1、J I A N G S U U N I V E R S I T Y基于空间矢量的 DSP 变频控制学院名称： 电气信息工程学院 专业班级： 电气 1004 学号： 3100501091 姓名： 贾斌彬 2013/11/4一、摘要：随着电力电子技术和微控制技术的迅猛发展而成熟起来的直流无刷电机具有体积小、重量轻、效率高、噪音低、容量大且可靠性高的特点，从而使其极有希望代替传统的直流电机成为电机驱动系统的主流。本文在对无刷直流电动机调速系统的发展及应用综述的基础上，介绍了采用DSP 芯片对无刷直流电动机进行换向与转速控制的微机控制系统。文中阐述了该系统的基本结构、工作原理、运行特性及其设计方法。文
2、中还对硬件各种功能的控制原理和电路设计以及各软件模块进行了详细的分析。最后给出了样机运行的实验结果。With the development of the power electronics and microcontrol technique，permanentmagnet brushless DC motor possesses small volume，light weight， high efficiency，low noise，big capability and reliability，SO it is hopeful to become main motor in drive s
3、ystemOn the basis of the summary for the development and application of permanent magnet brushless DC motor speed-variable system, this thesis introduces a control system, which uses DSP to control the commutation and speed of BLDCM .The basic structure, operational principle and design method of th
4、is system are set forth in this thesis. The thought of hardware design and software programming is introduced as well. At last, the experimental results are presented.2、关键词：无刷直流电动机(BLDCM)；DSP 控制系统；脉宽调制;PID 控制;Brushless DC Motor(BLDCM); DSP; Pulse-width Modulation;PID control;三、概述：近二十多年来，电力电子技术、计算机技术
5、、控制理论以及新材料技术都得到迅速的发展，推动着电机控制技术的迅速发展。采用稀土永磁材料的直流无刷电机不仅具有可靠性高、维修方便、结构简单、特性好、易散热、转速不受机械换向限制、噪声小，而且具有磁能积高、矫顽力高、剩磁大等优点。直流电动机具有线性机械特性、调速范围广、调速效率高、启动转矩大、控制电路简单和效率高等诸多优点，因而直流无刷电机的应用范围不再局限于传统的工业领域，在当令国民经济的各个领域得到了广泛的应用。当前的无刷直流电动机是电机理论、电力电子、微电子技术、现代控制理论以及高性能永磁材料相互结合，集软硬件于一体的机电一体化产品。本次试验利用 DSP实现对无刷直流同步电动机的速度控制，
6、对电机电流的检测，以及电机位置和速度的检测，进行电流和速度的调节，从而进行对无刷直流电机的控制。四、无刷直流电机结构组成及工作原理：无刷直流电动机主要由电动机本体（定子、转子） 、位置传感器、控制器和电子开关电路四部分组成。电动机本体主要包括定子和转子两部分，定予绕组分为 A、B、C 三相，每相相位相差 120。 ，采用星形连接，三相绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件连接；转子由 N、S 两极组成，极对数为1。图 1 无刷直流电动机的结构原理图图中的电动机本体为三相两极，三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联接，在图 1 中 A 相、B 相、C 相绕组分别与功率开关管V1
7、、V2、V3 相接。位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相联接。定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，作为控制器的输入，最后由控制器去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。无刷直流电动机系统整体结构框图系统控制原理：先通过霍尔位置传感器信息计算出电机运行中的实时转速，然后将实时电机转速和给定的参考速度之间的偏差经积分分离 PID 调节后，输出电流参考值。其次，将电流参考值与电机实际电流进行比较，得到的偏差值输入电流控制器进行电流 PI 调节
8、，调节后的控制量用于改变 PWM 的占空比。最后，输出的 PWM 占空比经过电压逆变后输入电机，实现电机的速度和电流的双闭环控制。五、硬件描述：1、电源电路设计：电机电源和驱动电源都采用交流（220V）分压出各种型号的电压接头，其中用于控制的电源有+5V、+15V及+48V，这些主要用于各种传感器及控制部分的电源供电；而+48V的接头则用于驱动电机的供电。由于 2407内核和 IO端口则为 33V供电，这就要设计特定的电路产生 33V电压。本论文采用电压转换芯片BMlll7将 5V直流电压转换成 33V的直流电压。电源转换电路见附件图1. 2、A/D转换模块DSP2407的内部集成ADC模块有
