自动化毕业设计论文基于DSP直流电机调速系统设计.docx

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自动化毕业设计论文基于DSP直流电机调速系统设计

基于DSP直流电机调速系统设计

摘要

本文详细介绍了基于IT公司研发的TMS320F28335的带霍尔位置传感器的无刷直流电机调速控制系统的设计及仿真过程。

本电机调速控制系统采用的是内环为电流环，外环为速度环的双闭环控制结构。

利用无刷直流电机自带的霍尔位置传感器检测出转子的位置信号，通过串接电阻的方法来检测主电路电流信号。

系统的控制策略采用数字PID控制算法，控制技术采用经典的PWM控制。

首先，本文详细介绍了无刷直流电机的结构特点、运行原理及数学模型，并以此为基础确定了系统的控制结构、控制技术及控制策略，选定合适的核心控制芯片；然后，本文针对本控制系统的控制特点，利用Matlab的Simulink建立无刷直流电机调速系统双闭环控制的仿真模型，通过对仿真结果的分析，确定了控制系统设计的可行性；最后本文着重介绍了本控制系统的硬件和软件设计过程，并对整个控制系统设计进行了总结。

关键字：

无刷直流电机；双闭环；PID；Matlab；TMS320F28335

Abstract

ThispaperintroducesadesignandsimulationprocessindetailwhichbaseontheresearchanddevelopmentoftheITaompanyTMS320F28335belthallpositionsensorBrushlessDCMoterspeedcontrol,themotorspeedregulationcontrolsystemadoptsdoubleclosed-loopcontrolstruture.theinnerringforcurrentloop,outerringforspeedring.therotorpositionsignalisdetectedbytheBrushlessDCMoterwithhallpositionsensor.Thecombinationofresistancemethodhasbeenusedtotestmaincircuitcurrentsignal.SystemcontrolstrategyusesdigitalPIDcontrolalgorithm,PWMcontroltechologyhasbeenused.

Firstofall,thispaperintroducedthestructurecharacteristics,operationprincipleandmathematicalmodeloftheBrushlessDCMotorindetail.Thesystemcontrolstructureandcontrolstrategyandcontroltechnologyaredetermined,suitablecorecontrolchipareselectedonthisbasis.ThenaBrushlessDCMotorspeedcontrolsystemsimulationmodelofthedoubleclosedloopcontrolsystemsimulationmodelofthedoubleclosedloopcontrolisestablishedbyadoptingMatlabSimulinkwhichbasedonthecharacteristicsofthecontrolsystem,theresultsturnedoutthatthecontrolsystemdesignisfeasible;Attheendofthepaper,thedesignprocessofhardwareandsoftwareofthecontrolsystemarestatedamplyandthewholecontrolsystemdesignaresummarized.

Keyword：

BLCD;DoubleLoop;PID;Matlab;TMS320F28335

第1章绪论

1.1课题研究的背景和意义

近些年来随着永磁材料、电力电子技术、自动控制技术及大功率半导体器件的快速发展，无刷直流电机的应用越来越普遍[]。

无刷直流电机是由有刷直流电机发展变化来的，有刷直流电机因其优良的起动、调速和制动性能在工业领域中广泛应用，但由于它结构复杂，维护困难等缺点制约了它的发展。

有刷直流电机采用机械装置换向，长期使用容易造成换向器里的碳刷损伤严重，较易损坏且噪声大，而随着电力电子器件的快速发展，无刷直流电机应运而生，利用电子换向解决了有刷直流电机电刷引起的寿命短、噪声及电磁干扰等弊端，同时继承了有刷直流电机优良的调速、运行性能且质量轻、体积小，因而被广泛应用于各个领域[]。

。

1.2无刷直流电机控制技术的发展

随着现代电子科技的发展，无刷直流电机的控制技术经历了分立元器件的模拟控制电路、模拟数字混合控制电路、专用集成控制电路、以微处理器为核心的单片控制电路、数字信号处理器为核心的控制电路等多个阶段[]。

模拟控制电路系统使用方便，价格便宜，但模拟元器件的物理特性决定了模拟电路系统易老化、存在温票、升级困难等问题。

跟随电子科技的发展，无刷直流电机进入数字控制时代，最初是以简单的单片机为主控芯片的简单数字控制系统，但是由于它的控制精度和控制能力难以满足高速发展的工业需求，因而，一些厂家为满足客户需求开发出一些专用的电机控制芯片或电机专用控制板等，诸如此类的专用控制芯片往往执行速度快，但通用性不好，控制功能往往也较为简单难以满足高性能的控制需求[]。

