基于DSP2407的无刷直流电动机驱动控制系统设计教学文稿.doc

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1、编号：（ ）字 号本科生毕业设计（论文）无刷直流电动机驱动控制系统设计 赵正雄 04091908电气工程与自动化2009-7班题目： 姓名： 学号： 班级： 二一三年六月中 国 矿 业 大 学本科生毕业设计姓 名： 赵正雄 学 号： 04091908 学 院： 信息与电气工程学院 专 业： 电气工程与自动化 设计题目： 无刷直流电动机驱动控制系统设计 专 题： 指导教师： 胡泳军 职 称： 副教授 二一三年 六月 徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院 信息与电气工程学院 专业年级 电气09级 学生姓名 赵正雄 任务下达日期： 2012年12月31日毕业设计日期： 2012年12月31日至2013

2、年6月12日毕业设计题目： 无刷直流电动机驱动控制系统设计毕业设计专题题目： 毕业设计主要内容和要求：1. 熟悉直流无刷电动机的工作原理2. 掌握直流无刷电动机控制系统的设计方法和工作原理3. 设计一种基于单片机的直流无刷电动机控制器并分析各模块的工作过程4. 完成控制器的PCB设计（原理图、印制板图）5. 翻译电气自动化方面专业外文资料（中文字数不少于3000字）院长签字： 指导教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在

3、问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计

4、答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 要本课题介绍了基于DSP的无刷直流电机控制系统的设计和工作原理。文中重点分为系统原理分析,数学算法设计，硬件电路搭建，软件模块组成，实物及课题相关实践阐述等5个部分，根据设计要求，选用TMS320LF2407A作为控制芯片。文中首先对无刷直流电机的发展历程、前景做了简要阐述，介绍了它基本组成和工作原理，着重介绍了电机换相和PWM对逆变桥路的逻辑控制过程。在认识了电机工作原理和

5、数学模型的基础上，第三章详细分析了控制系统总体方案设计研究，对速度、电流双闭环PID调节方式进行优化，采用积分分离的PID控制算法以满足无静差平稳调速的需求。硬件设计部分，根据控制需求并参照DSP引脚定义和性能，完成DSP最小系统、驱动控制电路、采样电路、控制键盘显示电路、保护电路等,并进行详细的原理阐述和过程分析。在此基础上，提出基于DSP带位置传感器的无刷直流电机控制系统设计方案。同时，对软件模块进行初步设计包括主程序的初始化，利用中断子程序完成PWM信号触发、测速、换相、PID算法实现等功能，使设计达到基本要求。同时，为了更好地理解本课题在实践中应用，设计过程中有幸到“苏州博世技术中心有

6、限公司”对基于英飞凌XC866 BLDC控制器进行研发测试，真正接触到“无刷直流电机驱动控制系统”在产品中的应用。关键词：无刷直流电机；DSP；PWM；电子换相ABSTRACTThis thesis describes the design and working principle of the Permanent Magnet Brushless DC (BLDC) motor control system based on DSP. This article is composed of 5partssystem principle, mathematical algorithm des

7、ign, hardware circuit structures, software modules and practices about this paper. According to the design requirements, the DSP-TMS320LF2407A is chosen as the control chip.Firstly, the thesis introduces course of development and prospect of the BLDC motor. Presents a brief exposition of the basic c

8、omposition and working principle, which mainly focus on motor commutation and PWM inverter bridge logic control. After this, Chapter III detailed analysis of the overall plan of the control system design. Optimized the speed, current double-loop PID regulation mode to Integral Separation PID control

9、 algorithm, which can meet the needs of a smooth speed control without static error. Then, as to the hardware design. DSP minimum system drive circuit module, the current speed sampling module, protection module, control the keyboard display module are completed referring to the control requirements

10、 and DSP definitions. For the software part，with the introduction of main program and interrupt subroutine, some flow charts and procedure are provided. Through all the design process ,I had an internship in RBAC(BOSCH)where I can do some research on Electric Control Unit of E-bike (equipped with BL

