畢業設計—基于dsp無刷直流電動機調速系統的設計(留存版)

　　

【正文】 電勢系數、轉矩系數。s equivalent circuit由圖24可見，IPM[9]是一種包括反并聯續流二極管在內的由IGBT組成的逆變器。 反電勢過零檢測原理三相無刷直流機每轉60o就需要換向一次，每轉一轉需要換向六次，因此需要六個換向信號。反電勢檢測電路如圖27所示。因為如果R1過小則會造成對分壓電阻R2的短路，使其失去作用。由于TMS320LF2407A的A/D轉換單元輸入信號的電壓范圍為0～，而電流采樣信號比較小，所以需要進行放大。同樣的原理應用于過壓上，以比三相交流電正常供電電壓高10%（即幅值418V）時為過壓的標準線，即三相交流輸入電壓高于418V時（變壓器副邊電壓高于11V）為過壓。2)片內高達32K字的FLASH程序存儲器。控制電機起動，通過按按鈕SW2，START信號由高電平變為低電平，送DSP的ADCIN04(I/O) 多功能口，通過程序將ADCIN04（I/O）口配置成I/O口，當DSP檢測到START信號變低時，系統便開始電機起動程序。其中CPUCLOCK它是由鎖相環時鐘模塊提供的最高頻率時鐘，為內部CPU使用，DSP內部所有的存儲器和任何直接與CPU總線直接連接的外圍設備，包括外部存儲器接口，都是用CPUCLOCK。因此，比較值要小于周期值。如果在增計數時比較值大于周期值，而在隨后的減計數時會發生比較匹配，這時引腳仍然會發生正跳變，因此會產生輸出錯誤。當 電角度: 電機轉速為: ……………………………（32） 將上式轉速n的單位化為，電機的轉速為 ………（33） 由于TMS320LF2407A DSP只能夠進行16位的除法運算，且運算結果商存入累加器的低位，余數存入累加器的高位。因此需要速度調節器和電流調節器。偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化。本系統采用預定位起動方式。b)反電勢信號的相序是固定不變的，而非隨機的，保證電機有一個確定的轉向，實現電機的正確起動。4) BLDC_PWM_DRV 此軟件模塊是PWM 波形生成模塊，主要用于產生三相功率變換電路的6 個功率開關的開關控制信號，該模塊的輸入變量為：cmtn_ptr_bd：三相功率變換電路當前的開關狀態，范圍0～5。設置PLL 單元，使DSP 在10MHz:的晶振輸入下，處理器以20MHz 的速度運行。其中PWMINT 中斷、PDPINT 中斷產生系統中INT2， CAPINT 中斷產生系統中斷INT4 。1) INT2 中斷由于 INT2 是由兩個中斷產生的，進入該中斷服務程序后必須判斷此中斷是由哪個中斷產生的，從而轉到相應的中斷處理程序。所以在中斷服務程序中設置了一個軟件計數器count 變量，初始值為0，每進一次PWM 中斷其值加一，當count=10 時，進行速度調節，速度調節完后將count 值重新置0，進行下一次速度調節等待。這些操作是通過調用“更新比較值或換向”字程序來實現的。由于無位置傳感器無刷直流機控制技術還處于發展階段，有些技術還不夠成熟，因此本文還存在一些不足的地方，如精度還不夠理想。它還具有非常高的采樣速率，使環路延遲最小，堪稱是業界最具競爭力的數字電機控制器。美國，I1(德州儀器)公司自1982年發明第一片DSP(數字信號處理器)以來，最近又推出數字電機微控制器TMS320LF240x，該芯片對電機的數字化控制非常有用。整個系統省去了以往復雜的硬件電路，結構緊湊，采用結構更加合理的軟件實現了大部分功能，從而達到更好的效果。ADC中斷子程序的框圖如圖38所示。是整個系統軟件的關鍵部分。將CAP 單元設為I/O 口SPLK 0FF00h，OCRBSPLK 0000h，PCDATDIRLACC PCDATDIR 。在兩位置改變的時間間隔內，如果計數器計數不超過65535，則整個速度計算不會產生錯誤，否則計算所得的速度會與實際速度差別很大。6)CURRENT_REG： 電流調節模塊，其功能是保證系統在合適的電流下運行，其輸入是速度環的電流給定和電流采樣得到的當前電流值，將給定電流與當前電流采樣值進行比較，并進行調節（詳情參考第三章），其輸出為D_func 也即PWM 輸出的占空比。同時此模塊還對位置傳感器來的信號進行防抖動處理，消除由于電機振動產生的誤操作。采用這種方式起動，一方面使繞組中具有一定大小的反電勢信號，另一方面反電勢信號的相序是固定的而非隨機的，保證電機有一個確定的轉向，實現電機的正確起動。