基于dsp的直流无刷电机控制系统设计

基于dsp的直流无刷电机控制系统设计内容摘要：

评定成绩（百分制）： _______分 V 长江大学工程技术学院 毕业 设计 (论文 ) 答辩记录及成绩评定 学生姓名 XXX 专业班级 自动化 61002 毕业设计 (论文 )题目 基于 DSP 的直 流无刷电机的控制 答辩时间 年 月 日 ～ 时 答辩地点 一、答辩小组组成 答辩小组组长： 成 员： 二、答辩记录摘要 答辩小组 提问（分条摘要列举） 学生 回答情况评判 三、答辩小组对学生答辩成绩的评定 （百分制） ： _______分 毕业设计 (论文 )最终成绩评定 (依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业设计 (论文 )评分的相关规定 ) 等级 (五级制 )： _______ 答辩小组组长 (签名 ) ： 秘书 (签名 )： 年 月 日 系答辩委员会主任 (签名 )： 系 (盖章 ) VI 基于 DSP 的直流无刷电机控制系统设计 学 生： XXX， 信息系 指导老师：王宇，长江大学工程技术学院 【 摘要 】传统的直流电机由于其本身固有的特性，有机械换向器和电刷从而导致电机容量有限和可靠性不高、噪音大，迫使人们探索低噪音、高效率 并且大容量的驱动电机。 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永磁无刷直流电机具有体积小、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的主流。 论文提出了基于 DSP芯片 TMS320LF2407A的永磁无刷直流电动机的控制系统设计方案。 利用 DSP 系列芯片进行低成本、高智能无刷直流电动机控制系统的设计，能够简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。 本文主要从以下几个方面进行了分析与研究： 首先根据其调 速原理确定系统的控制结构、控制技术、控制策略及控制芯片等；然后以 TI公司 DSP— TMS320LF2407A 为控制核心，结合 IR公司的驱动芯片 —IR21功率开关管 — IRF2807，进行系统硬件电路的设计；最后应用 C语言进行系统软件程序的编写。 【 关键词 】 无刷直流电机；数字信号处理器；位置传感器；调速 VII Design of a BLDC Motor Based on DSP Student: zhan mei jin, Department of Information Tutor: wang yu ,Engineering amp。 Technology College of Yangtze University 【 Abstract】 Although conventional DC motor is mechanical mentator and brush result in limited capability, low reliability, big noise .People manage to develop more quiet, high efficiency and reliability, big capability driving motor. With the development of the powerelectronics and microcontrol technique, permanentmag brushless DC motor which has small volume, light weight, high efficiency, low noise, big capability and reliability appeared and matured, so it is hopeful to bee main motor applied in our life. This dissertation presents a solution to control a permanentmag brushless DC motor using TMS320LF2407A. This new family of DSP enables costeffective design of intelligent controllers for brushless motors which can fulfill more conditions, consisting of fewer system ponents lower system cost and increased performances. The research is divided into three parts: The control structure, technology strategy and chip are confirmed by the timing principle。 