毕业设计（论文）基于DSP的无刷直流电机控制系统设计.doc

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1、 编号：20 JX15 安徽工程大学本科毕业设计（论文）专 业： 自动化 题 目： 基于DSP的无刷直流电 机控制系统设计 作 者 姓 名： 导师及职称： 导师所在单位： 安徽工程大学 年 月 日安徽工程大学本科毕业设计（论文）任务书 届 电气工程 学院 自动化 专业学生姓名： 毕业设计（论文）题目中文：基于DSP的无刷直流电机控制系统设计英文：Design of BLDC Motor Control System Based on DSP 原始资料1龙驹永磁无刷直流电动机转速控制系统的优化设计M成都：西南交通大学出版社，20062殷云华，郑宾一种基于Matlab的无刷直流电机控制系统建模仿真

2、方法J系统仿真学报，2008，20（2）：293-2986MuraiY, KawaseY, OhashiK. Torque Ripple Improvement for Brushless DC Miniature Motors J. IEEE Trans on Ind. Appli, 1989, 25 (3): 441-449 毕业设计（论文）任务内容1、课题研究的意义2、本课题研究的主要内容：3、提交的成果：（1）毕业设计（论文）正文；（2）（3）至少一篇引用的外文文献及其译文；（4）附不少于10篇主要参考文献的题录及摘要。指导教师（签字）教研室主任（签字）批 准 日 期 接受任务书日期

3、完 成 日 期接受任务书学生（签字）基于DSP的无刷直流电机控制系统设计摘 要随着计算机技术和现代控制。关键词：数字信号处理器Design of BLDC Motor Control System Based on DSPABSTRACTWith .The end is modeling and simulation research of control system. In Matlab/Simulink environment, the isolated functional blocks, including BLDC general block (including BLDCM bl

4、ock, torque computation block, rotation speed computation block), Current hysteresis control block, Speed control block, rotor position computation block, voltage s, brushless DC motor control system that this paper proposes is analyzed and emulated proves that it is feasible. The brushless DC motor

5、 control system reaches demand.Key words: Brus l; Digital Signal Processor目 录摘 要IVABSTRACTV目 录VI插图清单VIII引 言- 1 -第1章 绪论- 2 -1.1 课题研究背景及意义- 2 -1.2 无刷直流电机控制技术的发展- 2 -1.3 本课题主要研究内容- 4 -第2章 无刷直流电机的工作原理- 5 -2.1 无刷直流电机的基本结构- 5 -2.1.1 电动机本体- 5 -2.1.2 转子位置检测器- 6 -2.1.3 驱动控制电路- 7 -2.2 无刷直流电机的控制原理- 7 -2.3 无刷直流

6、电机的数学模型- 9 -2.3.1 电压方程- 10 -2.3.2 转矩方程- 10 -2.3.3 运动方程- 11 -2.3.4 状态方程和等效电路- 11 -第3章 基于DSP的无刷直流电机系统控制方案设计- 12 -3.1 控制系统总体方案设计- 12 -3.2 控制结构- 12 -3.3 控制芯片- 13 -3.3.1 控制芯片的选择- 13 -3.3.2 TMS320LF2407A控制器介绍- 14 -3.4 控制技术- 15 -3.4.1 调速原理- 15 -3.4.2 PWM调制方式- 15 -3.4.3 PWM波的产生- 16 -3.5 控制策略- 18 -3.5.1 PID控

7、制原理- 18 -3.5.2 数字PID控制算法- 19 -3.6 转子位置直接检测方法- 20 -3.7 速度和电流的检测方案- 21 -3.7.1 速度的检测- 21 -3.7.2 速度的计算- 22 -3.7.3 电流的检测- 23 -第4章 无刷直流电机的控制系统建模和仿真- 24 -4.1 无刷直流电机控制系统模型的建立- 24 -4.1.1 无刷直流电机总体模块- 25 -4.1.3 电流滞环控制模块- 28 -4.1.4 参考电流模块- 28 -4.1.5 位置计算模块- 29 -4.1.6 电压逆变器模块- 30 -4.2 仿真结果与分析- 30 -结束语- 35 -致谢- 3

