1、xx 大学 xxxx 届毕业设计说明书第 1 页 共 41 页1 绪论1.1 研究背景一个多世纪以来，电机作为电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。电机的主要类型有同步电机、异步电机与直流电机三种。直流电机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，因此被广泛应用于各种调速系统中，但传统的有刷直流电机均以机械换相方法进行换相，存在相对的机械摩擦，因此带来噪声、火花、无线电干扰及寿命等致命弱点，从而大大地限制了它的应用范围。而相比有刷直流电机，无刷直流电机的结构是以电力电子电路取代传统有刷直流电机的电刷，故其既具有有刷直流电机运行效率高、运行性能好等优点，又具有交流电
2、机运行结构简单、运行可靠、维护方便等优点。目前，随着半导体技术的快速进步与永磁材料的新发现，高性能、低成本的永磁无刷直流电机已成为调速领域的领军力量，它具有巨大的开发潜质和广阔的应用前景。1.2 无刷直流电机的研究历史及现状永磁无刷直流电机是一种电子电动机。随着电力电子技术的发展，许多新型的高性能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT等相继出现以及高性能永磁材料，如稀土永磁材料的问世，为无刷直流电动机的广泛应用奠定的基础, 它由直流电源经过逆变器、位置检测装置向电动机供电，因而既保持了直流电机的优良特性，又改善了有刷直流电机效率低、耗电多、噪音大、维护困难、使用寿命短等运行状况。电机
3、系统属环保节能型产品，是国家产业政策支持的高新技术项目，正处在产品成长期，具有广阔的市场前景。无刷永磁直流电机正在以其特有的优势不断蓬勃发展。国外在无刷直流电动机发展的前期，主要致力于将更加先进的电力电子器件和材料应用于无刷直流电动机以提高它的性能。但无刷直流电动机在低速运行时的转矩波动过大，这是采用优良的电动机设计和先进的器件所无法从根本上取得突破的瓶颈。在八十年代以后，随着磁性材料、电力电子器件和专用控制器的迅速发展，明显改善了无刷直流电动机特性的同时，人们又把对无刷直流电动机研究的目光转移到电子换向、稀土永磁材料以及智能控制三个方面，试图来抑制无刷直流电动机的转矩波动。我国无刷直流电动机
4、的研制工作开始于七十年代初期，主要是为我国自行研制的军事装置和宇航技术发展而配套。由于数量少，由某些科研单位试制就能满足要求。xx 大学 xxxx 届毕业设计说明书第 2 页 共 41 页经过二十多年的发展，虽然在新产品开发方面缩短了与国际先进水平的差距，但由于无刷直流电动机是集电动机、微电子、电力电子、控制、计算机等技术于一身的高科技产品，受到我国基础工业落后的制约，因此无论产量、质量、品种及应用于国际先进水平有着较大的差距，目前国内的研制单位虽不少，但形成一定批量的单位却屈指可数，而且其中绝大部分属于低档的无刷电机，产品的市场竞争力不强。1.3 无刷直流电动机的发展历程1831年，法拉第发
5、现了电磁感应现象，奠定了现代电机的基本理论基础。从19世纪40年代研制成功第一台直流电机，经过大约17年的时间，直流电机技术才趋于成熟。随着应用领域的扩大，对直流电机的要求也就越来越高，有接触的机械换向装置限制了有刷直流电机在许多场合中的应用。为了取代有刷直流电机的电刷换向器结构的机械接触装置，人们曾对此作过长期的探索。1915年，美国人 Langnall 发明了带控制栅极的汞弧整流器，制成了由直流变交流的逆变装置。20世纪30年代，有人提出用离子装置实现电机的定子绕组按转子位置换接的所谓换向器电机，但此种电机由于可靠性差、效率低、整个装置笨重又复杂而无实用价值。科学技术的迅猛发展，带来了电力
6、半导体技术的飞跃。开关型晶体管的研制成功，为创造新型直流电机无刷直流电机带来了生机。1955年，美国人 Harrison 首次提出了用晶体管换相线路代替电机电刷接触的思想，这就是无刷直流电机的雏形。它由功率放大部分、信号检测部分、磁极体和晶体管开关电路等组成，其工作原理是当转子旋转时，在信号绕组中感应出周期性的信号电动势，此信号电动势分别使晶体管轮流导通实现换相。问题在于，首先，当转子不转时，信号绕组内不能产生感应电动势，晶体管无偏置，功率绕组也就无法馈电，所以这种无刷直流电机没有起动转矩；其次，由于信号电动势的前沿陡度不大，晶体管的功耗大。为了克服这些弊病，人们采用了离心装置的换向器，或采用
