1、直流电机调速控制实验教学平台设计与实现,班级：0830702学号：06180223 姓名：张书省指导老师：李学勤 讲师 答辩组负责人：仇国庆 副教授毕业论文答辩2011.06,本文设计了一套基于DSP控制的永磁无刷直流电机实验教学平台，首先概述了无刷直流电机，分析了其工作原理，确定了系统整体平台方案，其硬件电路包括DSP控制电路、功率变换主电路、检测电路和保护电路等几个部分；软件编制各程序模块的流程图。该实验教学平台提供霍尔传感器接口，为调速控制平台的研究与开发提供了有力支撑，同时也是一套很好的教学工具。实验结果表明该平台，运行良好，可靠性高，具有一定的应用价值。,一、论文概述,1,二、前言,
2、过去很多高校采用的直流调速实验教学平台是晶闸管调速、串级调速实验装置。这套装置随着先进科技的发展早该退出舞台，如今都采用数字化直流调速控制实验教学平台系统。,2,3,此数字化实验教学平台采用转速、电流双闭环控制系统，精度很高，跟踪性能良好。 具有信息存储、数据通信的功能；可采用数字滤波来提高系统的抗干扰性能；可采用数字反馈来提高系统的精度；容易与上位机变换信息等。这种数字化的实验教学平台在理论和实践方面都是比较成熟的调速控制系统，在家用空调、商用空调和各种金属切削机床等方面得到了日益广泛的应用。TCL中央空调电控盒组件,三、研究目的及要求,目的： 设计和实现直流电机调速实验教学平台的目的不仅在
3、于对理论教学的验证，更重要的是训练实验教学实际应用能力。 在工企业生产和高等院校研究中，直流电机调速控制实验教学应用较为广泛。,4,要求： 定量实现调速实验教学平台的设计，给定转速实现无差跟踪，平滑调速，能实现手动和自动调速，改变参数显示不同功能，搭建调速电路，认识无刷直流电机及其调速原理，PID参数设置和整定。,5,四、设计思路,明确题目研究内容 确定研究方法 着手实施题目核心内容访问 研究文献资料 分析实际问题和资料 总结 确定设计平台整体方案 结论,6,7,第三章 实验教学平台总体规划设计,第一章 直流电机调速实验教学平台概述,第二章 永磁无刷直流电机工作原理,第四章 直流电机调速实验平
4、台的软硬件设计,第五章 实验教学平台测试与结果分析,五、论文框架,第一章 直流电机调速实验教学平台概述,主电路采用先进的智能功率模块，掌握先进的设计调速实验教学平台的角度来组织实验。此外，如何把计算机控制技术与直流调速实验平台相结合，组成直流调速计算机自动控制实验平台，也应成为实验教学的一个组成部分。本章分为三部分，第一，课题研究背景及意义；第二，永磁无刷直流电机概述；第三，几种直流调速实验教学平台的比较。,第二章 永磁无刷直流电机工作原理,作为实验教学平台设计的被控对象无刷直流电机（BLDCM），是近几十年来随着电力电子技术、专用集成电路技术和控制技术的迅速发展而逐渐发展起来的一种新型电机。
5、在实验教学过程中必须加以强调和认识，包括永磁无刷直流电机的组成和基本工作原理，引入国内外研究动态，对其在运行过程的一些现象进行分析，因此介绍被控对象也就成为实验教学的必备内容。,一、电机本体 二、电子开关线路 三、位置传感器 四、工作原理 五、调速策略 基本结构,驱动原理图 等效电路,三相星形全桥的六种通电示意图,第三章 实验教学平台总体规划设计,一、PWM调速原理 脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）简称PWM，它是通过功率管开关作用将恒定直流电压转换成频率、宽度可调的方波脉冲电压，通过调节脉冲电压的宽度和频率改变输出电压的平均值的一种功率变换技术。 驱动系统中多采用
6、可逆PWM变换器，采用PWM单斩方式。,二、实验教学平台整体方案设计 根据直流调速实验教 学平台的设计要求和直流 电机的特性，本文设计了 永磁无刷直流电机调速控 制实验教学平台的总体结 构框图 1、控制电路2、电机本体3、DSP及外围电路实验平台的总体结构框图,4、PID闭环调速系统三、转矩脉动分析 闭环调速系统框图转矩脉动是永磁无刷直流电机在低速运行时的一项十分重要的性能指标，通常高性能调速实验教学平台转矩脉动应有确定的标准，因此，分析造成转矩脉动的原因及其抑制方法对提高实验平台性能有重要意义。,第四章 直流电机调速实验平台的软硬件设计,DSP包含有丰富的片内资源，众多的功能模块，因此，在实
