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1、基于 DSP 的无刷直流电机控制系统的设计摘 要本文围绕无位置传感器无刷直流电机(BLDCM)控制系统设计中的几个关键技术-位置检测、起动和控制方法进行了深入的研究，对无位置传感器无刷直流电机运行方式进行了全面的分析，在此基础上提出了瞬时状态检测与预测估计相结合的转子位置检测新方法，并通过“三段式”方法实现起动。为了提高系统的调速性能，控制方法采用了转速、电流双闭环。控制系统设计采用 TI 公司 TMS320LF240x 系列的 DSP 芯片作为控制核心。借助于 DSP 强大的处理能力和丰富的外设，整套系统省去了以往复杂的硬件电路，采用结构更加合理的软件，实现了系统的大部分功能，从而提高了系统
2、的可靠性。实验结果表明，电机起动快速、稳定，具有较宽的调速范围。同时，该系统还具有结构简单、可靠性高等特点，具有广泛的应用前景。关键词：关键词：无位置传感器；无刷直流电机；位置检测；闭环控制；数字信号处理器；起动IDesign of Brushless DC motor Control system based on DSPAbstractThis paper mainly study some pivotal techniquesposition detection , start and control method, which surrounds brushless DC motor
3、(BLDCM) without position sensor control systems design. On base of analyzing and studying the run mode of BLDCM, we present a new rotor position detection method which was instantaneous state detection combined with state predict , and use “ three sect“ start method . In order to improve the speedin
4、g performance, we adopt the two closed-loop control strategy of speed and current. The MCU of system is the TMS320LF2402 DSP chip. In virtue of powerful processing capacity and plenty peripherals of DSP, the system adopt more reasonable software structure instead of the former complicated hardware c
5、ircuit, and get better dependability.Experimental results show that the motor start fast and stable with wider area of speeding. This BLCDM control system has the characteristic of simple structure, high dependability, and can be used in many fields.Keywords: Sensor less；Brushless DC motor；Position
6、detection；Closed-loop control；Digital signal processing (DSP)；StartII目 录摘 要 IAbstractII第 1 章 绪 论.11.1 研究背景 11.2 研究内容 31.2.1 转子位置检测技术的研究 .31.2.2 起动方法的研究 .31.2.3 电机控制方法的研究 .41.3 本人在课题中承担的工作 4第 2 章 系统总体方案设计.52.1 系统总体构成 52.2 无刷直流电机数学模型 62.3 转子位置检测方法的选择 72.3.1 反电势法 .82.3.2 电流法 .92.3.3 磁链估计法 102.3.4 状态观测器
7、法 112.3.5 人工智能方法 112.4 起动方法的选择 .122.4.1 硬件起动电路 122.4.2 预定位起动方式起动 132.4.3 三段式起动 142.5 系统控制核心及控制方法的确定 .152.5.1 控制核心的确定 15III2.5.2 控制方法的确定 152.6 课题中存在的难点和关键技术 .16第 3 章 关键技术研究183.1 转子位置检测技术 .183.1.1 瞬时状态法原理 183.1.2 反电势过零点预测估计原理 223.2 三段式起动 .243.2.1 同步切换技术 243.2.2 电机起动阶段的电压适应技术 253.2.3 假起动现象的形成和辨别 263.3
8、转速、电流双闭环控制 .273.3.1 PID 控制原理 .273.3.2 双闭环调速系统的设计 293.3.3 PID 的参数整定 323.4 PWM 脉宽调制技术33第 4 章 系统硬件设计374.1 控制系统硬件总体构成 .374.2 DSP 控制系统硬件设计384.2.1 DSP 最小系统的构成 384.2.2 DSP 芯片供电设计 384.3 控制系统功率主电路设计 .394.3.1 驱动芯片介绍 394.3.2 功率主回路设计 404.4 转子位置检测电路设计 .404.5 3.3V 与 5V 混合逻辑系统设计 41IV4.6 控制显示面板设计 .42第 5 章 系统软件设计445