9、16路A/D输入通道，被分为两组，AD0AD7为一组，AD8ADl5为另外一组，ADC输入信号范围为O3V电压。为了保护芯片，必须将模拟信号输入控制在+3.3V以内。本系统采用了一个二极管与一个电阻串联，在信号输入2407之前，将其钳位在3.3V以下。A/D转换钳位电路见附件图2。 3、RAM存储器扩展2407的数据总线 (D0 D15)和地址总线 (AO A18)分别与IS61LV6416的数据总线和地址总线相连。2407的访问外部程序地址空间片选线PSDS与74HC08的引脚1、2相联接，高位使能BHE和低位使能BLE相联连并接地；DSP的RD信号直接与IS61LV6416的输出使能引脚O
10、E相连，此外还要将两个芯片的写使能信号WE连接起来。2407的数据总线 (D0 D15)和地址总线 (AO A18)分别与IS61LV6416的数据总线和地址总线相连。2407的访问外部程序地址空间片选线PSDS与74HC08的引脚1、2相联接，高位使能BHE和低位使能BLE相联连并接地；DSP的RD信号直接与IS61LV6416的输出使能引脚OE相连，此外还要将两个芯片的写使能信号WE连接起来。 RAM扩展电路见附件图3。4、驱动电路从控制部分上的2407事件管理器EVA或EVB输出的六路PWM，通过光耦隔离以后接到驱动芯片IR2132的HINlHIN3、LINlLIN3六路输入端，IR2I
11、32将PWM信号电压放大，最后输入逆变桥驱动电机工作。IR2132芯片工作电压取+15V的直流电压，高边悬浮电源端VBlVB3分别通过快恢复二极管FRl57即图中的D1、D2、D3与VCC的电源相连接；高边悬浮电源地端VSlVS3分别通过自举电容C1、C2、C3与高边悬浮电源端VBlVB3相连接，通过自举电容为3个上桥臂功率管的驱动器提供内部悬浮电源；同时高边悬浮电源地端VSlVS3分别与上桥臂功率管的源极连接在一起。六只功率开关管中，Ql、Q3及Q5为上桥臂，Q2、Q4及Q6下桥臂。上桥臂三只功率管的漏极接+48V的电机电压，而源极则分别与下桥臂三只功率管的漏极相连接；下桥臂三只功率管的源极
12、与电源地之间连接一个0.1欧的采样电阻，该电阻用于对电机电流进行采样。IR2132输出HOIH03经过三个5l欧的限流电阻分别与逆变器上桥臂三个功率管相连接，L01 L03经过三个20欧的限流电阻分别与逆变器下桥臂三个功率管相连接。电机驱动电路见附件图4。5、液晶显示电路本文采用信利（TRULY）公司生产的SD1335控制芯片LCD模块MSPG320240，实现DSP与SED1335的接口应用及软硬件设计方案。由于在显示过程中，TMS320LF2407需要将数据写入控制器，有时又要从控制器中读数据，因此数据总线上的信号流是双向的，如果把两者直接相连，数据的流向可能会对TMS320LF2407造
13、成损害，所以在设计中采用74LVC4245进行总线电平转换，通过它来连接SED1335与TMS320LF2407，同时为了提高TMS320LF2407对控制器的驱动能力，且适合电平要求，SED1335的5个控制端口通过非门74HC04分别与TMS320LF2407的输入/输出端口相连，通过对这个控制口不同的信号组合可以实现写指令代码、写参数、读参数及显示数据等。显示电路见附件图5。6、按键模块电路本模块通过5个按键控制电机的起停、正反转及制动命令，通过上拉电阻与按键相连，再与2407的5个I/O口相连，以产生控制电机命令。按键电路见附件图6。系统总电路图见附件图7。六、软件描述：1、PWM 单
14、元的初始化步：a. 设置全比较单元动作寄存器 ACTRA；b. 初始化比较寄存器 CMPRx；c. 配置寄存器 DBTCONA，设置死区时间；d. 设置 COMCONA,使能 PWM 模式，禁止比较模式；e. 设置全局通用定时器控制寄存器(GPTCONA)，开始计数。2、控制软件分主程序和中断服务子程序两大部分。主程序包括初始化子程序、起动和软起动子程序、双闭环 PI 调节子程序等；主程序主要完成以下一些功能：DSP 的初始化；保护电路的自检、预置系统参数；判断电机起动和停止；运行时升降速和速度显示等。主程序流程图电流环 PI 调节子程序流程图中断服务子程序主要有捕获中断子程序、A/D 中断子
15、程序、定时器上溢中断、功率保护中断、SCI 接收中断等。中断子程序流程图A/D 中断子程序流程图七、实验结果与结论：1. 本次无刷直流电动机微机控制系统的硬、软件设计是合理的、可行的。2. 采用电机控制专用芯片 DSP 后，简化了本系统的硬件电路设计，提高了系统的可靠性，增加了系统的实时控制的灵活性和快速性。而转速、电流双闭环PI 调节的全数字化实现，改善了系统的整体性能。3.无刷直流电动机不仅具备有刷直流电动机的效率高、调速性能好等优点，而且具备交流电动机的结构简单、运行可靠和维护方便等优点。如果充分利用和发挥我国在稀土资源丰富方面的优势，大力发展稀土永磁电机，将对我国机电产品在国际市场的竞
16、争力，具有战略意义。5.机转动过程中存在一定的转矩脉动。对于无刷直流电动机调速系统来说，引起转矩脉动的因素很多，与电机制造有关的主要是齿槽效应和磁通畸变；与控制系统有关的主要是电流调节的误差和相电流换向。八、参考文献：1 贡俊，陆国林无刷直流电机在工业中的应用与发展。3 张春喜等永磁电动机的控制技术。3 宋海龙，杨明，范宇无刷直流电动机的无位置传感器控制。4 刘丁，余志平，杨延西基于 DSP 的无刷直流电机无传感器控制系统设计。5 叶金虎，徐思海等无刷直流电动机。6 张琛直流无刷电动机原理及应用。7 陈伯时电力拖动自动控制系统。8 谢世杰数字 PID 算法在无刷直流电机控制器中的应用。9 刘和平，严利平等TMS320LF240x DSP 结构、原理及应用。九、附件：（原理图）图 1 电源转换电路图 2 A/D 转换钳位电路图 3 RAM 扩展电路图 4 电机驱动电路图图 5 TMS320LF2407 与 SED1335 的接口显示电路图 6 按键电路图 7 电路设计总原理图