7、在定子上放置辅助磁钢的方法来保证电机可靠地起动。但前者结构复杂，而后者需要附加的起动脉冲。其后，经过反复的试验和不断的实践，人们终于找到了用位置传感器和电子换相线路来代替有刷直流电机的机械换向装置，从而为直流电机的发展开辟了新的途径。20世纪60年代初期，接近开关式位置传感器、电磁谐振式位置传感器和高频耦合式位置传感器相继问世，之后又出现了磁电耦合式和光电式位置传感器。半导体技术的飞速发展，使人们对1879年美国人霍尔发现的霍尔效应再次发生兴趣，经过多年的努力，终于在1962年试制成功了借助霍尔元件（霍xx 大学 xxxx 届毕业设计说明书第 3 页 共 41 页尔效应转子位置传感器）来实现换
8、相的无刷直流电机。在20世纪70年代初期，又试制成功了借助比霍尔元件的灵敏度高千倍左右的磁敏二极管实现换相的无刷直流电机。在试制各种类型的位置传感器的同时，人们试图寻求一种没有附加位置传感器结构的无刷直流电机。1968年，德国人 WMieslinger 提出采用电容移相实现换相的新方法。在此基础上，德国人 RHanitsch 试制成功借助数字式环形分配器和过零鉴别器的组合来实现换相的无位置传感器无刷直流电机。xx 大学 xxxx 届毕业设计说明书第 4 页 共 41 页2 无刷直流电机的结构和工作原理永磁无刷直流电动机(Brushless DC Motor, BLDC)是一种典型的机电一体化产
9、品，它是由电动机本体、逆变器、位置检测器和控制器组成的自同步电动机系统，其结构原理图如图 2.1 所示。位置检测器检测转子位置信号，控制器对转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的开关信号，开关信号以一定的顺序触发逆变器中的功率开关器件，将电源功率以一定的逻辑关系分配给定子各相绕组，使电动机产生持续不断的转矩。U s 逆 变 器控 制 器 位 置 检 测 器永 磁 无 刷直 流 电 动 机图 2.1 结构原理图2.1 无刷直流电机的结构众所周知，有刷直流电机具有旋转的电枢和固定的磁场，因此有刷直流电机必须有一个滑动的接触结构电刷和换向器，通过它们把电流反馈给旋转着的电枢。无刷直流电机却与有刷直流电
10、机相反，它具有旋转的磁场和固定的电枢。这样，电子换向线路中的功率开关器件，如晶闸管、晶体管、功率 MOSFET 或 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）等可直接与点数绕组链接。在电机内，装有一个转子位置传感器，用来检测转子在运行过程中的位置。它与电子换相线路一起，替代了有刷直流电机的机械换向装置。综上所述，无刷直流电机有电机本体、转子位置传感器和电子换相线路三大部分组成，如图2.2所示。xx 大学 xxxx 届毕业设计说明书第 5 页 共 41 页图 2.2 无刷直流电机组成框图2.1.1 电机本体永磁无刷直流电动机最初的设计思想来自普通的有刷直流电动机，只不过将直流电动机的定、转子位置进行了互换，
11、其转子为永磁结构，产生气隙磁通；定子为电枢，有多相对称绕组。原直流电动机的电刷和机械换向器被逆变器和转子位置检测器所代替。所以永磁无刷直流电动机的电机本体实际上是一种永磁同步电机。定子的结构与普通同步电动机或感应电动机相同，铁心中嵌有多相对称绕组(三相最为常见)，绕组可以结成星形或三角形，并分别与逆变器中的各开关管相连。永磁无刷直流电动机的转子利用永磁体形成主磁极，常见的转子结构有两种形式，如图 2.3 所示。面贴式结构是在铁心外面粘贴上瓦片形永磁体，具有结构简单制造成本低的特点，但在高速时永磁体易被离心力甩出，所以多用于低速电机。具有这种转子的电机称为面贴式电机(Surface-mounte
12、d Permanent Magnet Machine,SMPM)。内埋式结构是将永磁体嵌入铁心里面，能有效避免永磁体失磁，电机气隙较小，多用于对电机动态特性要求较高的场合。具有这种转子的电机称为内埋式电机(Interior Permanent Magnet Machine,IPM)。由于稀土永磁的磁导率接近于 1，与气隙相当，所以虽然面贴式电机在几何结构上呈现为凸极，但在电气特性上却属于隐极电机；内埋直流无刷电动机电动机本体位置传感器电子开关线路路主定子主转子传感器转子传感器定子功率逻辑开关位置信号处理xx 大学 xxxx 届毕业设计说明书第 6 页 共 41 页式电机几何结构为隐极，电气特性
