基于dsp的無刷直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于dsp的無刷直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0電子換向器的發(fā)展和完善無刷直流電機(jī)（uubullencycl-bsdm）是一種使用電子換向器而取代傳統(tǒng)機(jī)械換向器的自動(dòng)電阻器。隨著電子器的快速發(fā)展，它是一個(gè)成熟的機(jī)電一體化電機(jī)產(chǎn)品。無刷直流電機(jī)因沒有電刷而不需要定期維護(hù),具有較高的可靠性,并且沒有機(jī)械換向裝置使之具有較高的轉(zhuǎn)速和優(yōu)良的調(diào)速性能。目前,無刷直流電機(jī)已經(jīng)在機(jī)器人、電動(dòng)車輛、醫(yī)療設(shè)備等眾多領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。1轉(zhuǎn)子順時(shí)/逆時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)/逆時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)無刷直流電機(jī)實(shí)際是個(gè)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng),由永磁同步電機(jī)、電子線路開關(guān)和位置傳感器構(gòu)成。如圖1所示。無刷直流電機(jī)的電樞繞組安裝在定子上,轉(zhuǎn)子由永磁材料制成。要使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),必須有交變的旋轉(zhuǎn)磁場。安裝在定子上的位置傳感器檢測出轉(zhuǎn)子的位置,然后依照定子繞組決定開啟(或關(guān)閉)逆變器中功率晶體管的順序,如圖2中的VT1、VT3、VT5(這些稱為上臂功率晶體管)及VT4、VT6、VT2(這些稱為下臂功率晶體管),使電流依順序流經(jīng)電機(jī)線圈產(chǎn)生順向(或逆向)旋轉(zhuǎn)磁場,并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用,從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)/逆時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)位置傳感器檢測出另一組位置信號時(shí),控制電路又再開啟下一組功率晶體管,如此循環(huán)電機(jī)就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)直到控制電路決定要電機(jī)轉(zhuǎn)子停止則關(guān)閉功率晶體管(或只開下臂功率晶體管),要電機(jī)轉(zhuǎn)子反向則功率晶體管開啟順序相反。2系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟蹤的特性無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示?？梢钥闯鰺o刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。內(nèi)環(huán)為電流環(huán),限制最大電流,并使系統(tǒng)有足夠大的加速轉(zhuǎn)矩,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán),保證系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟蹤的性能,抑制轉(zhuǎn)速波動(dòng),保證系統(tǒng)靜態(tài)的穩(wěn)定性,直接關(guān)系到調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定與高性能運(yùn)行。給定轉(zhuǎn)速nref與電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速n相減得到轉(zhuǎn)速誤差ne,作為速度調(diào)節(jié)器的輸入,速度調(diào)節(jié)器的輸出iref為電流環(huán)的給定值,與實(shí)測電流i相減得到電流誤差ie,作為電流調(diào)節(jié)器的輸入,電流調(diào)節(jié)器的輸出用來控制PWM波形的占空比,從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。2.1模糊控制和pi控制算法的結(jié)合傳統(tǒng)的PI調(diào)速系統(tǒng)雖然具有穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn),但是當(dāng)被控對象參數(shù)發(fā)生改變或者受非線性因素影響時(shí),參數(shù)不能隨之改變,無法滿足高性能、高精度的要求。模糊控制不依賴于被控對象精確的數(shù)學(xué)模型,魯棒性強(qiáng),尤其適用于非線性時(shí)變、滯后系統(tǒng)的控制。將模糊控制和PI控制算法結(jié)合起來形成的參數(shù)自整定模糊PI控制方法,可在運(yùn)動(dòng)過程中自動(dòng)地調(diào)整、修改和完善模糊控制規(guī)則或模糊控制器參數(shù),控制精度高,靈活且適應(yīng)性強(qiáng)。由于無刷直流電機(jī)是多變量、非線性、強(qiáng)耦合的系統(tǒng),使用常規(guī)的PI算法容易出現(xiàn)較大的超調(diào)和較長的響應(yīng)時(shí)間,因此速度調(diào)節(jié)環(huán)采用參數(shù)自整定模糊PI控制方法進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖4所示,模糊推理系統(tǒng)以轉(zhuǎn)速誤差e和誤差變化率ec作為輸入,采用模糊推理方法對PI控制器的參數(shù)Kp、Ki進(jìn)行在線整定,以滿足系統(tǒng)對PI參數(shù)的實(shí)時(shí)性要求,然后由實(shí)時(shí)整定后的PI控制器實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的精確控制。