一体机控制设计电子教案.ppt
1基于基于dsPIC30F4011芯片芯片(xn pin)的无的无刷直流电机一体机双闭环控制器设计刷直流电机一体机双闭环控制器设计东南大学东南大学 林明耀教授林明耀教授 2010，12，1第一页，共25页。一体机控制器设计简介一体机控制器设计简介 一体机控制器硬件设计一体机控制器硬件设计 一体机控制器软件设计一体机控制器软件设计 一体机控制系统测试结果一体机控制系统测试结果 总结总结(zngji)与展望与展望2第二页，共25页。设计设计(shj)简介简介背景及意义背景及意义 无刷直流电机无刷直流电机(brushless DC motor,BLDCM)结构简单、运行可靠、结构简单、运行可靠、调速性能好，在工业调速性能好，在工业(gngy)和商业和商业领域得到广泛应用。领域得到广泛应用。将电机与控制器有机结合，设计将电机与控制器有机结合，设计成一体机，结构紧凑、体积小、可靠成一体机，结构紧凑、体积小、可靠性高，具有非常重要的工程实用价值性高，具有非常重要的工程实用价值。3第三页，共25页。控制器简介控制器简介 采采用用(ciyng)dsPIC30F4011 为为核核心心控控制制芯片芯片 设设计计了了与与PC机机及及PLC通通信信接接口口，方方便便操操作作 对电机转速、电流实现双闭环对电机转速、电流实现双闭环PI控制控制 采采用用(ciyng)软软硬硬件件结结合合实实现现过过/欠欠压压，过流和过温保过流和过温保 护等功能护等功能 可实现快速起动、停车、切换旋转方向可实现快速起动、停车、切换旋转方向 整整个个控控制制系系统统结结构构紧紧凑凑，功功能能丰丰富富，运运行行 可靠可靠 设计设计(shj)简介简介4第四页，共25页。一体机控制器设计一体机控制器设计(shj)简介简介PC通信接口PLC通信接口主芯片(xn pin)5第五页，共25页。一体机控制器硬件一体机控制器硬件(yn jin)设计设计控制器原理控制器原理(yunl)框图框图6第六页，共25页。主电路主电路(dinl)7第七页，共25页。24V直流电源逆变桥为无刷直流电机供电直流电源逆变桥为无刷直流电机供电24V转变成转变成15V及及5V分别为分别为MOSFET驱动电路、数字信号驱动电路、数字信号处理器处理器dsPIC30F4011及外围电路供电及外围电路供电 DSC捕获霍尔信号，获得捕获霍尔信号，获得BLDCM换相及并根据换相时间换相及并根据换相时间间隔间隔(jin g)计算转速计算转速电压电流检测电路把直流侧电压电流转换成电压电流检测电路把直流侧电压电流转换成0-5V适合适合A/D转换的电压量，并为硬件过流、过压保护电路提供信息。转换的电压量，并为硬件过流、过压保护电路提供信息。温度检测电路通过温度检测电路通过IIC方式直接发送数字温度给方式直接发送数字温度给DSC设计控制器与设计控制器与PLC通信接口，并编写了控制器与通信接口，并编写了控制器与PC机异机异步串口通信协议步串口通信协议一体机控制器硬件一体机控制器硬件(yn jin)设计设计8第八页，共25页。l主控芯片选取主控芯片选取l采采用用美美国国(mi u)Microchip公公司司生生产产的的数数字字信信号号控控制制器器(DSC)dsPIC30F4011 为为核核心心控控制制芯片芯片一体机控制器硬件一体机控制器硬件(yn jin)设计设计dsPIC30F40119第九页，共25页。dsPIC30F4011 一款高性能、低成本电机控制专用芯片一款高性能、低成本电机控制专用芯片 集集单单片片微微处处理理器器(MCU)和和数数字字信信号号(xnho)处处理理器器(DSP)于一于一 体，快速处理数据体，快速处理数据电电 机机 控控 制制 模模 块块，可可 编编 程程 输输 出出 6路路 PWM信信 号号(xnho)10位位AD采样模块，采样模块，有电平变化捕捉接口和正交编码器接口有电平变化捕捉接口和正交编码器接口具有具有IIC、SPI、UART、CAN通信接口通信接口 大大简化了外围电路的设计大大简化了外围电路的设计一体机控制器硬件一体机控制器硬件(yn jin)设计设计10第十页，共25页。l逆变桥驱动电路逆变桥驱动电路(dinl)l驱动芯片采用驱动芯片采用IR公司生产的公司生产的IR2101，输入端具有，输入端具有施密特触发器，能够自动屏蔽小的扰动，防止误施密特触发器，能够自动屏蔽小的扰动，防止误动作动作 l DSC电机电机PWM控制模块驱动功率大，不采用光耦控制模块驱动功率大，不采用光耦隔离放大，降低了成本，减小了控制器体积隔离放大，降低了成本，减小了控制器体积一体机控制器硬件一体机控制器硬件(yn jin)设计设计11第十一页，共25页。