目前，采用DSP为核心控制芯片的无刷直流电机控制系统是主要发展趋势。

本文就是就这一控制领域进行控制系统的设计与研究。

1.3本文研究的主要内容

本文首先对无刷直流电机的基本结构及其运行原理等做了深入探讨研究，基于此提出了运用双闭环控制的方法，采用数字PID控制算法设计本调速控制系统。

然后，基于Matlab/Simulink平台构建出无刷直流电机双闭环控制系统仿真模型，在此平台上验证控制方法和控制策略的可行性。

最后，论文对无刷直流电机调速系统的硬件电路设计和软件设计进行了详细论述。

该设计选用自带霍尔位置传感器的无刷直流电机为控制对像，选取TI公司的电机控制DSP芯片TMS320F28335作为主控芯片，运用电流环和速度环的双闭环控制技术，提高系统的控制能力，采用数字PID算法，提高系统的静动态性能。

第2章无刷直流电机的控制原理和数学模型

2.1无刷直流电机基本结构

无刷直流电机是永磁自控式同步电机，其基本结构主要由电动机本体、转子位置传感器和可控的电子开关电路三部分组成[]，其原理框图如图2.1所示。

图2.1直流无刷电机的原理框图

电动机本体在结构上是一台普通的凸极式同步电动机．它包括安装电枢绕组的主定子和带有永磁极的主转子两部分。

主定子上放置空间互差120°的三相对称电枢绕组，接成星形或三角形，主转子是用永久磁钢制成的一对磁极。

转子位置传感器的种类繁多，在无刷直流电机中常用的有磁敏式、电磁式、光电式等。

它也是主要由定子、转子两部分组成，定子安装在主电动机壳内，转子和主转子同轴旋转，作用是把主转子的位置检测出来。

变成电信号去控制电子开关电路，故也称转子位置检测器。

其中霍尔位置传感器是磁敏式位置传感器的一种，由于其价格低廉、使用方便，很多直流电机内部自带了霍尔传感器作为转子位置信号检测装置。

电子开关电路是电机的驱动控制电路，它里面的功率开关元件分别与主定子上各相绕组相连接．通过位置传感器输出的信号，控制功率开关器件的导通和截止．从而使主定子上各相绕组中的电流也随着转子位置的改变，按一定的顺序进行切换，实现无接触式的换向。

2.2无刷直流电机工作原理

无刷直流电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的，有刷直流电机是由定子产生恒定不变的磁场，电枢在转子上，要使电机运转，需要通过换向器和电刷不断的改变电枢绕组中的电流方向，使产生的两个磁场方向始终是相互垂直的，从而产生恒定不变的转矩驱动电机不断的旋转。

为去掉有刷直流电机上的电刷，提高电机的性能，将转子做成永磁体，而将电枢放在定子上，做成与有刷直流电机完全相反的结构。

然而这样，当电枢上通入直流电流时，只能产生恒定不变的磁场，电机仍然不能转起来。

于是，无刷直流电机利用一个电子换向结构，使电枢绕组能够按照一定的时序不断换向通电，从而使转子磁场和定子磁场始终保持空间垂直，产生推动转子不断旋转的转矩[]。

为更清楚的阐述无刷直流电机的工作原理，结合图2.2三相无刷直流电机的工作原理图和图2.3电机三相全桥驱动电路图，来详细分析无刷直流电机的工作原理。

图2.2三相无刷直流电机的工作原理图

图2.3电机三相全桥驱动电路图

电机采用三相全桥的驱动方式，V1，V2，V3，V4，V5，V6是组成三相全桥逆变器的六个功率开关，通过霍尔传感器来检测电机转子的位置信号，系统根据反馈的电机转子位置信号按一定的时序触发六个MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）开关管的通断，从而使定子绕组也按同样的时序通断。

当定子绕组的某一相导通时，永磁转子和该电流产生的磁场相互作用产生转矩，驱动电机转子旋转，再通过霍尔位置传感器将永磁转子的位置信号转换成电信号，去控制电子换向开关电路，使定子各相绕组按一定的顺序依次导通，定子绕组的相电流随永磁转子的位置变化按一定的次序换向，实现电机持续运转。

图2.3电机三相全桥驱动电路采用三相六状态、两两通电的方式，即电机运转的每一瞬间全桥电路的上下桥臂各有两个功率管导通，每隔60度电角度实现一次换向，每个功率管一次导通120度，各功率管导通顺序依次为V1V4，V1V6，V3V6，V3V2，V5V2，V5V4。