11、DC)based on Infineon XC866 . The BLDC control system has the characteristic of simple structure, high dependability, and can be used in many fields. KEY WORDS: Permanent Magnet Brushless DC ; DSP ; PWM ; Electronic commutation目 录1 绪论11.1课题背景及意义11.2国内外相关情况研究综述11.3论文主要内容32 无刷直流电机的工作原理和数学模型42.1无刷直流电机的基

12、本结构42.1.1电机本体42.1.2转子位置传感器52.1.3驱动控制电路52.2无刷直流电机工作原理62.3星形全桥驱动62.4无刷直流电机数学模型93 控制系统总体方案设计研究113.1控制系统总体方案113.2控制结构113.3 PID控制研究123.3.1 PID基本原理123.3.2 PID算法设计133.4控制技术143.4.1调速原理143.4.2电枢电压调节153.4.3 PWM相关技术164 控制系统硬件设计184.1总体硬件结构184.1.1 TMS320LF2407芯片介绍184.2 DSP控制模块硬件设计194.2.1电源电路194.2.2外围电路194.3驱动方案和

13、器件选择224.3.1主功率逆变电路224.3.2驱动芯片及选型224.3.3驱动电路设计264.4采样电路274.4.1位置信号及速度信号采样274.4.2电流采样304.5键盘及显示电路314.6保护电路324.6.1过压、欠压保护324.6.2光耦合隔离325 控制系统软件设计345.1软件设计总述345.2主程序设计345.2.1初始化子程序345.3中断服务程序设计355.3.1捕捉中断模块355.3.2 PWM波形比较生成模块365.3.3定时器中断模块385.3.4电机保护中断模块406 结论及课题相关实践416.1课题相关实践416.2全文总结43参考文献45附录47翻译部分4

14、8外文原文48中文译文54致 谢60中国矿业大学2013届本科生毕业设计 第60页1 绪论1.1课题背景及意义众所周知，日常生活中直流电机因其良好的启制动性能，大范围内平滑调速等优点而被广泛使用，但其电刷和换向器严重影响了它的性能（容量、速度等），从而限制了它的发展空间；交流电机的优点是结构简单，运行稳定，适用特大容量、极高转速的调速系统，但其启动、调速性能差使得应用范围再次受到制约。人们迫切希望能够在保持直流电机良好性能的同时改善机械换相、电刷火花的影响。随着电力电子技术的发展，尤其是大功率电子器件的不断更新，这个愿望逐渐得以实现。一种新型电机无刷直流电机（BLDC）进入人们的视野，传统的机

15、械换相被电子换相所取代。以电动车（E-Bike）为例，其外转子使用磁钢片用来产生固定的磁场（传统直流电机的内转子），定子为三相绕组（直流电通过逆变桥路，通过控制MOSFET或IGBT的开通关断产生三相电流，然后对应接入三相绕组）根据磁生电原理从而产生内部旋转磁场。可以说，无刷直流电机集直流电机、交流电机优点于一身，它最大的特长如下：剔除了换相、机械电刷结构。它既具有启动、调速方便，堵转转矩大，结构简单，容量大等优点，同时也摆脱机械换相的制约，可以在高速环境下稳定运行，工作效率得到大大提升。目前，国内外对无刷直流电机的定义为在工作气息内产生“跳跃式”（梯形波/方波）旋转磁场的永磁电动机，而180

16、导通型正弦波驱动则为自控式永磁同步电机（PMSM）。二者虽然基本结构相同，但其工作运行原理却有很大不同：BLDC精度低，力矩脉动大，转子位置传感器采用霍尔器件，更适用于低功率速度单一稳定的控制系统；PMSM价格贵，精度高，力矩脉动小，转子位置传感器采用无接触式旋转变压器，更适用于高功率的精密伺服控制系统。同时，普通微处理器和单片由于其处理速度和存储空间的限制，越来越跟不上时代的发展，随着科学技术尤其是微电子产品和控制理论的飞速发展，数字信号处理器DSP已经逐渐成为主流控制芯片。1.2国内外相关情况研究综述目前国内无刷直流电机控制技术发展已经相对成熟，无刷直流电机已经在众多领域普遍开来，如家用电