13、上属于凸极电机，这一点与普通电机是不相同的。 铁 心永 磁 体面贴式内埋式图 2.3 永磁无刷直流电动机转子结构型式除了上述基本结构外，还有一种外转子式结构，即带有永磁极的转子在外面，嵌有绕组的定子在里面。电机运行时，外转子旋转。这种结构主要用于电动车的驱动。2.1.2 逆变器逆变器将直流电转换成交流电向电机供电。与一般逆变器不同，永磁无刷直流电动机的逆变器的输出频率不是独立调节的，而是受控于转子位置信号，是一个“自控式逆变器” 。由于采用自控式逆变器，永磁无刷直流电动机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，不会产生振荡和失步，这也是永磁无刷直流电动机的重要优点之一。逆变器主电路有桥式和非桥式
14、两种，而电枢绕组既可以结成星形也可以结成角形(封闭形)，因此电枢绕组与逆变器主电路的连接有多种不同的组合，图 2.4 给出了几种常用的连接方式。其中，图(a)和图(b)是非桥式主电路，电枢绕组只允许单方向通电，属于半控型主电路；其余为桥式主电路，电枢绕组允许双向通电，属于全控型主电路。目前，星形连接三相桥式主电路应用最多。xx 大学 xxxx 届毕业设计说明书第 7 页 共 41 页图 2.4 永磁无刷直流电动机电枢绕组与逆变器的连接逆变器功率开关一般采用 IGBT 或功率 MOSFET 等全控型器件。IGBT 具有较低的导通压降，而 MOSFET 具有更快的开关频率。有些主电路已有集成的功率
15、模块(PIC)和智能功率模块(IPM)，选用这些模块可以提高系统的可靠性。2.1.3 位置检测器位置检测器的作用是检测转子磁极相对于定子绕组的位置信号，为逆变器提供正确的换相信息。位置检测包括有位置传感器检测和无位置传感器检测两种方式。转子位置传感器也由定子和转子两部分组成，其转子与电机本体同轴，以跟踪电机本体转子磁极的位置；定子固定在电机本体定子或端盖上，以检测和输出转子位置信号。转子位置传感器的种类包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、旋转变压器式以及编码器等。无位置传感器位置检测是通过检测和计算与转子位置有关的的物理量间接地获得转子位置，主要有反电势法，这也是本文所要采用的方法。2.1
16、.4 控制器控制器是永磁无刷直流电动机正常运行并实现各种伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能：(1)对转子位置检测器输出的信号、PWM 调制信号以及其他控制信号进行逻辑综合，为驱动电路提供开关信号，实现电机的正常运行。xx 大学 xxxx 届毕业设计说明书第 8 页 共 41 页(2)对电机进行闭环调节，使系统具有较好的动静态性能。(3)实现短路、过流、过电压和欠电压等故障保护功能。2.2 无刷直流电动机的基本工作原理永磁无刷直流电机最常用的主电路为星形连接三相桥式主电路（图 2.4（c） ） ，这种电路主要有两种导通方式：二二导通方式和三三导通方式。二二导通方式是指每一瞬间有两个功率管导通
17、，每隔 1/6 周期（60电角度）换相一次，每次换相一个功率管，桥臂之间左右互换，每个功率管导通 120电角度。三三导通方式是在任一瞬间使三个开关管同时导通，同样每隔 60电角度换相一次，每次换相一个功率管，但换相发生在同一桥臂上下管之间，因而每个功率管导通180电角度。相比较之下，二二导通方式电机出力大，转矩特性较好，且不会发生开关管直通短路的现象，因此最为常用。其工作原理如图 2.5 所示。图 2.5 永磁无刷直流电动机工作原理示意图xx 大学 xxxx 届毕业设计说明书第 9 页 共 41 页当转子旋转到图 2.5.1 所示的位置时，位置检测装置输出的转子位置信号经过控制电路逻辑变换后驱
18、动逆变器，使功率开关 VT1、VT6 导通，A、B 两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经 VT1A 相绕组，再从 B 相绕组流出，经 VT6 回到电源的负极。电枢绕组在空间产生的磁动势 Fa 如图 2.5.1 所示，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子顺时针转动。当转子在空间转过 60电角度，到达图 2.5.2 所示位置时，位置检测器输出的位置信号使 VT1、VT2 导通，A、C 两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经 VT1 流入 A相绕组，再从 C 相绕组流出，经 VT2 回到电源的负极。电枢绕组在空间产生的磁动势Fa 如图 2.5.2 所示，此时定转子磁场相互作用，转矩方向不变，使电机