8、6 -参考文献- 37 -附录A 外文文献与译文- 39 -A.1 英文原文- 39 -A.2 译文- 42 -附录B 文献题录与摘要- 44 -插图清单图2-1 无刷直流电动机的构成- 5 -图2-2 BLDC三相全控电路原理图- 8 -图2-3 开关顺序及定子磁场旋转示意图- 9 -图2-4 无刷直流电机等效电路图- 11 -图3-1 系统总体框图- 12 -图3-2 无刷直流电流电机双闭环控制系统- 13 -图3-3 全桥PWM调制- 16 -图3-4 半桥PWM调制- 16 -图3-5 对称PWM波产生原理图- 17 -图3-6 低电平有效时加入死区的对称PWM波形- 18 -图3-7

9、 常规PID控制系统原理图- 19 -图3-8 脉冲编码器输出波形- 22 -图4-2 Matlab中BLDC仿真建模整体控制框图- 25 -图4-3无数按直流电机总体模块结构图及封装- 25 -图4-4 BLDCM本体模块结构图及封装- 26 -图4-5 转矩计算模块及封装- 27 -图4-6 转速计算模块结构框图及封装- 27 -图4-7 速度控制模块及封装- 28 -图4-8 电流滞环控制模块结构框图及封装- 28 -图4-9 参考电流模块结构框图及封装- 29 -图4-10 电压逆变器模块结构框图及封装- 30 -图4-11 相电流Ia，Ib，Ic波形- 32 -图4-12 相电动势E

10、a，Eb，Ec波形- 33 -图4-13 转速响应曲线- 34 -图4-14 转矩响应曲线- 34 -引 言无刷究。第1章 绪论1.1 课题研究背景及意义用国外成熟的系统。所以，基于DSP的无刷直流电机控制系统的研究具有重要的现实意义和广阔的发展前景。1.2 无刷直流电机控制技术的发展表的控制策略，实现全数字化、智能化是未来无刷直流电机控制的重要发展方向。1.3 本课题主要研究内容link的无刷直流电动机双闭环控制系统的仿真模型，并对给定电机模型进行仿真，给出仿真波形。第2章 无刷直流电机的工作原理无刷直流电机实际属于永磁同步电机，一般转子为永磁材料，随定子磁场同步转动。这种电机结构简单，而且

11、由于移去了物理电刷，使得电磁性能可靠，维护简单，从而被广泛这一系列DSP的典型应用之一。2.1 无刷直流电机的基本结构图2-1 无刷直流电动机的构成2.1.1 电动机本体电机。2.1.2 转子位置检测器，实现定子绕组的换流，完成对电动机的驱动，电动机就会连续的运转起来。2.2 无刷直流电机的控制原理一般的直流电机由于电刷的换相，使得由永久磁钢产生的磁场与电枢绕组通电后产生的磁图2-2 BLDC三相全控电路原理图想的电动势和电流波形。图2-3 开关顺序及定子磁场旋转示意图表2-1表示三相逆变器的开关顺序。表2-1 功率管导通与状态位置关系功率管/状态123456VT1110000VT200011

12、0VT3001100VT4100001VT5000011VT60110002.3 无刷直流电机的数学模型近似梯形波，平顶宽度为120电角度。（5）转子上没有阻尼绕组，永磁体不起阻尼作用。2.3.1 电压方程由电机电压平衡方程组， （21）BLDC三相定子电压的平衡方程可以用以下的状态方程表示 （22）式中，ua，ub，uc为三相定子电压(V)；ea，eb，ec为三相定子的反电动势(V)；ia，ib，ic为三相定子相电流(A)；中点电压方程为： （24）2.3.2 转矩方程BLDC的电磁转矩方程可表示为： （25）其中，为BLDC的角速度(rad/s)。由（24）式可看出，无刷直流电动机的电磁转