17、器设备、汽车工业、机床纺织工业、军工产业等，该领域处于上升阶段。国外在BLDC技术上的研究水平与中国基本一样，但在大型电机方面（航空军用等）一些欧美国家及日本还处于领先地位，尤其是美国的军用和日本的民用遥遥领先中国，特别体现在控制技术以及芯片的使用。目前的研究重点三大趋势：1.研究无霍尔传感器控制技术（启动，换相等），减小BLDC的体积和质量。2.改进电机设计，将PID算法进一步优化以克服转矩波动，提高电机的稳定性和精度。3.研究运行可靠，体积小，兼容性强的新一代BLDC控制器。下面简要介绍一下两个重点问题：无霍尔传感器技术、转矩波动抑制。一无霍尔传感器相关技术本设计将着重介绍带霍尔传感器的无

18、刷直流电机控制系统，因技术上的不完善和理论结合应用的复杂性，无/缺霍尔控制还处于起步阶段，但随着科学技术水平的提高，尤其是在尺寸较小、工作环境恶劣时，使用位置传感器的弊端就相当明显了，所以无位置传感器控制系统必将凭借高级控制算法、技术逐渐取代带前者。目前，常用的检测方法如下：1.反电动势过零点法：通过换相过程中，判断即将导通那相反电势过零点时刻（两次换相之间），过零点前后30（电角度）电枢绕组会分别进行两次换相。2.反电动势三次谐波检测法：将各相反电势分解成基波和谐波之和，将三相电压之和利用低通滤波器滤除其它谐波仅留下3次谐波，3次谐波在基波的一个周期内有6个过零点，只需检测这些过零点即可知道

19、换相时间。3.续流二极管导通检测方法：又称“第三相导通法”，利用非导通相的续流二极管，在过零点附近检测其中某管电流出现比较大的降落(如AB相导通、C相悬空时，若检测到续流二极管导通则反电势过零点)，以此来判断。4.固定电压的检测方法：基本思路是采用线性电阻对电源母线电压进行分压处理，形成一个用于和滤波分压后的端电压进行比较的恒定直流电压，得出换相时间。5.预测反电动势过零点等方法：根据载波数、调制波时间进行预测等。总的来说所有思路都利用了反电势、预测原理，控制起来比较困难，技术、算法亟待完善。二转矩波动抑制无刷直流电机的转矩波动主要分为齿槽转矩波动、换相转矩波动，后者是电机转矩波动的主要原因。

20、波动的存在不仅产生噪声、振动问题，更加影响了系统整体的稳定性、可靠性。假设当AB相导通、C相悬空时，电机电磁转矩为：(1-1)电枢绕组反电势和电流值决定着电机的转矩。当AC导通，进行B、C换相时，我们可以得到B、C相电流变化率：(1-2)电机机械速度；、A、B相反电势；绕组自感、互感。换相区间内，关断相电流呈指数衰减、开通电流指数呈指数上升，当对应功率差值越大时，转矩脉动越大。所以在电机启动和换相的瞬间，力矩波动会非常大。齿槽转矩波动：转子永磁体同定子齿槽相互作用，在圆周方向产生转矩，它总是试图将转子定位在某些位置。解决这个问题的方法主要靠设计优化，如：斜槽法、分数槽法、无齿槽绕组换相转矩波动

21、：1.重叠换相法：换相时，将应立即关断的功率开关管延长一个时间间隔关断，不应导通的开关管提前开通一个角度，补偿电流换相期间的跌落。技术的关键在于重叠时间的选择，所以在传统的重叠换相基础上，引入定频采样电流调节技术，采用PWM技术使得重叠时间由电流调节自动调节，适用在高速情况下。2.滞环电流法：在电流环中采用滞环电流调节器，当实际电流的幅值小于滞环宽度下限时，开关器件导通；达到滞环宽度上限时，开关器件关断。利用滞环电流调节器控制开通相电流上升速率来抑制低速下的换相转矩波动，此法简单，快速性好同时具有限流能力，但对高速区力矩波动无能为力。解决的方法是：采用滞环控制法直接控制非换相相电流。由式（1-

