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1、 基于DSP的方波无刷直流电动机（BLDCM）调速系统院 系自动化学院专 业自动化班 级5407202学 号2姓 名 聪指导教师红梅负责教师红梅航空工业学院2009年6月 / 摘 要脉冲宽度调制（PWM）技术是一种控制电机速度的有效调制方式。本文阐述了脉冲宽度调制技术的基本原理与其逆变电路，介绍了脉冲宽度调制技术的计算方法。运用Matlab采用正弦脉冲宽度调制（SPWM）的感应电机闭环变压变频调速系统进行建模与仿真。在理论分析和仿真研究的基础上，进行基于DSP的电机控制变频调速系统的硬件设计，观测在采用正弦脉冲宽度调制（SPWM）控制方式下系统稳态与动态以与有关控制参数变化的影响。最后，实验结
2、果证明正弦脉冲宽度调制（SPWM）技术对双闭环直流调速系统控制的有效性。关键词： SPWM（正弦脉冲宽度调制）；调速系统 ；DSP控制；MatlabAbstractPulse width modulation (PWM) technology is an effective modulation scheme of controlling the motor speed. In this paper, the basic principles of PWM technology and its inverter circuit has been stated. This paper has a
3、lso mentioned the calculation methods of the PWM technique. The induction motor closed-loop VVVF speed control system with Matlab and SPWM has been employed for modeling and simulation. On the basis of the theoretical analysis and simulation study, the hardware design of the DSP-based VVVF motor con
4、trol system has been made. Then the influences of the steady state and dynamic state of the system altogether with the controlled parameters have been observed under the condition of the pulse width modulation (SPWM) control. Finally, the results of the experiment show that the sinusoidal pulse widt
5、h modulation (SPWM) technology is effective to the double-loop control of DC drive system. Key words: (SPWM) sine pulse width modulation; DC speed regulation system; DSP Control ; Matlab目 录第1章绪论11.1 课题背景11.2无刷直流电机的发展与现状21.3 脉冲宽度调制（PWM）技术的概述31.4 本课题的主要任务与容4第2章总体设计方案62.1 概述62.2 调速系统的设计方案6第3章直流调速系统83.1
6、 转速、电流双闭环直流调速系统的组成与特性83.2 双闭环调速系统的特性93.2.1 稳态结构93.2.2 双闭环调速系统的稳态特性113.2.3 双闭环调速系统的动态特性123.2.4 转速、电流双闭环调速系统静动态品质评价13第4章脉冲宽度调制154.1 PWM控制技术的基本原理154.2 PWM逆变电路与其控制方法164.2.1 计算法和调制法164.2.2 异步调制、同步调制和分段同步调制194.3 直流PWM变换器的基本类型和工作原理214.4 有关SPWM控制的计算法234.5 利用软件产生SPWM脉冲254.5.1 数字三角波的产生、PWM的输出264.5.2 关键的控制参数26
7、第5章软件设计与硬件调试285.1 MATLAB语言与特点285.2正弦脉冲宽度调制（SPWM）的电机变频调速系统的建模与仿真295.2.1 系统模块的结构组成与建立295.2.2 调速系统的仿真与调试295.2.3 调速系统的仿真结果与分析305.3 调速系统的硬件设计与调试335.3.1 控制系统的的概述335.3.2 采用正弦脉宽调制（SPWM）调速系统的研究容355.3.3变频调速系统的具体设计355.4 系统的调试与性能测试365.5 系统性能测试的结果和分析38结论44社会经济效益分析46参考文献47致48第1章 绪论1.1 课题背景DSP(Digital Signal Proce
8、ssor)芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。现代DSP芯片作为可编程超大规模集成电路(VLSI)器件，通过可下载的软件或部硬件来实现复杂的数字信号处理功能。DSP芯片除具备普通微处理器的高速运算和控制功能外，针对高数据传输速率、数值运算密集的实时数字信号处理操作，在处理器结构、指令系统和指令流程设计等方面都做了较大的改进。无刷直流电机（BLDCM）是在有刷直流电动机的基础上发展来的，但它的驱动电流是不折不扣的交流；无刷直流电机又可以分为无刷速率电机和无刷力矩电机。一般地，无刷电机的驱动电流有两种，一种是梯形波（