13、矩方程与普通直流电动机相似，其电磁转矩大小与磁通和电流幅值成正比，所以控制逆变器输出方波电流的幅值即可控制无刷直流电动机的转矩。为产生恒定的电磁转矩，要求定子电流为方波，反电动势为梯形波，且在每半个周期内，方波电流的持续时间为120电角度，梯形波反电动势的平顶部分也为120电角度，两者应严格同步。由于在任何时刻，定子只有两相导通，则：电磁功率可表示为： （26）电磁转矩又可表示为： （27）BLDC的运动方程可表示为： （28）其中，B为阻尼系数(Nms/rad)，J为电机的转动惯量(kgm2)，TL为负载转矩(Nm)。2.3.3 运动方程 （210）由BLDC的电压方程,可以将其等效地表示为

14、图2-4所示的等效电路,BLDC的每相绕组由定子绕组电阻R、电感(L-M)及一个反电动势e串联构成。图2-4 无刷直流电机等效电路图第3章 基于DSP的无刷直流电机系统控制方案设计3.1 控制系统总体方案设计图3-1 系统总体框图系统的核心是DSP主控电路模块，该模块主要负责产生电机驱动波形、与显示控制电路通信、处理由电流检测电路和转子位置检测电路送来的反馈信号并控制电机的运动状器产生的信号送入DSP来确定电机转子位置，从而决定电机下一时刻的驱动方式；电流检测电路是对电流进行采样，为电流环的控制提供当前时刻的电流值，从而实现双闭环控制。3.2 控制结构。3.3 控制芯片在直流电源恒定供电的情况

15、下，通过调节PWM波的脉宽来改变直流电压Ud，实现对图3-4 半桥PWM调制图3-8 脉冲编码器输出波形光电编码器输出的A1、B1两路脉冲信号经整形后直接送入QEP单元，QEP单元能对脉冲前后沿进行计数，即其本身能对脉冲进行4倍频，也即在无需添加任何硬件的情况下，使速度和位置的检测精度大大提高，从而大大简化了系统的硬件。3.7.2 速度的计算以改用较大P值的脉冲发生器，或者增加检测的时间。（2）T法测速。测量相邻两个脉冲的时间来确定被测速度的方法叫做T法测速。用一已知频率为f的时钟脉冲向一计数器发送脉冲数，此计数器由测速脉冲的两个相邻脉冲控制其起始和终止。如果计数器的读数为m，则电机每分钟的转

16、速为 （311）T法的分辨率为 （312）可见，随着转速的升高，Q值增大；转速愈低，Q值愈小，所以T法在低速时有较大的分辨率。而且，随着转速的升高，同样两个脉冲检测时间将减小，所以确定两个脉冲的间隔的原则是又要使检测的时间尽量的小，又要使计算机在电机最高运行时有足够第4章 无刷直流电机的控制系统建模和仿真4.1 无刷直流电机控制系统模型的建立图4-1 BLDC控制系统设计框图图4-2为BLDC建模的整体控制框图，其中主要包括：BLDCM本体模块、速度控制模块、参考电流模块、电流滞环控制模块、转矩计算模块和电压逆变器模块。把这些功能模块和S函数相结合，在Matlab/Simulink中搭建出BL

17、DC控制系统的仿真模型，并实现双闭环的控制算法，图中各功能模块的作用与结构简述如下。图4-2 Matlab中BLDC仿真建模整体控制框图4.1.1 无刷直流电机总体模块如图4-3所示，无刷直流电机总体模块包括BLDCM本体模块，转矩计算模块和转速计算模块。图4-3无刷直流电机总体模块结构图及封装（1）BLDCM本体模块在整个控制系统的仿真模型中，BLDCM本体模块是最重要的部分，该模块根据BLDC电压方程式（22）求取BLDC三相相电流，结构框图如图4-4所示。图4-4 BLDCM本体模块结构图及封装由电压方程式（22）可得，要获得三相电流信号Ia、Ib、Ic，必需首先求得三相反电(2)转矩计