22、1）知换相转矩正比于非换相相电流，利用滞环比较器使得非换相相电流实时跟踪参考值，达到目的，适用于高速伺服驱动系统。3.PWM斩波法：使开关器件在断开前、导通后进行一定频率斩波，控制换相过程中的端电压，使得两换相相电流上升、下降速率相等，补偿总电流幅值的变化，从而抑制换相转矩波动。4.电流预测控制：基本原则是保持非换相相电流恒定。高速区运行时，关断相下降速率快于开通相上升速率，造成非换相相电流凹陷，转矩偏小。通过调节关断相电流下降速率以保持非换相相电流恒定；低速区运行时，关断相下降速率低于开通相上升速率，造成非换相相电流凸出,转矩偏大。通过使关断相关断，在开通相上施加相应占空比进行补偿以保持非换

23、相相电流恒定。总体而言，我国BLDC研究起步于20世纪70年代，而微电子器件和电力电子器件早在20世纪5、60年代已经开始发展。限于元器件水平难以达到理论知识的要求，我国在理论创新和制造工艺方面与国际水平还有较大差异。日常生活中我们接触最多的就是基于无刷直流电机的电动车，国内整个电动车行业至今任没有一个统一的工业标准。经试验对比，国产无刷直流电机加工工艺稳定性、成熟度较国外厂家还有一定差距，有待进一步提高。控制系统方面，当前，控制系统方面主要采用的控制器有：单片机、数字信号处理器、ASIC专用集成芯片、FPGA等。目前，很多先进工业国家的半导体厂商都能提供自己开发的电机专用控制集成电路，如美国

24、ON Semiconductor和Motorola等公司开发的MC33035、MC33039无刷直流电机控制芯片和MicroLinear公司的ML4425/4428无位置传感器芯片。在工业和研究实验中使用的微处理器一般是如下三种：单片机、基于现场可编程门阵列FPGA以及数字信号处理器DSP。目前为止，第六代DSP已经进入人们的生活，其独有的哈佛、多总线、流水线结构，多处理单元以及特殊的DSP指令使得其运算周期短速度快，同时他自身具备强大的硬件配置使其功能更加强大、人机交换更加便捷。正因如此，相关业内专业研究人员纷纷投身于数字智能控制的无刷直流电机研究领域。眼下，除了控制智能化亟待开发，还有一个

25、很大的桎梏就是控制算法上得不到创新，结合到具体应用等方面还处于发展阶段。但随着科技日新月异，微控制器处理速度和储存空间正在飞速发展，相信不久的将来高级智能化控制必将得以实现。1.3论文主要内容本文针对DSP在无刷直流电动机控制系统中的应用趋势，采用TI公司TMS320C24x系列中功能最强的一款TMS320LF2407A芯片作为控制器，从而实现对无刷直流电机的控制，采用霍尔传感器利用霍尔效应判断转子位置，输出控制信号，数字信号处理器通过控制信号生成相应的PWM波控制逆变桥路通断，从而实现电机启停、正反转、制动等命令。通过驱动保护电路，实现电机过载、过/欠压、霍尔时序异常等自诊断功能。本系统的目

26、标为：1.实现电机启停、加减速、正反转等功能；2.对控制系统设计原理进行阐述,利用PID算法，实现电流、速度双闭环控制；3.电机硬件电路设计，包括电源模块、电机驱动保护、按键显示等模块的设计与实现；4.系统主程序、其它各模块子程序的分析设计。2 无刷直流电机的工作原理和数学模型2.1无刷直流电机的基本结构如图2-1所示为无刷直流电机（BLDC）原理框图，主要构成部分有电动机（Motor）、霍尔位置传感器（HALL）、电子开关三相逆变桥（MOSFET）。驱动电源部分由直流电源通过三相逆变桥输出3路电压供电，霍尔位置传感器实时检测转子位置并提供MOOSFET功率管开关顺序信号，最终通过驱动电路使电

27、机运转。直流电源开关线路电动机位置传感器输出图2-1 无刷直流电动机的原理2.1.1电机本体三相电枢绕组定子和永磁体转子构成了无刷直流电机（BLDC）的本体结构组成如图2-2，这点和永磁同步电机有类似之处。1. 定子与交流同步电机类似，BLDC的定子结构分为星形连接（Y接）或封闭式连接（接），考虑到制造工艺和成本控制，日常应用中三相对称的星形连接比较常见。同时相较普通电机,BLDC的绕组一般接定子侧，更有利于散热保持系统稳定性。2. 转子电机转子基础模型就是按顺序排列的磁钢片，由永磁体、导磁体组成。主要作用是为了产生励磁磁场，能够和定子感生磁场作用拖动电机运转，作用和构成材料如下表2-1所示。