19、的转子继续顺时针转动。转子在空间每转过 60电角度，逆变器开关就发生一次切换，功率开关的导通逻辑为 VT1、VT6VT1、VT2VT3、VT2VT3、VT4VT5、VT4VT5、VT6VT1、VT6。在此期间，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。在图 2.5.1 到图 2.5.2 的 60电角度范围内，转子磁场沿顺时针连续旋转，而定子合成磁场在空间保持静止。只有当转子转过 60电角度到达图 2.5.2 所示位置时，定子合成磁场才从图 2.5.1 的 Fa 位置跳跃到图 2.5.2 的 Fa 位置。可见，定子合成磁场在空间不是连续旋转的，而是一种跳跃式的旋转磁场，每个步进
20、角是 60电角度。转子在空间每转过 60电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的状态就发生一次跃变。可见，电机有六种磁状态，每一状态有两相导通，每相绕组导通的时间对应着转子旋转 120电角度。永磁无刷直流电动机的这种工作方式称为两相导通星形三相六状态，这是无刷直流电动机最常用的一种工作方式。从永磁无刷直流电动机的工作原理可知，转子位置的正确测量对电动机的正常运行起着十分重要的作用，这与一般的永磁同步电动机是不相同的。xx 大学 xxxx 届毕业设计说明书第 10 页 共 41 页3 无刷直流电机无位置传感器控制3.1 BLDC 无位置传感器控制问题的提出无位置传感器 BLDCM 减少了位
21、置传感器，因而电机结构简单，体积小、可靠性高。当电机体积较小、位置传感器难以安装或工作环境恶劣以至于位置传感器无法正常工作时，无位置传感器 BLDCM 就更加显示其独特的优越性。有位置传感器无刷直流电机的定子绕组的换流时刻是由位置传感器的信号决定的，而无位置传感器无刷直流电机主要是依靠电机的电压和电流信息间接的获得转子磁极的位置信号，进而控制绕组的换流顺序和时刻。目前，比较常用的无位置传感器位置检测方法有 5 种：(1)反电动势法。(2)定子三次谐波检测法。(3)续流二极管工作状态检测法。(4)瞬时电压方程法。(5)状态观察法。本文系统采用的是最常用的传统的反电动势法。3.2 反电势法目前，反
22、电动势过零点法 16,26是技术是应用最广泛、最成熟的转子位置检测方法。适用于三相六状态、绕组星型联结、120两两通电方式。其原理为：在无刷直流电机稳态运行时、忽略电机电枢反应的前提下，通过检测关断相反电动势的过零点来获得永磁转子的关键位置信号，从而控制绕组电流的切换。掌握反电势检测法首先要明确以下两点：(1)反电动势检测的基础是由于 BLDC 电机采用两相导通模式，因此不导通的第三相就可以来检测反电动势的大小。如下图 3.1 所示。xx 大学 xxxx 届毕业设计说明书第 11 页 共 41 页3091527A三BC/()图 3.1 三相输出电压(2)为了检测反电势，必须满足以下两个条件：处
23、于对角线上的两个桥臂上的功率开关（一个上管、一个下管）都被同一个 PWM信号驱动。另外一个用于检测反电动势的桥臂没有电流流过。反电势法是目前最成熟的转子位置无传感器检测方法，其原理是通过探测定子绕组中的反电势来实现转子位置的离散检测，以保证换向的正确进行。具体可以分为如下几种：1.反电势过零检测法这种方法是通过检测定子绕组未导通相的反电势过零点来确定转子的位置，以便发出相应的切换信号。主电路为三相桥式全控星形连接的无刷直流电动机的等效电路如图 3.2 所示，在二二导通方式下，各导通管脚、绕组电流及反电势波形如图 3.3 所示。在图 3.3 中我们看到，功率管的切换发生在反电势过零后延迟 30的
24、地方。因此，只要检测出了反电势过零点，就能正确进行功率管的切换。xx 大学 xxxx 届毕业设计说明书第 12 页 共 41 页LLLRRRaUbcii aebceNU图 3.2 永磁无刷直流电动机等效电路6,145IE三图 3.3 永磁无刷直流电动机电流、反电势波形及开关管导通顺序2.反电势直接换向点检测法这种方法是利用反电势信号直接检测换向点，而无需考虑延时问题。具体又分为：（1）反电势积分法GE 公司的 D.Erdam 首先提出这种方法，其思路是在反电势过零后对其绝对值积分,xx 大学 xxxx 届毕业设计说明书第 13 页 共 41 页当积分值达到预先设定的门限值时，发出切换信号。为防