9、一般是“方波”），另一种是正弦波。有时候把前一种叫直流无刷电机，后一种叫交流伺服电机，确切地讲是交流伺服电动机的一种。 无刷直流电机为了减少转动惯量，通常采用“细长”的结构。无刷直流电机在重量和体积上要比有刷直流电机小的多，相应的转动惯量可以减少40%50%左右。由于永磁材料的加工问题，致使无刷直流电机一般的容量都在100kW以下。这种电动机的机械特性和调节特性的线性度好，调速围广，寿命长，维护方便噪声小，不存在因电刷而引起的一系列问题，所以这种电动机在控制系统中有很大的应用潜力。电机有多种调速方式，如：变频调速、变压调速、变频变压调速等等。PWM调速较其它调速方式的优点：1）开关频率高，电流
10、容易连续，谐波少，电机损耗与发热都较小；2）低速性能好，稳速精度高，调速围宽；3）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；4）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；5）直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。基于PWM调速技术的优点，本方案采用了SPWM调速技术对直流电机进行更好的调速。随着DSP信号处理技术在工业控制领域中的广泛应用，基于DSP控制系统早已应用于实际的工业控制系统中。现代控制系统的日益复杂，模拟的控制系统的缺点越来越明显。为了适应现代技术的发展，本课题设计的就是基于DSP的直流电动
11、机（BLDCM）的变频控制调速系统。在学习matlab的基础上使仿真和实时控制相结合，能提高我们对控制理论与方法的理解。1.2无刷直流电机的发展与现状一直以来，直流电动机以其优良的转矩控制特性，以与宽阔而平滑的调速性能，在需要调速的应用领域占有重要地位。但是，传统的直流电动机均采用机械方式换向，在电刷和换向器之间存在机械摩擦，由此带来了火花、噪声、无线电干扰以与寿命短等弱点，再加上制造成本高与维修困难等缺点，大大限制了直流调速的发展和应用围。为了取代有刷直流电动机这种电刷换向器结构的机械接触装置，人们对此进行了长期的探索。早在1915年，美国人兰格米尔(langmill)就发明了带控制栅极的水
12、银整流器，制成了直流变交流的逆变装置，1917年，Boliger提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。20世纪三十年代，有人开始研制以电子换向取代电刷机械换向的无刷直流电机，但当时，由于受到元器件的限制，没有发展起来。1955年美国的D.哈里森(Harrison)等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电动机机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电动机的诞生。随着半导体技术的飞速发展，人们对1876年美国人霍尔发现的霍尔效应再次发生兴趣，经过多年努力，终于在1962年试制成功了借助霍尔元件换流的无刷直流电动机，从而开创了无刷直流电动机的新纪元。20世纪六十年
13、代至七十年代，有关无刷直流电动机的文献开始出现。1978年原西德MANNESMANN公司在汉诺威贸易博览会上推出MAC方波无刷直流电动机与其驱动器，标志着方波无刷直流电动机技术进入实用阶段。尤其是1986年H.R.Bolton对方波无刷直流电动机进行了全面系统的总结，成为方波无刷直流电动机研究的经典文献，它标志着方波无刷直流电动机在理论上达到了成熟。近年来随着高性能永磁材料、微电子技术、自动控制技术和电力电子技术的快速发展，永磁无刷直流电机得到了迅速的发展。由于克服了机械换向装置的固有缺点，所以无刷直流电机具有调速性能优越，体积小、重量轻、效率高、转动惯量小、不存在励磁损耗问题等诸多优点。直流
14、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：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，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，凭其技术优势在许多场合取代了其它种类的电动机。特别是在微特电机领域，在小功率，高转速的调速领域，如航空航天、机器人、数控机床等精密传动领域，无刷
15、直流电机都占据着主要位置。近年来，无刷直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机进入控制领域，以与新型的电力电子功率元器件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（pulse width modulation，简称PWM）控制方式已成为绝对主流。这种控制方式很容易在计算机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。1.3 脉冲宽度调制（PWM）技术的概述除了能通过改变输出电压脉冲的幅值对输出进行调节和控制外，功率半导体开关器件的开关动作还可以有另外两种可能的基本控制模式：脉冲宽度调制和脉冲频率调制。对于脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM），功率半导体开关器件的开关频率相对固定不变，通过控制开通或关断的时间达到控制变换目的，因此也常被称为定频调宽控制；在脉冲频率调制（pulse frequency modulation，PFM）中，功率半导体开关器件的开通或关断的时间相对恒定，通过改变开关的频率达到控制变换的目的，所以也常被称为定宽控制。由于脉冲宽度调制的分析、控制和实现都较脉冲频率调制简单，因此应用更广泛，被绝大多数逆变器所采用。1964年，德
