張書省答辯正式版.ppt

直流電機調(diào)速控制實驗教學平臺設計與實現(xiàn),班級：0830702 學號：06180223 姓名：張書省 指導老師：李學勤 講師 答辯組負責人：仇國慶 副教授 畢業(yè)論文答辯 2011.06,本文設計了一套基于DSP控制的永磁無刷直流電機實驗教學平臺，首先概述了無刷直流電機，分析了其工作原理，確定了系統(tǒng)整體平臺方案，其硬件電路包括DSP控制電路、功率變換主電路、檢測電路和保護電路等幾個部分；軟件編制各程序模塊的流程圖。該實驗教學平臺提供霍爾傳感器接口，為調(diào)速控制平臺的研究與開發(fā)提供了有力支撐，同時也是一套很好的教學工具。實驗結果表明該平臺，運行良好，可靠性高，具有一定的應用價值。,一、論文概述,1,二、前言,過去很多高校采用的直流調(diào)速實驗教學平臺是晶閘管調(diào)速、串級調(diào)速實驗裝置。這套裝置隨著先進科技的發(fā)展早該退出舞臺，如今都采用數(shù)字化直流調(diào)速控制實驗教學平臺系統(tǒng)。,2,3,此數(shù)字化實驗教學平臺采用轉速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，精度很高，跟蹤性能良好。 具有信息存儲、數(shù)據(jù)通信的功能；可采用數(shù)字濾波來提高系統(tǒng)的抗干擾性能；可采用數(shù)字反饋來提高系統(tǒng)的精度；容易與上位機變換信息等。這種數(shù)字化的實驗教學平臺在理論和實踐方面都是比較成熟的調(diào)速控制系統(tǒng)，在家用空調(diào)、商用空調(diào)和各種金屬切削機床等方面得到了日益廣泛的應用。 TCL中央空調(diào)電控盒組件,三、研究目的及要求,目的： 設計和實現(xiàn)直流電機調(diào)速實驗教學平臺的目的不僅在于對理論教學的驗證，更重要的是訓練實驗教學實際應用能力。 在工企業(yè)生產(chǎn)和高等院校研究中，直流電機調(diào)速控制實驗教學應用較為廣泛。,4,要求： 定量實現(xiàn)調(diào)速實驗教學平臺的設計，給定轉速實現(xiàn)無差跟蹤，平滑調(diào)速，能實現(xiàn)手動和自動調(diào)速，改變參數(shù)顯示不同功能，搭建調(diào)速電路，認識無刷直流電機及其調(diào)速原理，PID參數(shù)設置和整定。,5,四、設計思路,明確題目研究內(nèi)容 確定研究方法 著手實施題目核心內(nèi)容訪問 研究文獻資料 分析實際問題和資料 總結 確定設計平臺整體方案 結論,6,7,第三章 實驗教學平臺總體規(guī)劃設計,第一章 直流電機調(diào)速實驗教學平臺概述,第二章 永磁無刷直流電機工作原理,第四章 直流電機調(diào)速實驗平臺的軟硬件設計,第五章 實驗教學平臺測試與結果分析,五、論文框架,第一章 直流電機調(diào)速實驗教學平臺概述,主電路采用先進的智能功率模塊，掌握先進的設計調(diào)速實驗教學平臺的角度來組織實驗。此外，如何把計算機控制技術與直流調(diào)速實驗平臺相結合，組成直流調(diào)速計算機自動控制實驗平臺，也應成為實驗教學的一個組成部分。 本章分為三部分，第一，課題研究背景及意義；第二，永磁無刷直流電機概述；第三，幾種直流調(diào)速實驗教學平臺的比較。,第二章 永磁無刷直流電機工作原理,作為實驗教學平臺設計的被控對象無刷直流電機（BLDCM），是近幾十年來隨著電力電子技術、專用集成電路技術和控制技術的迅速發(fā)展而逐漸發(fā)展起來的一種新型電機。在實驗教學過程中必須加以強調(diào)和認識，包括永磁無刷直流電機的組成和基本工作原理，引入國內(nèi)外研究動態(tài)，對其在運行過程的一些現(xiàn)象進行分析，因此介紹被控對象也就成為實驗教學的必備內(nèi)容。,一、電機本體 二、電子開關線路 三、位置傳感器 四、工作原理 五、調(diào)速策略 基本結構,驅動原理圖 等效電路,三相星形全橋的六種通電示意圖,第三章 實驗教學平臺總體規(guī)劃設計,一、PWM調(diào)速原理 脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation）簡稱PWM，它是通過功率管開關作用將恒定直流電壓轉換成頻率、寬度可調(diào)的方波脈沖電壓，通過調(diào)節(jié)脈沖電壓的寬度和頻率改變輸出電壓的平均值的一種功率變換技術。 驅動系統(tǒng)中多采用可逆PWM變換器，采用PWM單斬方式。