25、止斩波噪声对积分的干扰，采用了特殊的 PWM 调制法：在功率管导通的前半周进行 PWM 调制，后半周一直导通，从而有效避免了 PWM 脉冲队过零点的干扰。不过，门限值的确定比较困难。（2）反电势三次谐波积分法由图 3.3 可知，在二二导通方式下，BLDC 三相反电势之和的波形如图 3.4 中的实线所示，将其滤波后得到一个三次谐波，三次谐波的积分波形如图 3.4 中的虚线所示。对照图 3.3 可知，开关管的切换就发生在该波形的每一个过零点处。因此，这种方法在算法上相对简单一些。e图 3.4 BLDC 三相反电势之和及其基波之积分波形实线：BLDC 三相反电势之和 虚线：三相反电势之和的基波的积分
26、3.续流二极管监测法此方法通过监测反并联于逆变器的六个二极管的导通和截止情况来判断转子位置。对于关断相绕组来说，其续流二极管的电流，主要由反电势产生(电感较小)，所以二极管的熄灭点对应着反电势的过零点。这种方法较少受到 PWM 脉冲的影响，因而精度较高。日本学者通过这种方法在很低的转速下获得了转子位置信息。实际应用中，由于受 PWM 调制的影响，反电势过零点往往不是很明确，必须经深度滤波将 PWM 脉冲的影响滤除以后才能得到有用信号，从而产生相移，使位置检测不准确，必须进行补偿。另外，如何精确延时 30也是一个问题，尤其是在变速运行的时候。反电动势过零点检测法的缺点是静止或低速时反电动势信号为
27、零或很小，难以得到有效的转子位置信号，系统低速性能较差，需要开环方法起动此外为消除调制引起的高频干扰而对反电动势信号进行深度滤波，这带来了与速度有关的相移，为保证正确的电流换相要对此相移进行补偿。因此，国内外研究人士纷纷就其相位滞后、换相xx 大学 xxxx 届毕业设计说明书第 14 页 共 41 页转矩脉动、忽略电枢反应造成的误差等问题做了深入研究。无刷直流电机中，受定子绕组产生的合成磁场的作用，转子沿着一定的方向转动。电机定子上放有电枢绕组，因此，转子一旦旋转，就会在空间形成导体切割磁力线的情况，根据电磁感应定律可知，导体切割磁力线会在导体中产生感应电热。所以，在转子旋转的时候就会在定子绕
28、组中产生感应电势，即运动电势，一般称为反电动势或反电势。对于采用三相六状态、绕组星型接法、120两两导通方式的无刷直流电机而言，三相绕组在任意时刻总有一相处于断开状态，检测断开相的反电势信号，当其过零点时，转子直轴与该相绕组重合，再延迟 30即为无刷直流电动机的换相点。在本文中，采用的就是第一种方法，反电动势过零点检测法。3.3 BLDC 反电势过零点检测方法通常，对于无刷直流电机来说，有三种 PWM 调制方式 1：一种较为常见，是高压侧功率管 PWM 调制方式，而低压侧功率管常导通；一种是低压侧功率管 PWM 调制方式，高压侧功率管常导通；还有一种是高、低压侧功率管同时采用 PWM 调制的方
29、式。本文中采用的是 PWM 调制第一种方式，采用高压侧功率管调制方式，而低压侧只是在电机换相时导通或关断，不导通相得反电动势可以在 PWM 高电平和相电流续流阶段中被检测出来。在任意时刻，一相绕组连接于高压侧 PWM 调制的功率管，另一相连接于低压侧常开通的功率管。剩下的一相没有电流通过，其端电压用于检测出反电动势。如图 3.5 所示，A 相和 B 相两相导通，C 相不导通。假设某一个换相阶段，电机处于 A 相和 B 相导通，C 相为不导通状态，如图 3.5 所示，在一个 PWM 调制周期中，当PWM 信号为低电平相电流处于续流状态时，高压侧功率管 SW1 关断，相电流经由功率管中集成的续流二
30、极管 VD1，在 A 相和 B 相绕组中续流。在这个续流阶段中，不导通相端电压同样可以检测出反电动势的过零点。具体如下：xx 大学 xxxx 届毕业设计说明书第 15 页 共 41 页EabcLRVD12SWCGNI图 3.5 BLDC 运行时三相端电压电路对于 A 相绕组有：0diVnrLEat（3.3） 对于 B 相绕组有 diVnrLEbt（3.4）将 式（3.3） 和式（3.4）相加有2abVn（3.5）根据无刷直流电机三相绕组对称的关系，有（3.6）0Eabc根据式（3.5）和式（3.6）有（3.7）2cVn因此，在永磁无刷直流电机相电流处于续流状态时，有（3.8） 3Ec从式（3.