28、定子转子图2-2 BLDC定子、转子表2-1 转子组成永磁体导磁体作用产生励磁磁场的核心部分构成材料铝镍钻、铁氧体、钕铁硼及高磁能积的稀土钴永磁材料等。导磁材料一般用硅钢、电工纯铁或1J50坡莫合金等。2.1.2转子位置传感器转子位置传感器是BLDC的关键无接触换相部件，它一般有三个引脚：电源端，地端，信号端。它主要有两大作用：第一.通过检测永磁体转子相对定子电枢绕组的相对位置，确定逆变桥功率管的导通顺序，控制电机运行状态。第二.通过传感器的位置排布，确定间隔角60/120，从而确定电枢磁场的磁状态。由于霍尔磁敏传感器具有质量、体积小、制作成本低等优点，更适合应用在BLDC控制系统中。对于一般

29、常见的“二相导通星形三相六状态”电动机而言，一般采用三个霍尔元器件，它们在圆周空间的配置有两个方案：互相间隔60电角（电角度=机械角度极对数）或互相间隔120电角。两种方案输出波形组合图分别如图2-3所示。图2-3 60/120霍尔方波信号相应输出状态分别为：表2-2 60/120序列间隔角度601001101110110010001201011001100100110012.1.3驱动控制电路驱动控制电路一大特性：其导通顺序和转子换相转角保持同步运行，它将位置霍尔传感器输出的转子位置信号进行处理，按换相顺序的要求输出驱动信号，控制MOSFET开关顺序。起到电子换相的作用从而替代了普通的机械电

30、刷。1控制电路控制电路需要保证各种调速功能稳定运行电机能够正常启停运行的关键，着重须要完成以下五个功能： 1. 将霍尔位置传感器输出的控制信号如启停、正反转进行逻辑整合，为驱动的电路MOSFET的开断提供驱动信号，实现控制功能。2. 调节占空比，产生相对应的PWM调制信号，可以满足不同实时转速的电压需求。3. 对电机进行速度、电流PID双闭环调节，使系统具有良好的动态和静态性能。4. 实现各种故障保护功能，如短路保护、过电流保护、欠电压保护等。 2. 驱动电路一般电力电子功率驱动电路主要用来连接系统主电路和控制电路，其组成一般包含如下几个部分：MOSFET/IGBT组成的三相桥路逆变电路、自举

31、电路、滤波环节等。主要任务是：在电力电子器件公共端和控制端之间按照控制目标约定传递控制信号，从而控制电力电子器件的导通和关断；与此同时，为了防止干扰还需在主电路和控制电路之间提供电气隔离环节。本设计采用的是功率开关管集成驱动电路IR2130，TLP521进行光电隔离，相关原理将在第四章详细介绍。2.2无刷直流电机工作原理为分析方便，如图2-4所示，选用一台三相非桥式接法的两极无刷直流电机，A相接Q1，B相接Q2，C相接Q3，三个霍尔转子位置传感器按一定规则固定在定子端。当定子某相绕组通电时，感生磁场和转子永磁体相互作用，驱动转子旋转。霍尔传感器接收永磁体磁场信号转变成电信号，进入功率管栅极控制

32、逆变桥的导通顺序，从而使定子绕组进行换相改变相电流导通顺序，产生旋转的感生磁场，控制电机按一定要求运行。图2-4 三相两极无刷直流电机2.3星形全桥驱动当功率晶体管转变成桥式逆变电路，电机条件不变，如图2-5所示，一般三相星形桥式连接方式有“一相导通星形三相三状态”、“二相导通星形三相六状态”、“二相三相轮流导通星形三相十二状态”，本设计研究基于“二相导通三相六状态”，因其控制方便，易理解而被广泛采用。图2-5 全桥驱动模型如图2-5所示，逆变桥路由6个功率开关管MOSFET或者IGBT组成，因为MOSFET相比一般功率晶体管有很多优势第四章中将详细介绍，所以我们根据电机电压、电流选用IR公司