,二、實驗教學平臺整體方案設計 根據(jù)直流調(diào)速實驗教 學平臺的設計要求和直流 電機的特性，本文設計了 永磁無刷直流電機調(diào)速控 制實驗教學平臺的總體結 構框圖 1、控制電路 2、電機本體 3、DSP及外圍電路 實驗平臺的總體結構框圖,4、PID閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 三、轉矩脈動分析 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)框圖 轉矩脈動是永磁無刷直流電機在低速運行時的一項十分重要的性能指標，通常高性能調(diào)速實驗教學平臺轉矩脈動應有確定的標準，因此，分析造成轉矩脈動的原因及其抑制方法對提高實驗平臺性能有重要意義。,第四章 直流電機調(diào)速實驗平臺的軟硬件設計,DSP包含有豐富的片內(nèi)資源，眾多的功能模塊，因此，在實現(xiàn)所設計的調(diào)速實驗教學平臺的過程中，如何合理地使用DSP資源，簡化整個系統(tǒng)的硬件結構、提高其可靠性，是本課題要研究的另一個內(nèi)容。完成硬件設計之后，就要根據(jù)DSP芯片的編程特點，設計整個系統(tǒng)的軟件流程，通過高級語言編寫的應用程序來實現(xiàn)系統(tǒng)的控制方案和控制算法，用實驗來檢驗整個系統(tǒng)的可行性和調(diào)速性能。,第一節(jié) 實驗平臺硬件設計,一 、實驗教學平臺硬件電路整體結構設計 該實驗教學平臺無刷直流電機采用霍爾傳感器作為位置反饋機制，從反饋的脈沖信號中獲得位置信息和轉速情況。此外，系統(tǒng)從電機的驅動器件IGBT處獲得電流信息。,二、實驗教學平臺硬件電路設計 該控制實驗教學平臺功率器件采用IGBT構成三相逆變橋，驅動電路和功率器件集成在IPM中，轉子位置檢測采用霍爾傳感器；電流閉環(huán)所需的電流反饋由電流檢測環(huán)節(jié)獲得，再送入DSP數(shù)字化處理。,1、DSP控制電路設計 DSP控制電路包括兩個部分：最小系統(tǒng)電路和應用電路。最小系統(tǒng)電路部分包括：電源、基于PLL的時鐘電路、存儲器擴展等。應用電路包括：硬件接口電路、SCI、CAN、SPI、A/D、EVA擴展接口等。,2、功率變換主電路設計 本文采用智能功率模塊作為驅動電路和功率變換電路。 三相橋式逆變器模塊,3、檢測電路 此處檢測分為轉子位置檢測電路和電流、電壓檢測電路，檢測環(huán)節(jié)在整個控制系統(tǒng)中是一個相當重要的部分。它向控制電路準確、快速地反饋電機轉子的位置和功率主電路的電流，使DSP控制器能夠正確的得出功率管的換相邏輯，同時通過計算，精確地得到PWM波形的占空比，快速調(diào)節(jié)電機轉矩。,三 、EMC設計 1、系統(tǒng)電磁干擾 一個好的PCB板可以解決直流電機調(diào)速實驗教學平臺系統(tǒng)電磁兼容設計等部分的電磁干擾問題。 2、直流電機實驗平臺電磁兼容設計 設計實驗教學平臺時，應在初步設計階段進行電磁兼容性分析，選用不易產(chǎn)生干擾及對干擾不敏感的元器件和電路，同時對元器件和電路進行合理布置，以減小相互影響，并便于采取防護措施,第二節(jié) 實驗平臺軟件設計,一 、實驗教學平臺軟件設計基本概述 1、DSP軟件開發(fā)方法 2、DSP中斷介紹 3、CCS簡介 二 、軟件設計,1、主程序的設計 在主程序中主 要完成的內(nèi)容有軟 件參數(shù)初始化，電 機起制動判斷，電 機正反轉判斷，速 度顯示等。,2、中斷服務程序 中斷服務程序主要是完成 某些特定功能，主要有鍵盤 顯示子程序、電機起動制動 子程序以及電機換向子程序、 位置檢測子程序、PWM脈寬 調(diào)制子程序等,第五章 實驗教學平臺測試與結果分析,一、技術要求 輸入電壓：交流市電50-220V； 最大輸出功率：6kw； 調(diào)速范圍：100r/m； 功能：起動、調(diào)速、停機、制動、運行參數(shù)設定及外圍設備等進行控制； 選擇方式：可手動調(diào)節(jié)和自動調(diào)節(jié)，或固定程序調(diào)節(jié) 調(diào)速方式；無級調(diào)速； 實時測量電機的實際轉速，在LED上顯示； 可以對電機進行數(shù)字PID調(diào)節(jié)和參數(shù)的整定與優(yōu)化。 開環(huán)控制和閉環(huán)控制； 改變軟件算法可實現(xiàn)無位置傳感器直流電機調(diào)速實驗教學平臺。,二、啟動運行試驗,六、研究結論,利用TI公司推出的TMS320F2812控制芯片進行數(shù)字化控制實驗平臺的設計，通過軟件算法實時計算出檢測位置速度，簡化了硬件電路，從而提高了系統(tǒng)的可靠性，而且使平臺應用、維護更加靈活。 經(jīng)過大量的實踐驗證，本控制驅動系統(tǒng)啟動平穩(wěn)，啟動電流小