31、3）到（3.8） 可知，当相电流在功率管的集成二极管中续流时，不导通相得xx 大学 xxxx 届毕业设计说明书第 16 页 共 41 页端电压直接和反电动势成正比，而此时由于不存在功率管的开关状态，因此不会有大量的开关噪声。将此时的端电压和固定的参考电压进行比较，可以精确地得到不导通相反电动势的过零点，在过零点时刻延时 30电角度，即是无刷直流电机的换相点。电机的反电动势检测出来以后，可以找到反电动势的过零点，在反电动势过零处进行是的适当地换相操作，可以完成 BLDC 电机的连续运行，如图 3.6 所示。和常用的无位置传感器控制方法相比，这种方法有较高的灵敏度。由于不用对端电压分压检测，因此所
32、检测的端电压不会有衰减。尤其在无刷直流电机低速阶段，拥有很高的检测精度，因此拓宽了这种方法的转速适用范围，也加快了电机开环启动的过程。另外，由于不导通相的反电动势，在 PWM 关断状态时被检测，因此能够避免高频的 PWM 开关噪声。这种同步的检测方法能够很方便地去除开关噪声带来的过零点精度问题；由于不需要低通滤波，因此不会带来所检测到的反电动势过零点发生过大的偏移；最后，便于在数字控制系统的基础上进行方法实现。 0612843PWM5haseABC三/()图 3.6 反电动势波形与 BLDC 的换相xx 大学 xxxx 届毕业设计说明书第 17 页 共 41 页4 硬件系统的实现图 4.1 所
33、示为所设计的无位置传感器控制系统总体结构。其中，经限幅电路输出的三个反电动势信号经过过零比较器，输入到控制器中，由控制器判断出过零点，进过 DSP 内部控制算法后输出 6 路 PWM 信号给三相逆变桥，对无刷直流电机进行换相和调速，从而可以进行相应的换相控制。 D1235三+-QIGBTLC图 4.1 无位置传感器控制系统框图4.1 TMS320F2812 DSP 系统与应用数字控制器采用 DSP 芯片作为主控制器，硬件上由 CPU、存储器、数字 I/O 口、PWM 模块和 A/D 模块组成。PWM 模块产生 6 路 PWM 信号用于永磁无刷直流电机的换相。数字 I/O 口还有 3 路信号的输
34、入，是反电动势检测信号。转速计算模块根据换相检测信号计算出转速的数值；速度控制模块根据调速要求计算输出 PWM 的占空比；换相控xx 大学 xxxx 届毕业设计说明书第 18 页 共 41 页制模块根据换相信号的电平跳变，进行相应的换相。为了实现上述功能，采用了专用的控制芯片TI 公司的 TMS320F2812 DSP 作为控制器。TMS320F2812 DSP 给设计者提供了整套的片上系统，主频高达 150MHz,片内具有高达 128K 字的编程 FLASH，集成了 PWM 发生模块，带有 CAP 捕获模块的事件管理器（EV）模块，32 位定时器，12 位 AD 采样模块，多个复用输入输出可
35、自定义的 I/O 端口。TMS320F2812 DSP 事件管理器模块为用户提供了许多的功能与特点，包括通用（GP）定时器、全比较/PWM 单元、捕获单元和正交编码脉冲（QEP）电路等。这些功能对无位置传感器控制系统都有及其重要的作用，其功能特点如表 4.1 所示。各个功能部分说明如下：(1)通用（GP）定时器 事件管理器各有两组 GP 定时器。GP 定时器 x（x=1 或 2 对应 EVA；x=3 或 4 对应 EVB）包括：A.1 个 16 位定时器 TXCNT，为增/减计数器，可以读/写。B.1 个 16 位定时器比较寄存器 TxCMPR（带影子的双缓冲寄存器） ，可以读/写。C.1 个
36、 16 位定时器周期寄存器 TxPR（带影子的双缓冲寄存器） ，可以读/写。D.1 个 16 位定时器控制寄存器 TXCON，可以读/写。E.可选择的内部或外部输入时钟。F.一个对于内部或外部输入时钟可编程的预定标因子。G.控制和中断逻辑，用于 4 种可屏蔽中断：定时器周期中断、定时器比较中断、上溢中断和下溢中断。H.一个输入方向选择引脚（TDIRx） （当选择为定向增/减计数模式后，进行增计数或减计数） 。GP 定时器可以单独操作，也可以与其他定时器同步操作。每个 GP 定时器所具有的比较寄存器可以用作比较功能和 PWM 波形的产生。对于每一个 GP 定时器，在增或增/减计数模式下都有 3
37、种连续操作模式。通过预定标因子，每个 GP 定时器可以使用内部或外部时钟。GP 定时器可以为事件管理器的其他子模块提供时基：GP 定时器 1 可以为所有的比较和 PWM 电路提供时基电路，而 GP 定时器 1 和 GP 定时器 2 都可以为捕获电路和正交xx 大学 xxxx 届毕业设计说明书第 19 页 共 41 页表 4.1 DSP 事件管理器模块功能表EVA 模块 EVA 信号 EVB 模块 EVB 信号定时器 1 T1PWM/T1CMP 定时器 3 T3PWM/T3CMP通用（GP）定时器 定时器 2 T2PWM/T2CMP 定时器 4 T4PWM/T4CMP比较器 1 PWM1/PWM