9、.1 DSP 软件开发介绍445.1.1 C 编译器概述.445.1.2 DSP 的软件开发方法 455.1.3 DSP 中断介绍 475.2 系统软件总体结构及设计 .485.2.1 系统软件总体结构 485.2.2 主程序设计 485.2.3 紧急停机中断设计 505.2.4 位里检测中断设计 505.2.5 定时器 1 中断设计 52第 6 章 结束语53参考文献.55谢 辞.570第 1 章 绪 论1.1 研究背景一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。无论是工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务与办公设备，还是日常生活中
10、的家用电器，都大量地使用着各种各样的电机。据资料统计，现在有 90%以上的动力源来自于电动机，我国生产的电能大约有 60%用于电动机。电动机与人们的生活息息相关，密不可分。电动机主要分为同步电机、异步电机和直流电动机三种类型，其容量小至几瓦，大到上万千瓦。众所周知，直流电动机具有运行效率高、调速性能好等诸多优点，但传统的直流电动机均采用电刷，以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，大大限制了它的应用范围。为了克服机械换向带来的缺点，以电子换向取代机械换向的无刷电机应运而生。1955 年美国D.Harriso
11、n 等人首次申请了用晶体管换向电路代替机械电刷的专利，标志着现代无刷电动机的诞生，而电子换向的直流无刷电动机真正进入实用阶段，是在1978 年的 MAC 经典直流无刷电动机及其驱动器的推出之后。二十多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，直流无刷电动机得到了长足的发展12直流无刷电动机因其电枢绕组驱动电流形状的不同而分为两种类型: 一种是方波永磁同步电动机，其电枢驱动电流为方波(梯形波)，通常被称为无刷直流电机(Brushless DC Motor-BLDCM); 另一种是正弦波永磁同步电动机，其电枢驱动电流为正弦波，常称为无刷同步电机(P
12、ermanent Magnet Synchronous Motor-PMSM)3。与 PMSM 相比，BLDCM 具有明显的优越性，反馈装置更简单，功率密度更高，输出转矩更大，控制结构更为简单，使电机和逆变器各自的潜力得到充分的发挥。因此，无刷直流电机的应用和研究受到了广泛的重视，1凭其技术优势在许多场合取代了其它种类的电动机。传统的永磁无刷直流电机需要一个附加的位置传感器向驱动电路提供必要的换向信号，它的存在给直流无刷电机的应用带来很多不便。首先，位置传感器会增加电机的体积和成本;其次，连线众多的位置传感器会降低电机运行的可靠性，即便是现在应用最为广泛的霍尔传感器，也存在一定程度的磁不敏感区
13、;再次，在某些恶劣的工作环境中，如在密封的空调压缩机中，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。此外，传感器的安装精度还会影响电机的运行性能，增加生产的工艺难度4。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较为热门的研究课题。无刷直流电动机因其具有节能、低噪声、体积小和调速性能好等优点,特别适合于电冰箱、空调等家用电器。但无刷直流电机的控制算法复杂、监控软件编写难以及硬件成本偏高等实际问题限制了其发展。为了解决这一矛盾，近几年国外一些大公司纷纷推出比 MCU 性能更加优越的 DSP (数字信号处理器)单片电机控制器，如 ADI
14、公司的 ADMC3xx 系列，TI 公司的 TMS320C24 系列及 Motorola 公司的DSP56F8xx 系列。它们都是将一个将 DSP 内核配以电机控制所需的外围功能电路集成在单一芯片内，使设计的硬件成本大大降低且体积缩小、使用便捷。DSP 具有强大的运算能力，和普通的 MCU 相比，运算及处理能力增强了1050 倍，因此在其控制策略中可以使用先进的实时算法，如 Kalmar 滤波、自适应控制、模糊控制和神经元控制等，从而可以进一步提高系统的控制精度性和实时性。DSP 构成的运动控制系统可满足各种场合的需求，这将是运动控制系统实现技术的发展方向。特别在电冰箱、洗衣机、空调等家用电器
15、领域及工业变频控制领域，DSP 控制器以其结构紧凑、使用便捷、可靠性高、功能强和成本低等优势而被广泛使用。我国在永磁无刷直流电机的无位置传感器控制方面的研究也十分活跃。近2几年来，基于 DSP 控制器的无位置传感器无刷直流电机控制系统的研究取得了很多成果，但是这方面的技术还不是很成熟，没有形成系列产品，主要采用国外成熟的系统。所以，基于 DSP 的无位置传感器无刷直流电机控制系统的研究具有很重要的现实意义和应用前景。本课题研究的控制系统以 TI 公司的TMS320LF2402A 为控制核心，实现了对无位置传感器无刷直流电机的驱动和精确调速，并将电冰箱专用压缩机作为控制对象进行了试验，证明了系统
16、的可行性和有效性。1.2 研究内容本文主要研究无位置传感器无刷直流电机控制系统的设计及其实现。针对控制系统设计中的难点，对其中的几个关键技术进行了深入的研讨，主要包括以下几个方面:1.2.1 转子位置检测技术的研究无刷直流电机的运行是通过驱动桥功率器件随转子的不同位置相应地改变触发组合状态来实现的，因此准确检测转子的位置并根据转子位置准时切换功率器件的触发组合状态是控制无刷直流电机正常运行的必要条件5。如何克服反电动势法中电机起动困难，如何实现对电机转速的精确控制以及扩大电机调整范围都是值得研究的问题，而这些问题归根结底是要研究在无位置传感器无刷直流电机控制中如何精确的检测到转子位置，因而研究转子位置检测技术是本文一个重要的研究内容。1.2.2 起动方法的研究对于有位置传感器的无刷直流电机来说，顺利起动是不存在什么问题的。但对于利用反电势进行位置检测的无位置传感器无刷直流电机来说，由于静止及低速运行时电机产生的反电动势很微弱，难以正确检测到，因此无位置传感器无刷直流电机的顺利起动成了控制无位置传感器的无刷直流电机的重要问题。无位置传感器的无刷直流