因此電機必須以他控式同步電動機方式起動、加速，最后切換至無刷電機狀態。r(t)是給定值，y(t)是系統的實際輸出值，給定值與實際輸出值構成控制偏差e(t)?？偟膩碚f，采用上述的無速度傳感器測速方法，其檢測性能(包括速度反饋值的精度和滯后時間)比有速度傳感器的測速方法要低一些，因此這類調速系統只能用于對調速性能要求不高的場合。下面只對對稱波形PWM波的產生進行說明。由圖32可見，在對稱PWM波形中，如果增計數時的周期值和比較值等于減計數時的周期值和比較值，PWM波的周期是周期寄存器周期值的2倍。 圖31無刷直流機系統原理圖 The diagram of brushless system diagram PWM波的產生原理PWM波[4]是一種脈寬可調的脈沖波，用于交、直流電動機的電壓控制。采用封裝好的晶體振蕩器，這種方法使用方便，在實際應用中得到了廣泛的應用。11)高達40個可單獨編程或復用的通用輸入/輸出引腳(GPIO)。它將幾種外設集成到芯片內，形成了真正的單芯片控制器，具有運算速度在30MPIS以上、外設集成度高、程序存儲量大（片內FLASH）、ADC模塊的轉換速度快等特點。按照在10%的范圍內作為正常來衡量，標定電位器W3和W4,W3標定欠壓，W4標定過壓。過流檢測是為了防止電機過載、起動或異常運行時由于電流過大而對控制電路、功率逆變器和電動機本體的損害而設計的。如果經很小的分壓比分壓，則進入DSP的ADC模塊的電壓值更小從而帶來測量誤差，從而進一步影響電機的起動、換相。濾波后的端電壓檢測信號與電機的中性點電壓進行比較，獲得反電動勢的過零點。故這種方法又稱為端電壓檢測法。IPM（Intelligent Power Module）智能電力電子模塊是電力電子集成電路PIC（Power Integrated Circuit）的一種。感應電動勢的梯形波有利于電動機產生一個恒定的轉矩。這時如果轉子繼續轉下去就進入圖（c）所示的位置，這樣就會使同一磁極下的電樞繞組中有部分導體的電流方向不一致，它們互相抵消，削弱磁場，使電磁轉矩減小。因此，不同的選擇會使電動機產生不同的性能并且成本也不相同。定子上有電樞，這一點與永磁有刷直流電動機正好相反?，F在市面上的無刷直流機控制器大多采用單片機來實現。早在本世紀30年代，就有人開始研制以電子換向來代替電刷機械換向的無刷直流機，并取得了一定的成果。運動控制專用微處理器種類很多，尤其以TI公司的TMS320C24系列將電機控制所需的外圍功能電路集成在一個DSP芯片內，其具有體積小、結構緊湊、易于使用、可靠性高的特點，運算速度可達20～40MINPS，指令周期僅為幾十納秒，與普通的MCU相比，運算及處理能力增強10～50倍，確保了系統具有更優越的控制性能。圖中，直流電源通過開關電路向電動機定子繞組供電，位置傳感器隨時檢測到轉子所處位置，并根據轉子的位置信號來控制開關管的導通和截止。因此希望盡量減小轉矩波動。這樣如此下去，轉子每轉過60o角就換相一次，相電流按圖所示的順序進行斷電和通電，電動機就會平穩地旋轉下去。和直流電動機一樣，當U變化時即改變，電動機可以進行無級調速。在此電路中，功率變換由6個IGBT開關管及續流二極管構成三相逆變橋。每相的感應電動勢都有2個過零點，這樣三相共有六個過零點。圖27端電壓檢測電路及其與DSP接口 The diagram of terminal voltage detection circuit and its DSP interface該電路采用分壓電阻檢測三相端電壓，檢測到的信號經過隔離、放大后分別送到TMS320LF2407A的ADCIN01～ADCIN03通道。實際由于端點壓信號不是完全的梯形波，而總帶有干擾信號。同時為了保護DSP不因過流信號而損壞，還應該對電流信號進行隔離。以=，標定W4使其中間抽頭輸出電壓為5V。544字雙端口RAM(DRRAM)和2K字的單口RAM( SARAM )。而電機停機是通過SW1按鈕控制，STOP信號送DSP的ADCIN04(I/O)口，當SW1按下時，DSP檢測到高電平時，電機停轉。圖213時鐘電路 The diagram of clock circuit系統時鐘SYSCLOCK和看門狗時鐘都由CPU時鐘提供。根據使用比較器的不同，有兩種產生PWM波的方法：一種是使用定時器比較寄存器；另一種是使用比較單元。這種情況下硬件會自動使輸出總是1，除非新的比較值為0。故實際采用的轉速計算公式為: ……（34）通常，速度檢測的性能是由速度反饋值的精度和滯后時間來描述的，只有在高精度的速度檢測下，才有可能改善系統的穩態性能；只有縮短速度檢測的滯后時間，才有可能使系統實現穩定的快速響應，保證系統的隨動性能。