33、的IRF540NL。表2-3和表2-4分别列出电机顺时针和逆时针运行时，霍尔信号和PWM驱动顺序。图2-6表示在顺时针和逆时针两种情况下相电流不同时刻的流动方向，同一时刻的两相导通绕组电流大小相等，方向相反。逆变桥中除了功率开关管外，还有6个与MOSFET并联的续流二极管，其作用为了防止换相瞬间电机绕组中的冲击电流会损坏功率开关管，同时让电流能平缓的上升和下降。表2-3 顺时针驱动顺序状态顺序霍尔器件输入相电流PWM驱动ABCDC+DC-101ABPWM1PWM6100ACPWM1PWM2110BCPWM3PWM2010BAPWM3PWM4011CAPWM5PWM4001CBPWM5PWM6表

34、2-4 逆时针驱动顺序状态顺序霍尔器件输入相电流PWM驱动ABCDC+DC-001BCPWM3PWM2011ACPWM1PWM2010ABPWM1PWM6110CBPWM5PWM6100CAPWM5PWM4101BAPWM3PWM4图2-6 电机不同转向情况下电流流通方向所谓的“二相导通星形三相六状态”，是指每间隔1/6个周期进行一次换相，每次有两相同时导通，总共进行6次换相。每个功率管导通120角，每相维持导通120，顺时针运行时功率管的导通顺序为:V6V1V1V2V2V3V3V4V4V5V5V6。如第一阶段电流从A相绕组进入，从B相绕组输出，所产生的转矩是由Ta和Tb合成的如图所示，Ta、

35、Tb、Tc大小均为T，则合成转矩的大小为，如图2-7所示。图2-7 “二相导通星形三相六状态”力矩原理图这种情况下产生的每一相反电势和相电流如图2-8所示，反电势为梯形方波，水平部分为120，每相间隔120。图2-8 相电势、相电流波形2.4无刷直流电机数学模型BLDC定子绕组中产生的感应电动势与电机转速匝数成正比，如式（2-1）：(2-1)式中，电枢感应线电动势；电机极对数；绕组的匝数；每极磁通；转速；极弧系数。由式（2-1）可知，其他条件一定的情况下，可以通过改变绕组匝数进行调速。为了进行数学简化分析，假定：1. 忽略BLDC转子铁芯饱和，不计涡流、磁滞损耗；2. 不计电枢反应，电枢导体均

36、匀分布在电枢表面。三相定子间隔120均匀分布，气隙磁场为理想的梯形波；3. 功率管、续流二极管性能优异，有不错的开关特性。那么可以用电阻、电感、反电势来等效无刷直流电机BLDC的每相电机绕组。由于采用的是星形连接方式，数学模型方程如式（2-2）所示：(2-2)、三相端电压和中点电压（V）；、三相绕组电流（A）；电枢绕组电阻（）；、电枢绕组电感、互感（H）；、和三相反电势（V）；中点电压（V）。当电机处于运动过程中，电磁力矩的表达式为（2-3）经查阅资料还可进一步简化为：（2-4）转子角速度（rad/s）；电机极对数；每相绕组匝链永磁磁链的最大值；电机转矩系数；稳态绕组相电流。电机的机械运动方程

37、为：(2-5)其中电磁转矩；负载转矩；粘滞摩擦系数；转子转动惯量。电压方程的等效电路图如图2-9所示：图2-9 无刷直流电机数学等效电路3 控制系统总体方案设计研究3.1控制系统总体方案基于DSP的无刷直流电机控制系统的原理框图如图3-1所示，其控制的核心为TMS320LF2407A，它主要作用有两方面：1.收集外部传来的霍尔信号、电流、电压等信息，按控制要求进行计算、动作。2.作为I/O输出口，负责发送指令如PWM信号。当CAP口接收到经光耦隔离电路处理的霍尔信号后，根据判断得到的转子位置，输出合适的信号给驱动模块IR2130，从而控制逆变桥运转。控制BLDC，最重要的是判断电机的速度和电流