2.3无刷直流电机数学模型

以两相导通的三相六状态无刷直流电机为研究对象，建立数学模型。

无刷电机的定子绕组采用Y型连接，永磁转子为隐极型结构。

为便于研究，做出如下假定：

①忽略电机定子铁心磁路饱和，不计磁滞和涡流损耗；

②忽略定子齿槽效应及电枢反应等；

③转子三相绕组完全对称，且电流和磁场皆均匀对称分布；

④驱动电路中的功率驱动器件和续流二极管元件均为理想开关器件。

在此基础上可得三相绕组的电压方程：

（2.1）

式（2.1）中，

、

、

分别为定子三相绕组电压；r为每相绕组的电压；

、

、

分别为定子绕组相电流；L为每相绕组的自感；M为每两相绕组之间的互感；

为微分算子；

、

、

分别为定子三相绕组电动势。

当定子三相绕组为Y型连接时，有：

+

+

=0（2.2）

Mia+Mib+Mic=0（2.3）

则式（2.1）可简化为：

（2.4）

电机的电磁转矩方程：

Te=（eaia+ebib+ecic）/ω（2.5）

其中ω为电机转子的机械角速度，由此式可知：

电磁转矩大小与电动势和电流成正比，也就是调控电流的大小就可以控制转矩的大小。

由无刷直流电机的定子只有两相绕组的是导通的，电磁转矩的方程还可以表示为：

Te=KtIa（2.6）

式（2.6）中Kt为电机转矩的常数；Ia为电机转子的转数。

电机转子的运动方程可以表示为：

（2.7）

式（2.7）中ω为无刷直流电机机械角速度；J为电机转子和负载的转动惯量；Te为电机的电磁转矩；Ti为负载转矩；B为电机的阻力系数。

电机的反电动势可以表示为：

（2.8）

式（2.8）中

为电机的反电动势；

为电机反电动势常熟；ω为电机转子的转速。

电机的转数方程可以表示为：

（2.9）

结合式（2.6）和（2.9）可得无刷直流电机的机械特性为：

（2.10）

由式（2.10）可以看出，无刷直流电机具有良好的调速性能，可以通过改变电机直流侧的的电压来对电机进行无极调速。

第3章控制系统的整体结构设计和控制策略的研究

3.1控制系统的总体设计方案

本无刷直流电机调速系统主要由硬件电路和软件两部分组成。

硬件电路主要包括DSP28335主控芯片控制电路、驱动电路、逆变电路、电流检测电路、位置检测电路。

软件部分主要包括主程序部分和中断服务子程序部分。

控制系统的总体方案设计如图3.1所示，DSP主控电路主要负责处理反馈回来的相电流信号和转子位置信号，并发出相应的控制命令产生驱动电机的信号波形。

通过DSP芯片上的捕获单元捕捉转子的位置传感器反馈的位置信号，从而判断转子的实时位置，然后输出与之相适应的驱动信号给功率开关管的驱动控制芯片IR2130，由功率开关管驱动转子旋转。

控制器在捕获转子的位置脉冲信号后，计算出此时转子的转速，并且与此前设定的电机转速进行比较，通过控制程序调控电机的转速跟随设定的转速运转。

从而实现速度检测和电流环的双闭环控制。

图3.1控制系统总体方案设计图

3.2控制系统结构

本无刷直流电机调速系统结构上采用速度环为外环和电流环为内环串联的双闭环控制结构，如图3-2所示。

图3.2无刷直流电机双闭环调速控制系统

由图3.2可以看出控制系统有两个调节器，电流调节器主要是引入电流负反馈，速度调节器主要是引入速度负反馈。

系统根据设定的速度和电机速度反馈值比较得出转速误差信号，转速误差信号通过在主控DSP芯片中进行PID计算，得到电机的电流参考值；与此同时，通过系统的电流检测电路检测出实时的定子绕组电流反馈信号，电流参考值与电流反馈值比较得出电流误差信号，通过电流调节器调节后经PWM驱动控制器就可以使电机按设定的速度运转起来。

3.3控制芯片

一、控制芯片的选择

本无刷直流电机调速控制系统硬件部分主要由以控制芯片为核心的控制器和控制对象两部分组成。

控制芯片的性能决定了控制器的控制能力，因而，在我们选择控制器之前，首先我们要确定控制系统的基本技术要求，根据需要选择能完成控制系统各项指标的控制器，再结合综合控制性能要求选择合适的控制器，做到既能完成控制要求，又要节省资源，避免不必要的浪费。