7、现所设计的调速实验教学平台的过程中，如何合理地使用DSP资源，简化整个系统的硬件结构、提高其可靠性，是本课题要研究的另一个内容。完成硬件设计之后，就要根据DSP芯片的编程特点，设计整个系统的软件流程，通过高级语言编写的应用程序来实现系统的控制方案和控制算法，用实验来检验整个系统的可行性和调速性能。,第一节 实验平台硬件设计,一 、实验教学平台硬件电路整体结构设计该实验教学平台无刷直流电机采用霍尔传感器作为位置反馈机制，从反馈的脉冲信号中获得位置信息和转速情况。此外，系统从电机的驱动器件IGBT处获得电流信息。,二、实验教学平台硬件电路设计该控制实验教学平台功率器件采用IGBT构成三相逆变桥，驱
8、动电路和功率器件集成在IPM中，转子位置检测采用霍尔传感器；电流闭环所需的电流反馈由电流检测环节获得，再送入DSP数字化处理。,1、DSP控制电路设计DSP控制电路包括两个部分：最小系统电路和应用电路。最小系统电路部分包括：电源、基于PLL的时钟电路、存储器扩展等。应用电路包括：硬件接口电路、SCI、CAN、SPI、A/D、EVA扩展接口等。,2、功率变换主电路设计本文采用智能功率模块作为驱动电路和功率变换电路。 三相桥式逆变器模块,3、检测电路此处检测分为转子位置检测电路和电流、电压检测电路，检测环节在整个控制系统中是一个相当重要的部分。它向控制电路准确、快速地反馈电机转子的位置和功率主电路
9、的电流，使DSP控制器能够正确的得出功率管的换相逻辑，同时通过计算，精确地得到PWM波形的占空比，快速调节电机转矩。,三 、EMC设计 1、系统电磁干扰 一个好的PCB板可以解决直流电机调速实验教学平台系统电磁兼容设计等部分的电磁干扰问题。 2、直流电机实验平台电磁兼容设计设计实验教学平台时，应在初步设计阶段进行电磁兼容性分析，选用不易产生干扰及对干扰不敏感的元器件和电路，同时对元器件和电路进行合理布置，以减小相互影响，并便于采取防护措施,第二节 实验平台软件设计,一 、实验教学平台软件设计基本概述 1、DSP软件开发方法 2、DSP中断介绍 3、CCS简介二 、软件设计,1、主程序的设计在主
10、程序中主 要完成的内容有软 件参数初始化，电 机起制动判断，电 机正反转判断，速 度显示等。,2、中断服务程序中断服务程序主要是完成 某些特定功能，主要有键盘 显示子程序、电机起动制动 子程序以及电机换向子程序、 位置检测子程序、PWM脉宽 调制子程序等,第五章 实验教学平台测试与结果分析,一、技术要求 输入电压：交流市电50-220V； 最大输出功率：6kw； 调速范围：100r/m； 功能：起动、调速、停机、制动、运行参数设定及外围设备等进行控制； 选择方式：可手动调节和自动调节，或固定程序调节 调速方式；无级调速； 实时测量电机的实际转速，在LED上显示； 可以对电机进行数字PID调节和
11、参数的整定与优化。 开环控制和闭环控制； 改变软件算法可实现无位置传感器直流电机调速实验教学平台。,二、启动运行试验,六、研究结论,利用TI公司推出的TMS320F2812控制芯片进行数字化控制实验平台的设计，通过软件算法实时计算出检测位置速度，简化了硬件电路，从而提高了系统的可靠性，而且使平台应用、维护更加灵活。 经过大量的实践验证，本控制驱动系统启动平稳，启动电流小，驱动的电机运行平稳，具有硬件简单、稳定性好、工作可靠的特点。,七、不足之处,理论水平有限，行文措辞有待提高 内容论述略显粗浅，不能使研究达到非常深入的程度。,致 谢,感谢指导老师的细心指导 感谢吉首大学体育学院民传主任舒颜开主任，西安财经学院杜琦老师，感谢上海体院研究生吴冬华 感谢给予我支持与帮助的老师、同学 感谢在座各位评委老师,