一体机控制器硬件一体机控制器硬件(yn jin)设计设计l电流检测电路电流检测电路(dinl)l 系统控制方式采用二二导通方式系统控制方式采用二二导通方式，通过，通过检测逆变桥直流侧电流，由运算放大器及电阻检测逆变桥直流侧电流，由运算放大器及电阻网络，将电流信号转换成电压网络，将电流信号转换成电压 12第十二页，共25页。一体机控制器硬件一体机控制器硬件(yn jin)设计设计电流采样电流采样(ci yn)电路输出电压为：电路输出电压为：选取合适的电阻，线性测量电流范围选取合适的电阻，线性测量电流范围(fnwi)-20A至至22A，对应运放输出，对应运放输出Vo为为0-4.8V，适合于，适合于AD转换和硬转换和硬件保护输入的电压范围件保护输入的电压范围(fnwi)13第十三页，共25页。过流过压保护电路过流过压保护电路 电压电流电压电流(dinli)采样电路输出，与采样电路输出，与标准电压进行比较，标准电压进行比较，DSC捕获比较结果，捕获比较结果，实现保护功能实现保护功能一体机控制器硬件一体机控制器硬件(yn jin)设计设计14第十四页，共25页。l PCL接口电路接口电路l 控制系统向控制系统向PLC输出包括欠输出包括欠/过压、过流及过过压、过流及过温报警信温报警信l息和速度达到指定速度信息息和速度达到指定速度信息(xnx)；l PLC向控制系统输入各种控制量，包括启动、向控制系统输入各种控制量，包括启动、停止、停止、l切换转向等信息切换转向等信息(xnx)。一体机控制器硬件一体机控制器硬件(yn jin)设计设计15第十五页，共25页。为使控制系统获得良好动稳态特性，采用速度为使控制系统获得良好动稳态特性，采用速度(sd)、电流双闭环、电流双闭环PI控制策略控制策略，控制框图为：，控制框图为：一体机控制器软件设计一体机控制器软件设计16第十六页，共25页。l软件(run jin)流程图一体机控制器软件设计一体机控制器软件设计17第十七页，共25页。系统软件系统软件(run jin)流程主要包括主程序、霍尔信号捕获中断程流程主要包括主程序、霍尔信号捕获中断程序、序、AD采样中断程序及电机制动程序采样中断程序及电机制动程序 主程序主要包括各种全局变量的宏定义、主程序主要包括各种全局变量的宏定义、PWM模块、霍尔捕获、模块、霍尔捕获、AD、IO口、口、UART等系统初始化，并实现与等系统初始化，并实现与PC机及机及PLC通信功通信功能能 霍尔信号捕获中断程序主要实现电机换相、获取电机实际转速、霍尔信号捕获中断程序主要实现电机换相、获取电机实际转速、计算速度环计算速度环PI值功能值功能 AD采样中断程序主要实现将直流侧电压、电流转换成数字量，计采样中断程序主要实现将直流侧电压、电流转换成数字量，计算电流环算电流环PI，并在软件，并在软件(run jin)中实现过流及欠中实现过流及欠/过压保护和过压保护和限制泵升电压过大等功能限制泵升电压过大等功能 电机制动程序实现能耗制动，快速停机的功能电机制动程序实现能耗制动，快速停机的功能 一体机控制器软件设计一体机控制器软件设计18第十八页，共25页。一体机控制系统一体机控制系统(kn zh x tn)电机控制器直流电源实验实验(shyn)平台平台19第十九页，共25页。l 实验实验(shyn)结果结果一体机控制系统测试一体机控制系统测试(csh)结果结果空载空载(kn zi)实验实验红线为设红线为设定转速定转速蓝线为实蓝线为实际转速际转速 转速变化转速变化电流变化电流变化20第二十页，共25页。一体机控制系统测试一体机控制系统测试(csh)结果结果参考转速为参考转速为1500r/min,负载变化负载变化(binhu)时实验结果时实验结果加载卸载(xi zi)转速变化转速变化电流变化电流变化21第二十一页，共25页。参考转速参考转速(zhun s)为为3000r/min,负载变化时负载变化时实验结果实验结果 转速(zhun s)变化电流电流(dinli)变变化化加载卸载22第二十二页，共25页。从测试结果可知，该一体机系统具有：从测试结果可知，该一体机系统具有：良好的稳态性能，稳态时转速误差可以控制在良好的稳态性能，稳态时转速误差可以控制在0.3%内内良好的动态响应性能，能够良好的动态响应性能，能够(nnggu)快速达到参快速达到参考速度，且超调小考速度，且超调小一体机控制系统一体机控制系统(kn zh x tn)测试结果测试结果23第二十三页，共25页。总结总结(zngji)与展望与展望 综综合合考考虑虑电电机机形形状状、大大小小、功功率率等等因因素素，设设计计一一体体机机的的控控制制电路，将电机与控制器有机结合，开发出一体机控制器。电路，将电机与控制器有机结合，开发出一体机控制器。使一体机控制器：使一体机控制器：占用空间小占用空间小易于工业安装易于工业安装操作操作(cozu)简化，可靠性高简化，可靠性高易于实现多台电机联动控制易于实现多台电机联动控制24第二十四页，共25页。！25第二十五页，共25页。
