基于dsp电机控制技术的研究.docx

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基于dsp电机控制技术的研究

基于DSP电机控制技术的研究

摘要

电机在各种电气传动和位置伺服系统中占有及其重要的位置，电机控制的目标主要是速度控制和位置控制。

近年来，随着电力电子技术、微电子技术、材料技术的飞速发展，电机控制的研究也越来越重要，高性能电机控制系统也在不断地更新。

尤其是将DSP技术运用到电机控制之后硬件的统一性与软件的灵活性可以有机结合，电机的数字化及集成化控制成了电机控制的发展方向。

本课题以曾经在实际工程项目中使用到的步进电机为例，在实现这种电机的DSP控制的基础上，建立电机控制机平台，设计电机控制系统。

论文首先分析了电机控制的发展现状，指出电机控制的一般问题及DSP控制系统的特点。

阐述了步进电机的基本构成、工作原理、控制系统的构成及其基本控制策略，给出了基于DSP的电机控制系统设计方案,然后在前期的工作及所取得的阶段性成果的基础上，以TI公司的DSPTMS320C55为核心设计了硬件系统，并编写了系统软件。

硬件包括计算机，ICETEK仿真器、ICETEK-VC5509-A系统板相关连线及电源，在设计上实现了系统的硬件电路小型化及模块化。

软件采用C语言编程方式，根据系统设计的硬件电路及采用的控制策略，编写了相应的控制系统软件

关键词　DSP；电机控制系统；脉宽调制

ResearchonMotorControlTechnologyBasedonDSP

Abstract

Motorsplayanextremelyimportantroleinmultifariouselectricdriveandpositionservosystems．Theaimsofmotorcontrolaremainlyspeedandpositioncontrol．Withthefastdevelopmentofpowerelectronics，micro-electronicsandmaterials，theresearchofmotorcontrolrecentlybecomesmoreandmoreimportantandthemotorcontrolsystemwithhighperformanceisupdatedceaselessly．MotorcontrolisonthewayofdigitalandintergrationespeciallywhentheDSPtechnologieswhichcancombinetheonenessofhardwarewiththeflexiblenessofsoftwareareappliedtoit．ThisthesistakesasteppermotorwhichhavebeenusedbeforeinsomeprojectsforexamplerealizesDSPsolutionsforthemotors．

Firstofall，thethesisanalysesthedevelopmentandactualityofmotorcontrolsystem,indicatesthecommenexistingproblem，andintroducesthecharacteristicsofDSPsolutionformotors．Secondly，thebasicelementsandtheoperatingprincipleofthesteppermotormodelisanalyzed．Thestructureofcontrolsystemanditscontrolstrategiesarealsoresaerchedinthisthesis,atthesametime，thedesignschemeofthesyetembasedonDSPisexpounded.Thirdly，onthebasisofthepresentoutcome，thehardwareandsoftwareofsyetembasedonTMS320C5producedbyTICompanyaredesignedInthehardwareofsystem，Computer、ICETEKsimulater、ICETEK-VC-5509-Asyetemcircuit、powerlineandpowersupplycircuitarerealized．Inthesoftwareofthesystem，thesoftwarearewritteninCaccordingtohardwarecircuitstructureabdcontrolstrategiesofthesystem．

Keywords　DSP;Motorcontrolsystem;Pulse-WidthModulation

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第1章绪论

1.1课题背景

在各种传统系统和伺服控制系统中，我们经常会使用到各种各样的驱动电机，由此也产生了各种电机控制系统。

不难发现，一部分电机的控制系统在硬件结构上有很多相似之处，只是在具体控制方法和策略的软件实现上有所不同。

如在三项无刷直流电机、永磁同步电机及三相感应电机甚至式直流电机的控制中，它们的基本功率逆变电路、母线电压及电流的检测、模数转换等都可以利用相同的硬件电路，而在针对不同的电机进行控制时则可以在软件中通过调用不同的模块程序来实现；同时，即使在同一个工程项目中使用的电机可能有几个火几种，如果单独来设计控制器，则不仅会使工作量加大，控制系统也变得更复杂，可靠性也会降低。

基于此，我们有必要构建一个电机控制级平台，使其可以同时实现对几种或几种电机控制，也可以以此平台为基础，为电机的控制系统及其控制策略的深入研究奠定基础。

1.2电机控制系统的发展现状

1.2.1电机控制系统的发展

电机控制系统的发展从主传动机电能转换角度来讲，有机械控制系统（如齿轮箱变速）、机械和电气联合控制系统（如感应电机电磁离合器调速）发展到全电气控制系统（基于电力电子电源变换器的电机控制系统）；从控制电路来讲，有模拟电路、数字和模拟混合电路发展全数字电路控制系统；从控制策略角度来讲。