38、2 比较器 4 PWM7/PWM8比较器 2 PWM3/PWM4 比较器 5 PWM9/PWM10比较单元比较器 3 PWM5/PWM6 比较器 6 PWM11/PWM12捕获器 1 CAP1 捕获器 4 CAP4捕获器 2 CAP2 捕获器 5 CAP5捕获单元捕获器 3 CAP3 捕获器 6 CAP6QEP1 QEP3QEP2 QEP4正交编码脉冲电路 QEPQEP11QEPQEP12计数方向 TDIRA 计数方向 TDIRB外部定时器输入 外部时钟 TCLKINA 外部时钟 TCLKINBC1TRIP C4TRIPC2TRIP C5TRIP外部比较输入比较输入端口 C3TRIP比较输入端
39、口 C6TRIPT1CTRIP/PDPINTA T3CTRIP/PDPINTB外部定时器比较输入 T1CTRIP T4CTRIP外部功率保护输入功率驱动保护T1CTRIP/PDPINTA 功率驱动保护T3CTRIP/PDPINTB外部 ADCSOC 触发EVASOC EVBSOC脉冲计数操作提供时基。双缓冲的周期和比较寄存器通过可编程的变化定时器（PWM）的周期，可以得到比较/PWM 脉冲的期望占空比。(2)全比较单元 每个事件管理器有 3 个比较单元，当该比较单元使用定时器 1 为其通提供时钟基准时，通过使用可编程的死区电路产生 6 个比较输出或 PWM 波形输出，而 6 个输出中的任何一个
40、输出状态都可以单独设置。比较单元中的比较寄存器是双缓冲的，允许可编程地变换比较/PWM 脉冲的占空比。EV 事件管理器模块中具有全比较单元，可以输出 PWM 信号。比较单元都能产生相关的 PWM 输出，它是一个比较匹配信号，xx 大学 xxxx 届毕业设计说明书第 20 页 共 41 页比较单元的时基有 通用定时器提供。此项功能用于产生对无刷直流电机进行调制的 PWM 信号，而 PWM 信号的占空比和周期有比较寄存器和周期寄存器来决定，并根据控制寄存器输出所要求的 PWM 波形。(3)可编程的死区发生器 死区发生器电路包括 3 个 8 位计数器和 8 位比较寄存器，它们可以将需要的死区幅值通过
41、编程写入比较寄存器，以便 3 个比较单元的输出。通过每个比较单元的输出，可以单独时能或禁止死去的产生。死区发生器的电路可以为每个比较寄存器的输出信号产生 2 个输出（带有或不带有死区地带） 。通过双缓冲ACTRx 寄存器，可以根据需要设置或更改死区发生器的输出状态。(4)PWM 波形的产生 每个事件管理器在同一时刻产生多达 8 个 PWM 的波形输出，通过带有可编程死区的 3 个全比较单元可单独产生 3 对（6 路）输出，通过 GP 定时器的比较功能可产生 2 个单独的 PWM。TMS320F2812 DSP 中的事件管理器模块 EV 中有特定功能的外设寄存器，包括定时器寄存器，用于产生 PW
42、M 波形的全比较单元寄存器，以及捕获单元寄存器。通过对这些寄存器的设置和读取，可以控制 DSP 的工作状态以及输入和输出功能。EV 模块可以产生中断请求 。当外设中断请求信号被 CPU 接受时，进入相应的中断服务子程序（ISR） ，以执行相应的中断操作。(5)捕获单元 捕获单元为用户提供了对不同事件和变化进行记录的功能。当捕获输入引脚 CAN（x=1、2 或 3 属于 EVA；x=4、5 或 6 属于 EVB）检测到变化时，它会将捕获到的所选择的 GP 定时器的当前计数值，并把该计数值存储在两级深度的 FIFO 堆栈中。捕获单元由 3 个捕获电路组成，捕获单元的特点如下：A 1 个 16 位的
43、捕获控制寄存器 CAPCONx（读写） 。B 1 个 16 位的捕获 FIFO 状态寄存器 CAPFIFOx 。C 可以选择 GP 定时器 1、2（为 EVA）或 GP 定时器 3、4（为 EVB）作为时基。D 3 个 16 位的两级深度 FIFO 堆栈，为每个捕获单元配备 1 个。E 6 个捕获输入引脚（CAP1/2/3 为 EVA 所用，CAP 4/5/6 为 EVB 所用） ，而每个捕获单元都有 1 个捕获引脚，所有捕获引脚的输入都与器件的 CPU 时钟同步。为了能正确地捕获到引脚的变化，输入引脚的信号电平须保持两个时钟的上升沿。其中，输入引脚的 CAP 1/2 和 CAP 4/5 也可