2.2電壓波動(dòng)起、啟動(dòng)時(shí)的影響電流調(diào)節(jié)環(huán)采用傳統(tǒng)PI控制方法進(jìn)行調(diào)節(jié)。響應(yīng)速度快,對電壓波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用。啟動(dòng)時(shí),其輸出限幅值決定允許的最大電流,保證在允許最大電流下啟動(dòng),實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng);在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中(當(dāng)負(fù)載變化時(shí)),使電流跟隨給定電壓變化。3基于dsp的blcdm液壓系統(tǒng)TI公司生產(chǎn)的TMS320系列DSP專為實(shí)時(shí)信號處理而設(shè)計(jì),該系列DSP將實(shí)時(shí)處理能力和控制器外設(shè)電路(PWM產(chǎn)生電路、SVPWM產(chǎn)生電路、捕獲單元等)以及其它功能的外設(shè)電路(A/D轉(zhuǎn)換單元、串行通信接口、CAN控制模塊等)集于一身,非常適合于應(yīng)用在調(diào)速控制系統(tǒng)中。TMS320LF2407A是TI公司推出的高性能16位DSP,可提供更高的運(yùn)算速度、運(yùn)算精度和處理大量數(shù)據(jù)運(yùn)算的能力。其內(nèi)部采用增強(qiáng)型哈佛結(jié)構(gòu),四級流水線作業(yè),配合片內(nèi)的硬件乘法器和優(yōu)化的指令集,可較好地滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。圖5所示為基于DSP的BLDCM調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。主要電路設(shè)計(jì)簡述如下:3.1永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)采樣位置傳感器用于檢測轉(zhuǎn)子在運(yùn)動(dòng)過程中的位置,將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號,為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息,以控制它們的導(dǎo)通與截止,使電動(dòng)機(jī)電樞繞組中的電流隨著轉(zhuǎn)子位置的變化按次序換向,形成交變的旋轉(zhuǎn)磁場,驅(qū)動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷的旋轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)采樣典型的霍爾位置傳感器。在電機(jī)內(nèi)部,間隔60度安裝三個(gè)霍爾位置傳感器,在一個(gè)電周期內(nèi),當(dāng)其感受N及S兩個(gè)不同極性磁場作用時(shí),將呈現(xiàn)出“高電平”及“低電平”兩個(gè)不同狀態(tài),產(chǎn)生如下的狀態(tài)信號序列:霍爾傳感器產(chǎn)生的信號通過電機(jī)自帶的接口輸出,為了避免干擾,采用帶斯密特觸發(fā)器的反向器74LS14來對波形進(jìn)行整定,然后送到DSP進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置確定。3.2反饋電阻rf由于無刷直流電機(jī)的3相繞組在運(yùn)行過程中只有兩相導(dǎo)通,且為同一電流,所以在主回路串接一個(gè)反饋電阻Rf代替常規(guī)的電流傳感器。檢測得到反饋電阻的電壓值Uf,經(jīng)過計(jì)算得到間接的線電流測量值,經(jīng)RC濾波、增益放大和限幅后送入TMS320LF2407A的AD模塊,作為電流反饋值。3.3bt理論線路特點(diǎn)驅(qū)動(dòng)電路采用美國國際整流公司的IR2130芯片。IR2130是有28個(gè)引腳的雙列直插芯片,是高電壓、高速度的功率MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)器,分別有三個(gè)獨(dú)立的高端和低端輸出通道。IR2130的HIN1～HIN3、LIN1～LIN3分別作為功率管的輸入驅(qū)動(dòng)信號,HIN1、HIN2、HIN3分別對應(yīng)由DSP控制產(chǎn)生PWM作為上橋臂觸發(fā)信號,LIN1、LIN2、LIN3分別作為對應(yīng)由DSP控制產(chǎn)生PWM作為下橋臂觸發(fā)信號,它們都是低電平有效。IR2130通過對六個(gè)功率管導(dǎo)通和關(guān)斷順序的控制達(dá)到對電機(jī)速度和轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)的目的。4中斷服務(wù)子程序設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的軟件由兩部分組成:主程序、中斷服務(wù)子程序。主程序進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的初始化,主要包括:DSP內(nèi)核的初始化(如系統(tǒng)控制寄存器、系統(tǒng)狀態(tài)寄存器、系統(tǒng)時(shí)鐘、中斷寄存器)、DSP通用I/O端口配置(包括設(shè)定2407A片內(nèi)多路復(fù)用的I/O端口功能及其極性)、ADC初始化及啟動(dòng)、速度環(huán)及電流環(huán)調(diào)節(jié)參數(shù)初始化、中斷配置(確定系統(tǒng)所需要用到的中斷類別、周期及中斷源)等。如圖6所示主程序流程圖。所有的初始化工作完成后,主程序進(jìn)入背景循環(huán)中,等待中斷事件的發(fā)生,從而去響應(yīng)中斷服務(wù)子程序。中斷程序主要包括調(diào)節(jié)子程序(位置、轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)子程序)、ADC轉(zhuǎn)換中斷子程序、CAN口控制程序、串口通訊程序、軟啟動(dòng)程