因此，对控制芯片的选择主要考虑以下几个方面[]：

（1）处理速度快。

在目前无刷直流电机的控制系统中，大多是采用PWM控制技术，处理速度要求较高，一般在50us-100us就要完成控制算法的运算，一般的单片机难以达到要求，而DSP能够满足高速的处理要求。

（2）存储容量大。

控制芯片的ROM和RAM足够大，满足控制程序的存储和中间结果的存储。

（3）便于产生PWM波形。

无刷直流电机控制系统多用PWM控制技术，因而，控制芯片必须易于产生PWM波形，以方便实现电机的电压调速。

（4）有霍尔位置传感器的位置捕捉电路接口。

本控制系统是采用霍尔位置传感器检测转子的位置信号，因而，要求控制芯片上有相应的捕捉电路接口。

（5）编程灵活方便，易于移植。

控制芯片必须含有丰富的指令集，便于实现所需的控制算法，编程环境通用性要好，需支持C语言和汇编语言的混合编程。

此外，结合控制芯片的稳定性、价格、体积等方面，数字信号处理器是不错的选择。

本系统采用TI公司最新研发的电机控制专用芯片TMS320F28335作为主控芯片。

二、TMS320F28335芯片的介绍

TMS320F28335是TI公司最新研制的电机控制专用芯片，主要有一下特点及优势[]：

（1）处理速度快。

时钟频率高达150MHZ，时钟周期6.67ns,并且具备高性能的32位浮点中央处理单元；

（2）存储空间大。

片内RAM为34K×16位，Flash为256K×16位。

可外扩RAM为256K×16位，Flash为512K×16位。

片上存储器SRAM为34K×16位，FLASH为256K×16位，BOOTROM为8K×16位，OPTROM为2K×16位。

其中FLASH、OPTROM受口令保护，可以保护用户程序。

（3）芯片功耗低。

核心电压1.9V，I/O口电压3.3V。

（4）片山外设丰富。

18路PWM，6路HRPWM（高精度），2通道QEP，6通道CAP,16通道12位ADC，3通道SCI，2通道MCBSP，2通道CAN，1通道SPI,1通道I2C。

（5）芯片兼容性好。

与前代DSC相比，平均性能提升50%，并与定点C28x控制器软件兼容，可以简化软件开发，缩短开发周期，降低开发成本。

3.4控制技术

一、调速原理及调速方法选择

本系统采用Y型连接，两相导通的三相六状态无刷直流电机。

通过霍尔位置传感器实现定子绕组电流的切换控制，从而实现电机的连续运行。

直流电机电压平衡方程式为：

U-△U=E+IR（3.1）

反电动势与转数方程式为：

（3.2）

由（3.1）和（3.2）式可得：

转速

（3.3）

式（3.3）可知，电机的调速方法有以下几种：

（1）调节

。

也就是调节电机内部的磁场大小，本系统采用的是无刷直流电机，其定子是永磁体，其内部磁场是不能改变的。

因而，此种调速方法不可行。

（2）调节R。

也就是改变电枢回路中串联的电阻大小，但此方法只能实现电机的有极调速，调速不平滑并且损耗大。

因而，此种调速方法可行，但调速性能不高。

（3）调节U。

即改变定子绕组两端的电压，此种方法既能实现较大范围的调节，也能实现电机的无极调速，且调速平滑，损耗小。

因此，此方法作为本控制系统的调速方法较为合适。

二、电枢电压调节方法

由式（3.3）可知，调节无刷直流电机定子绕组两端的电压U就能实现电机调速。

本无刷直流电机调速控制系统采用脉宽调制PWM调速方式，通过改变触发信号的占空比来改变定子绕组两端的电压，从而实现对无刷直流电机的调速。

PWM控制技术可以分为双极性PWM控制和单极性PWM控制[]。

其中，双极性PWM控制技术是指两个处于工作状态的开关管在一个周期内的每60度电角度区域内或者关断或者导通；而单极性控制技术是指六个开关管分别在一个周期内的60度电角度的区域内处于导通状态。

触发信号图分别如图3.1和图3.2所示。

就一般情况相比较而言，采用单极性PWM控制的方法其电流波动较小，且功率开关管的损耗也相对较少。

因此，本控制系统选用单极性的PWM控制技术。

图3.3双极性PWM控制各触发信号图3.4单极性PWM控制各触发信号

3.5控制策略

一个控制系统的控制策略决定它的控制性能，在众多控制策略中，PID控制技术是控制系统中最常用、最实用的控制策略之一，此控制策略不但算法简单，并且可靠性好，鲁棒性能高，在电机控制系统中被广泛使用。

