出采用电容移相实现换相的新方法。在此基础上，德国人R·Hanitsch试制成功借助数字式环形分配器和过零鉴别器的组合来实现换相的无位置传感器无刷直流电机。

无刷直流电机按照工作特性，可以分为两大类[21]： 1．具有直流电机特性的无刷直流电机

反电动势波形和供电电流波形都是矩形波的电机，称为矩形波同步电机，又称无刷直流电机。这类电机由直流电源供电，借助位置传感器来检测主转子的位置，由所检测出的信号去触发相应的电子换相线路以实现无接触式换相。显然，这种无刷直流电机具有有刷直流电机的各种运行特性。

2．具有交流电机特性的无刷直流电机

反电动势波形和供电电流波形都是正弦波的电机，称为正弦波同步电机。这类电机也由直流电源供电，但通过逆变器将直流电变换成交流电，然后去驱动一般的同步电机。因此，它们具有同步电机的各种运行特性。

严格来说，只有具有直流电机特性的电机才能称为无刷直流电机。

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