44、以作为正交编码脉冲电路的输入引脚。F 用户可指定诊测变化的方式（上升沿、下降沿或两个边沿） 。xx 大学 xxxx 届毕业设计说明书第 21 页 共 41 页G 3 个可屏蔽中断标志，每个捕获单元各具有 1 个。DSP 的性能和速度完全可以保证对反电动势零点的检测与对 BLDC 的控制。将无位置检测所产生的过零点信号进过光电隔离电路输入个 DSP 的 CAP 捕获端口，以使 DSP对过零信号跳变沿进行相应，以进入 DSP 的捕获中断进行换相。当 CAP 输入引脚上的信号发生跳变时，根据使用 CAP 模块所采用的定时器所运行的数值会被捕获进入存储器中，此捕获值可以作为换相时间的参考。与此同时，相
45、应的中断标志位被置位，于是过零点比较信号可以作为产生一个中断请求。DSP 的这个功能实现了对过零点比较信号的检测。(6)数模转换模块 DSP 的模数转换模块（ADC）包括带内置采样保持的 12 位 AD 转换模块，多达 16 个的模块输入可切换通道。DSP 内部具有 AD 采样排序寄存器，能够决定模拟通道转换的顺序，并能够将采样得到的值存放在 AD 采样结果寄存器中，在程序操作时可以实时地将采样值读出。灵活的中断控制允许在不同的 AD 操作阶段产生中断请求。(7)数字复用 I/O 口 DSP 可以根据当前的位置信号状态输出 6 路 PWM 信号，进过隔离放大可作用在功率管逆变桥上，对无刷直流电
46、机进行驱动。另外，DSP2812 具有大量的通用、双向的数字 I/O（GPIO）,可通过修改 DSP 内部的 I/O 配置寄存器将具有基本功能的端口复用成为数字 I/O 端口，以作为无位置传感器检测电路的触发、使能信号以及不导相的选择信号。4.2 硬件组成及其工作原理无位置传感器检测电路框图如图 4.2 所示。将 BLDC 三相绕组端电压取出，经过限幅后，经由电压跟随器，电机运行过程中，以保证端电压信号不会衰减，再分别通过过零比较器。将无位置检测所产生的过零点信号进过光电隔离电路输入给 DSP 的数字I/O 捕获端口，以使 DSP 对过零信号跳变沿进行相应，以进入 DSP 的捕获中断进行换相。
47、当输入 I/O 引脚上的信号发生跳变时，既是不导通相反电动势的过零点，延时 30电角度就是 BLDC 的换相点。根据使用换相控制模块所采用的定时器所运行的数值会被捕获进入存储器中，此捕获值可以作为换相时间的参考。xx 大学 xxxx 届毕业设计说明书第 22 页 共 41 页三DSPI/OCAWM6BL图 4.2 无位置传感器检测电路系统框图4.2.1 DSP 最小系统1.系统结构一个典型的 DSP 最小系统如图 4.3 所示，包括 DSP 芯片、 电源电路、 复位电路、时钟电路及 J TA G 接口电路。考虑到与 PC 通信的需要，最小系统一般还需增添串口通信电路。图 4.3 系统框图TMS
48、320F2812 是 TI 公司 C2000 系列中性价比较高的一款器件。该器件集成了丰富而又先进的外设，如 128kB 的 Flash 存储器、4kB 的引导 ROM、数学运算表、电机控制外设、串口通信外设、2kB 的 OTP ROM 以及 16 通道高性能 12 位模数转换模块，提供了两个采样保持电路可以实现双通道信号同步采样，同时具有很高的运算精度(32位)和系统处理能力(达到 150MIPS)，可广泛应用于电力自动化、电机控制和变频家电等领域。2.系统硬件设计（1） 电源及复位电路设计DSPTMS320F2812复位Brushless dc motor composition diag
49、ram电 Fig.2.2 Brushless dc motor composition diagram路JATG 电路电源电路串口通信时钟电路xx 大学 xxxx 届毕业设计说明书第 23 页 共 41 页DSP 系统一般都采用多电源系统 ,电源及复位电路的设计对于系统性能有重要影响。TMS320F2812 是一个较低功耗芯片 ,核电压为 1. 8V , IO 电压为 3. 3V。本文采用 TI 公司的 TPS767D318 电源芯片。该芯片属于线性降压型 DC/ DC 变换芯片 ,可以由 5V 电源同时产生两种不同的电压( 3. 3V、 1. 8V 或 2. 5V ) ,其 最 大 输 出 电 流 为 1000mA ,可以同时满足一片 DSP 芯片和少量外围电路的供电需要 ,如图 4-4 所示。该芯片自带电源监控及复位管理功能 ,可以方便地实现电源及复位电路设计。复位电路原理图如图 4.5 所示。 VD3FLNC12GE4I567890OUTSRB/Pu.X图 4.4 电源电路 K三W-图 4.5 复位电路xx 大学 xxxx 届毕业设计说明书第 24 页 共 41 页（2） 时钟电路设计TMS320 F2812 DSP 的时钟可以有两种连接方式,即外部振荡器方式和谐振