一、模拟PID控制原理

PID控制是指将偏差的比例（Proportion）、积分（Integral）和微分（Differential）通过线性组合构成控制量[]。

模拟PID控制系统原理框图如下图3-5所示。

3.5PID控制系统原理框图

PID控制器是一种线性的调节器，它将给定值r（t）与实际输出值c（t）的偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。

其方程式为：

（3.4）

其中

（3.5）

式（3.4）中：

为控制器的比例系数；

为控制器的积分系数。

为控制器的微分系数。

二、数字PID控制算法

为提高无刷直流电机调速控制系统的可靠性，一般采用数字PID控制算法。

数字PID控制算法主要分为：

位置式PID控制算法和增量式PID控制算法[]。

（1）位置式PID控制算法

以T为采样周期，K为采样序号，对（3.4）式进行离散化处理，得到离散PID控制方程式：

（3.6）

式（3.6）中：

T为采样周期；

K为采样序号，K=0，1，2，3......；

为第K次采样时的输出；

为第K次采样时的偏差值；

为第K-1次采样时的偏差值。

（2）增量式PID控制算法

式（3.6）可知位置式PID控制算法要对偏差e（k）进行累加，这样不仅要占用控制器较多的存储资源，而且容易产生累加误差；因而，在此基础上提出了增量式PID控制算法。

增量式PID控制算法是由位置式PID控制算式推倒得来，指的是数字控制器的输出只是控制量的增量Δ

。

由（3.6）式可写出前一时刻的输出量：

＋

（3.7）

由（3.6）减去（3.7）式得到第k时刻的输出增量：

（3.8）

式（3.8）中：

为积分系数；

为微分系数。

由此可画出数字PID电机控制系统框图如图3.6所示。

3.6数字PID电机控制系统框图

第4章基于Matlab/Simulink的调速系统仿真

Matlab是一种以矩阵为基础的交互式程序设计语言，它开发性良好，运行性可靠，并有很强的绘图功能。

Simulink是基于框图的仿真平台，该平台上提供了大量的仿真工具，具有易于编程，易于拓展的特点[]。

本章借助于Matlab的Simulink模块搭建无刷直流电机的双闭环控制系统模型，对其进行仿真实验。

4.1仿真模型搭建

根据图3.2所示的无刷直流电机双闭环控制系统结构图和无刷直流电机的数学模型，在Simulink环境下搭建出如图4.1所示的无刷直流电机双闭环调速系统仿真模型。

仿真模型中主要包括：

无刷直流电机本体模块、电流环模块、速度控制环模块、电压逆变模块和电机转矩计算模块。

图4.1无刷直流电机双闭环调速系统仿真模型

本仿真模型中的电源模块采用的是SimPowerSystem里直流电源模块，电压为12V，为控制系统提供稳定的直流电压。

三相逆变桥电路模块采用的是UinversalBridage，按时序控制MOSFET开关管的通断。

电机本体模块采用的是SimPowerSystems\Machines里面的无刷直流电机（BrushlessDCMotor）模块，无刷直流电机的参数设置成如图4.2所示。

图4.2电机参数

控制系统的换向模块是由Decoder和Gates完成的，它的主要功能就是产生三相逆变桥MOSFET开关管的控制信号，从而实现对无刷直流电机的换向逻辑控制。

因而，Decoder子系统的内部结构是一个译码器，用于三个霍尔位置信号的译码逻辑，如图4.3所示，它是依据图4.3右下角的换向时序表设计而成的，实现了将3个霍尔位置信号转化为电机的反电动势（EMF）信号。

而Gates模块的作用是将电机的反电动势信号通过译码器为三相逆变桥MOSFET开关管提供控制信号。

Gates子系统的内部结构如图4.4所示，经过Gates模块译码后的六路输出信号分别为控制三相逆变桥电路中V1-V6MOSFET管的控制信号，通过Mux模块整合为一路信号到控制系统。

此模块相当于位置传感器的逻辑信号，作用是保证电机能正确完成换向。

电流滞环控制模块是利用滞环控制原理来实现对电流的调节。

它的作用是根据电流的幅值信号和霍尔位置传感器传出的转子位置信号给出三相电流参考值，将输出的三相参考电流直接输入电流滞环控制模块与三相实际电流比较输出PWM控制信号，该模块的结构图如图4.4和4.5所示。

速度控制环模块的转速调节器采用PI调节器，输入系统额定转速和实际转速，经PI调节器输出三相参考电流。

图4.3Decoder子系统内部结构图

图4.4Gates子系统内部结