速度調節器的作用是對給定速度與反饋速度之差按一定規律進行運算，并通過運算結果對電動機進行調速控制?？刂谱饔玫膹娙跞Q于比例系數，比例系數越大，控制越強，但過大會導致系統振蕩，破壞系統的穩定性。其程序框圖如圖36所示。c)無須設計專門的起動電路，簡化了硬件結構，對于任意的轉子初始位置角，電機都能可靠實現預定位，保證電機從零速度起動并快速切換到無傳感器閉環方式運行。d_func：PWM 輸出的占空比，范圍為0000h～7FFFh。設置看門狗單元，禁用看門狗功能。其優先級的大小為PDPINTPWMINTCAPINT。其具體程序如下:LDP 00E8hLACL IVRA 。3) PDPINT 中斷 當 DSP 的PDPINT 腳為低電平時，產生PDPINT 中斷通常用來實現故障保護的功能，防止驅動系統因為過壓、過流、過熱等情況受到破壞。該程序框圖如圖39所示。因此無位置傳感器控制系統的精度問題仍然是需要研究的一個重要問題。作為一個系統的管理者，TMS320F240 具有強大的片內I/O 口和其他外圍設備,其事件管理器與其他任何DSP 均不同，應用優化的外圍設備單元與高性能的DSP 內核結合在一起，使電機的高精度高效全變速控制中使用先進的控制技術成為可能。用軟件取代模擬器件，可以方便地修改控制策略、修正控制參數，此外還可以具有故障監測、自診斷和上位機管理與通訊等功能。其轉速電流上閉環控制都是通過軟件來實現的，可適用于給定轉速不同的調速系統，只需根據用戶的需要將程序的初始值改一下即可，而不像模擬電路那樣，如果給定值不同則要對整個系統進行的參數進行重新調試，他省去了繁瑣的調試過程減少了經濟開，這一方面是此系統的一大優點所在。利用定時器1的周期匹配功能觸發ADC轉換，因此每50進行一次轉換，轉換結束后產生中斷。在這個中斷處理程序中將完成電機外部給定轉速輸入，故障處理，電流檢測，轉速、電流PID調節，PWM 波輸出等功能。其具體程序如下:LDP 00E1h。這里我們選用連續加(continuousup)計數方式，當計數器溢出時自動從0xFFFFh 轉到0X0000h。其速度的增大和減小也是通過電流的變化來實現的。如圖36所示圖 36 HALL3_DRV 結構圖Fig36 HALL3_DRV module 根據DSP 上CAP 捕捉單元捕捉到的3 相無刷直流電動機霍爾傳感器信號，對照相對應的真值表，判斷出電機的位置，輸出相應的觸發脈沖給MOD6_CNT 模塊。調試中需要注意的是To和PWM的占空比的選擇，以及對加速過程中占空比的變化速度的控制。當轉子靜止或低速時，反電勢為零或太小，無法利用。常規的模擬PI控制系統原理框圖見圖34，該系統由模擬PI調節器和被控對象組成。因此，當轉速在低速時，應適當減?。划斵D速在高速時，應適當增大。對這些寄存器正確的初始化就可以產生對稱的非對稱的PWM波形。比較值的改變影響了PWM脈沖的兩邊波形，這就是對稱PWM波形的特點。被確定要導通的相并不總是在導通，它受PWM輸出信號的控制，邏輯與單元的任務就是把換向信號和PWM信號結合起來，再送到IPM模塊。第二種是將外部時鐘源直接輸入X2CLKIN引腳，X1懸空。10)基于鎖相環的時鐘發生器。它具有低成本、低功耗、高性能的處理能力。 如圖210所示，系統采用信號變壓器，原邊為三相交流電壓的某線電壓，變比為380：10，通過橋式整流，將副邊的交流信號轉換成直流電。電流檢測信號一方面作為DSP的過流保護信號，接至DSP的引腳；另一方面作為電流環的反饋信號，輸入到DSP的ADCIN00引腳。在應用反電勢算法進行轉子位置檢測時，由于在起動的過程中，反電勢很小。 圖26 無位置傳感器位置檢測電路結構 The diagram of sensorless position detection circuit由于端電壓不是完全的梯形波，總帶有毛刺和諧波干擾，這些干擾將嚴重影響反電動勢過零點的正確檢測，為此必須對其進行深度濾波。由于反電勢難以直接測取，通常通過檢測端電壓間接獲得反電勢過零點。圖23直交變換電路圖 The diagram of orthogonal transform circuit直交變換部分(電路圖如圖33所示)采用三菱公司的第三代“智能功率模塊”(IPM )。實際上，感應電動勢的梯形波形取決于轉子永磁體供磁磁場和定子繞組空間分布，以及兩者的匹配情況。當轉過60o角后，轉子位置如圖（b）所示。無刷