18、算模块根据BLDC数学模型中的电磁转矩方程式（23），可以建立图4-5所示的转矩计算模块图4-5 转矩计算模块及封装(3)转速计算模块图4-6 转速计算模块结构框图及封装4.1.2速度控制模块速度控制模块如图4-7所示，速度给定信号与速度反馈信号比较后，送入速度调节器PI控图4-7 速度控制模块及封装4.1.3 电流滞环控制模块在这个仿真模块中采用滞环控制原理来实现电流的调节，使得实际电流随跟定电流的变化。图4-8 电流滞环控制模块结构框图及封装4.1.4 参考电流模块参考电流模块的作用是根据控制器输出的电流参考信号Is和转子角度位置信号pos计算出三相参考电流iar，ibr，icr，输出的三

19、相参考电流直接输入电流滞环控制模块，用于与实际电流比较，从而进行电流滞环控制，结构如图4-9所示。的。仿真结果证明了本文所提出的这种新型BLDCM仿真建模方法的有效性及控制系统的合理性。图4-13 转速响应曲线图4-14 转矩响应曲线结束语无刷直流电动机采用高磁性材料和电子换向原理，克服了有刷直流电动机换向器带来的可靠性和可维护性差的缺点，保持了直流电动机的良好控制性能。随着微电子技术和功率集成电路的技术进步，各种无刷直流电动机专用控制和驱动芯片大量出现，给高性能无刷电动机驱动控制提供了多种有效的解决方案，使得无刷直流电机在控制领域具有很好的应用前景。数字信号处理器（DSP）具有功耗小、速度快

20、、集成度高等优点，不仅可以满足电机对运动控制的要求，又能很大程度地减小硬件资源的使用，所以采用DSP作为微控制器核心是电动机控制技术的发展方向。本论文以无刷直流电机为研究对象，建立了基于DSP的控制系统。本论文的主要工作：本文在深入分析了无刷直流电机的结构、工作原理和数学模型的基础上，采用PID和双闭环控制策略，建立了基于MATLAB/SIMULINK系统的仿真模型并分析了仿真结果，使无刷直流电机控制系统趋于完善和合理。值得注意的是：由于无刷直流电机在换相时存在一定的转矩波动，低速性能受到限制。如何最大限度的消除转矩波动的影响，达到更高性能的控制效果具有重要的意义。同时，同时，其自身也存在一些

21、固有的问题有待解决。例如直流无刷电机需要用位置传感器来检测位置信息来控制换向，而转子位置传感器不仅增加额外费用，而且增大了系统体积，并降低了可靠性。正因为如此，研究基于DSP无位置传感器的解决方案，更进一步保证无刷直流电机的控制性能，是一个值得后续进一步研究的工作。致谢!参考文献1丁志刚无刷直流电动机的研究和开发进展J微电机，2000，33（1）：29-302，27(5)：928-933附录A 外文文献与译文A.1 英文原文Speed Control of DC MotorElectrical Brakinglow-power work. Redundant power and can ret

22、urn to collapse. The system has good speed performance, high power factor, energy saving, small size, light weight, and other advantages.A.2 译文直流电机速度控制电气制动求。附录B 文献题录与摘要1丁志刚无刷直流电动机的研究和开发进展J微电机，2000，33（1）：29-30摘要：介绍了无刷直流 是最佳的方法。11XU Xiao zeng , LI Ye song , QIN Yi. Induction Motor Speed Control System

23、 Based on Fuzzy Neural Network J. Transactions of Nanjing University of Aeronautics &Astronautics, 2004, 21(3): 195-199Abstract: A fuzzy neural network controller with the teaching controller guidance and parameter regulations for vector-controlled induction motor is proposed. The design procedures of the fu