从最初的抵消有级控制发展到现在的高性能智能型控制系统。

近用于电机控制系统的各种电源变换器就有AD、DC可控整流器、DC、AC逆变桥，DC、DC斩波器、AC、AC循环变换器和矩阵变化器等[1]。

就电机控制的目标来讲，主要有速度控制和位置控制两大类。

电机的速度控制系统也可称为电机调速系统，它广泛地应用于机械、冶金、化工、纺织、矿山和交通等工业部门。

电机的位置控制系统或位置伺服系统也称为电机的运动控制（MotorControl）系统。

电机的运动控制系统是通过电机伺服驱动装置将给定的位置指令变成期望的机构运动，一般系统功率不大，但有定位精度要求，并具有频繁启动和制动的特点，在雷达、导航、数控机床、机器人、磁盘驱动器和自动洗衣机等领域得到广泛应用。

随着电力电子技术、微电子技术和稀土永磁材料的飞速发展，高性能电机控制系统技术不断地更新，成本不断降低，新型电机不断出现，交流电机驱动系统正不断地取代直流电机控制。

提高电机控制系统性能地研究工作主要有以下几个方面：

1．新型功率控制器件和PWM技术的应用

可控型功率器件的不断进步为电机控制系统的完善提供了硬件保证，如大功率晶体管（GTR）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、绝缘栅可换向晶体管（IGCT）等的实用化，使得高频、高压、大功率PWM控制技术成为可能。

电机控制的基本手段是如何控制PWM波形使得功率控制器件输出的电压和电流波形能满足电机高性能运行的要求。

现代电机控制系统都是依靠电力电子器件构成变流装置的，即采用以强电为动力、以弱点控制强电，强弱电结合这一关键技术。

典型的功率控制器有直流斩波器、交直交电流型或电压型变换器、交交循环变换器和矩阵变换器等。

直流斩波器主要优点是可以将直流电压升高或降低，它广泛应用于开关电源。

交直交电流型变换器的优点在于可实现自然换相，并且容量可以做的很大，但是平波电抗器比较笨重，当电源存在干扰时会造成换相失败。

对于绝大多数中小型电机来说，主要是采用交直交电压型变换器。

目前己经有许多采用MOSFET和IGBT器件做成的变频器产品，开关频率可达20kHz，实现无噪声驱动。

值得注意的是，国外正在加紧研制新型变频器，如矩阵变换器，高功率因数可控补偿变换器，中性点嵌位、级联式和飞跨电容式多电平变换器，电机控制系统将得到新的发展。

2.矢量变换控制技术与现代控制理论的应用

矢量变换控制主要研究感应电机的动态控制过程，不但控制电流和磁通等变量的幅值，同时也控制这些变量的相位。

并利用现代线性系统控制中状态重构和估计的概念，巧妙地实现了感应电机磁通和转矩在等效两相正交绕组状态下的重构和解藕控制，从而促进了感应电机矢量控制系统的实用化。

矢量变换控制方法己经从最初的感应电机推广到了同步电机的控制，并出现了基于矢量变换的各种控制技术。

3.微机、微处理器和数字信号处理器（DSP）的应用

随着电子技术的发展，微机和数字控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大提高，以单片机为核心的全数字化控制系统正不断地取代传统的模拟器件控制系统。

但是单片机只能处理信息量不大的简单系统，而对于交流电机等较为复杂的系统就需要存储多种数据、实时处理能力，此时就可采用微处理器或DSP芯片的嵌入式解决方案。

这样就可以将系统控制、故障监视、诊断和保护、人机交互界面等功能集成一体，实现高性能复杂算法的控制系统。

4.新型电机和无传感器控制技术研究

各种电机控制系统的发展对电机本身提出了更高的要求，需要研究新型电机设计、动态建模和控制策略。

高性能的控制系统利用位置传感器或速度传感器检测位置或速度，而这类传感器使系统体积增大，可靠性降低。

为此，无传感器的控制系统成为新的研究热点。

通常无传感器系统的算法复杂，计算量大，需要采用具有高速计算能力的DSP芯片，因此，研究DSP芯片硬件和软件，实现电机控制复杂的算法成为无传感器电机控制系统的关键[2]。

1.2.2电机控制系统的类型

在电气传动系统和位置伺服系统中，经常需要使用各种各样的驱动电机，如直流电机、感应电机、无刷直流电机、永磁同步电机、步进电机等。

由此产生的电机控制系统主要有以下几种：

1．直流电机控制系统直流电机由于励磁磁场和电枢磁场完全解藕，可以独立控制，具备良好的调速性能，出力大，调速范围宽和易于控制，广泛用于拖动系统中，目前在各种推进系统中也仍有着广泛的应用。

2．感应电机控制系统感应电机定子一般为多对称多相绕组，转子可以使绕线式，也可以式鼠笼式绕组。

由于转子结构的不同而有不同的控制策略。

如绕线式感应电机可以实现转子串电阻调速、串级调速等，而鼠笼式感应电机可以实现电子变频、变极调速等。

现代交流感电机控制系统主要有以下几种:

矢量变换控制系统、转差频率控制系统、直接转矩控制系统、空间矢量调制控制系统、智能控制系统等。

3．同步电机控制系统永磁交流电机的驱动电源波形分为方波和正弦波。

前者称为直流无刷永磁电机，而后者称为永磁同步电机。

永磁无刷直流电机的特点是磁极位置检测与无换向器电机一样比较简单，通常为