38、大小，2407根据定时器2的捕获中断确定换相间隔的时间，计算出当前速度，而后与设定的速度比较，形成外环控制（ASR）；另一方面，通过电流采集电路经A/D转换模块得实时相电流，并与ASR传递的电流值比较形成内环（ACR）。此外，2407还有自我保护模块，当发生故障时，可以进行自诊断和保护。功率驱动电路控制器电机本体电流检测位置传感器图3-1 DSP控制系统原理框图3.2控制结构通过大学期间自动控制理论和电力拖动自动控制系统两门功课的学习，我们知道双闭环PID控制技术在控制技术方面具有得天独厚的优势，可以很好地实现：大范围、小静差率、同时具备良好的随动性和抗干扰能力的调速方式。而这也正是无刷直流电

39、机控制系统所要实现的目标，基本原理如图3-2所示。速度环为外环，它能使速度n跟随给定电压实时进行变化，起主导调节作用。同时，他它还对负载变化起抗扰作用，限定点击允许的最大电流，通过采集霍尔信号由DSP软件计算得出。电流环为内环，它能使电流跟随ASR输出的电压实时变化。此外，它对电网的波动起稳定抗扰作用、加快了动态响应过程，若电机发生过流故障还能起及时保护作用，通过直接在直流母线上采集获得。实时速度与设定的速度比较，经PID调节形成外环控制（ASR）。通过电流采集电路经A/D转换模块得实时相电流，并与ASR传递的电流值比较形成内环（ACR），实现对PWM占空比进行调节，从而控制电机按要求运转。位

40、置检测图3-2系统总体结构框图速度调节电流调节BLDC速度计算电流计算PWM调制逆变电路-电流反馈速度反馈参考电流V3.3 PID控制研究3.3.1 PID基本原理在当今工业控制中，动态校正使用越来越广泛。其中， PID调节器实现的滞后(PI)-超前（PD）校正兼有二者的优点：拥有超前校正的稳定裕度，快速性、滞后校正的稳态精度等而被长期青睐，使用PID调节可以全面提高系统的控制性能。原理如图3-3所示比例积分微分被控对象+_+r（t）e（t）u（t）y（t）图3-3 PID控制系统框图给定值；给定值与反馈值的差量；PID调节后的控制量。PID基本原理：将给定值与实际值之间的偏差，按比例-积分-

41、微分线性组合生成控制量，利用再对控制对象进行控制。连续控制系统PID控制公式为：（3-1）式中：比例常数；积分时间常数；积分时间常数。1. 比例环节的作用（P）比例环节对偏差能够做出快速反应，使得偏差向减小的方向发展。比例系数和控制强度成正比，但如果过大则会是系统发生振荡。其最大缺点就器控制环节是有静差调速系统。2. 积分环节的作用（I）积分环节把参考值和设定值之间的偏差积累作为输出，其最大特点就是能实现无静差调速。只要有偏差存在，积分环节的输出就会不断增大。积分时间常数越大，积分作积累用越弱，消除静差的过程越慢，但超调量减少，系统稳定性相应提高。其最大缺点就是会降低系统响应速度。3. 微分环

42、节的作用（D）微分环节用于抑制偏差变化。微分环节可以很好的克服系统振荡，降低超调，从而使得系统更加稳定，尤其是在高频环节。但其最大缺点是对噪声非常敏感。3.3.2 PID算法设计由于DSP微处理器的工作特性和电机控制可靠性的要求，连续型PID控制的适用范围因此得到很大的限制，这时就需要通过离散化重新构建PID控制，即数字PID控制，控制系统以开关量方式进行工作。最终得到离散PID控制律的差分方程，具体过程如下：(3-2)式中: 比例系数；积分系数；微分系数；T采样周期； 第k次采样周期时刻输入的偏差值。上式成为增量式PID算法，可将此进一步改写为：式中：；。综上所述：（3-3）相比式（3-2），式（3-3）最大优点是无需进行累加操作，最近的几次采样值可以决定控制增量的取值，利用加权能够比较容易地得到最好的控制结果。双闭环控制中，电流环因信号易受高频干扰，所以采用PI控制。先确定内环的控制参数,将ASR环传递过来的电流参考值和电流采集电路的反馈值相比较，把二者的差值送入ACR环节进行PI调节。而外环速度环采用积分分离