Based on TI’s DSPTMS320LF2407A and IR’s drivingchipIR2130 and MosfetIR2807the hardware circuit is designed。 With assemble language of C, the software programs is written. 【 Key word】 Brushless DC motor。 DSP(digital signal processor)。 position sensor。 Speed regulation 前言 第 1 页 (共 41 页 ) 基于 DSP 的直流无刷电机控制系统设计 1 前言 无刷直流电动机控制系统是一种新型的调速系统。 该系统具有良好的运行、控制及经济性能，显示出巨大的发展潜力。 尤其值得指出的是，我国稀土资源丰富，稀土磁钢生产已达到国际水平，如果充分利用和发挥我国在这方面的优势，大力发展稀土永磁电机 ，形成无刷直流电动机系列产品，将对提高我国机电产品在国际市场的竞争力，具有战略意义。 本次设计中采用的是美国 TI 公司专门为电机的数字化控制设计的 16 位定点 DSP 控制器 TMS320LF2407A 作为微控制器。 它集 DSP 的信号高速处理能力及适用于电机控制的优化的外围电路于一体，可以为高性能传动控制提供可靠高效的信号处理与控制硬件。 基于 DSP 控制器构成的无刷直流电动机控制系统，具有传统的单片机无刷直流电动机控制系统和专用芯片无刷直流电动机控制系统的优势，即专用的电动机控制机制，用户可编程，扩展能力强，功 能强大等；同时又克服了它们各自的缺点，如外设和存储器集成在芯片内，可节省印刷电路板面积、减少系统中元器件的个数、提高 CPU 的处理能力、提高系统可靠性等 [1]。 本设计在对永磁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。 文中给出了系统的总体设计方案，分析了无刷直流电机的工作原理，提出了驱动电路和控制电路的设计策略， DSP 外围电路的设计。 介绍了该系统的基本结构、工作原理、运行特性及其设计方法。 本设计的课题属于实践性质的，完成好此设计对今后 的工作和学习都会有帮助的。 基于 DSP 的直流无刷电机控制系统的设计 第 2 页 (共 41 页 ) 2 选题背景 题目来源 题目来源于生产 /社会实际。 课题研究的背景 电气传动是以电动机的转矩和转速为控制对象，按生产机械工艺要求进行电动机转速控制的自动化系统。 根据电动机的不同，工程上通常把电气传动分为直流电气传动和交流电气传动两大类。 纵观电气传动的发展过程，交流与直流两大电气传动并存于各个时期的各大工业领域内，虽然它们所处的地位和作用不同，但它们始终随着工业技术而发展的。 特别是随着电力电子技术和微电子学的发展，在相互竞争中完善着自身 ，发生着变更。 由于直流电机具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，因此在工业场合应用广泛。 近代，随着生产技术的发展，对电气传动在起制动、正反转以及调速能力、静态特性和动态响应方面都提出了更高的要求，所以计算机控制电力拖动控制系统已成为计算机应用的一个重要内容。 直流调速系统在工农业生产中有着更为广泛的应用。 随着计算机技术和电力电子技术的飞速发展，两者的有机结合使电力拖动控制技术产 生了新的变化。 电力电子技术、计算机技术和直流拖动技术的组合是技术领域的交叉，具有广泛的应用前景。 有不少的研究者己经在用 DSP 作 为控制器进行研究。 直流调速控制系统的控制方法经历了机械式的、双机组式的、分立元件电路式的、集成电路式的、单片机式的发展过程。 随着数字信号处理器 DSP 的出现，给直流调速控制提供了新的手段和方法。 将计算机技术的最新发展成果运用在直流调速系统中，在经典控制的基础之上探讨一种新的控制方法，为计算机技术在电力拖动控制系统中的应用做些研究性的工作。 用计算机技术实现直流调速控制系统，计算机的选型很多。 经过选择，选取 DSP 芯片作为控制器。 直流调速系统的内容十分丰富，有开环控制系统，有闭环控制系统；有单闭环控制系统，有双闭环 控制系统和多闭环控制系统；有可逆调速系统，有不可逆调速系统等。 开展本课题研究的控制对象是闭环直流调速系统；研究目的是利用计算机硬件和软件发展最新成果，对控制系统升级进行研究；研究工作是在对控制对象全面回顾总选题背景 第 3 页 (共 41 页 ) 结的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件环境的探讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。 目前，对于控制对象的研究和讨论很多，有比较成熟的理论，但实现控制的方法和手段随着技术的发展，特别是计算机技术的发展，不断地进行技术升级。 这个过程经历了从分立元件控制，集成电路控制和单片计算 机控制等过程。 每一次的技术升级都是控制系统的性能有较大地提高和改进。 随着新的控制芯片的出现，给技术升级提供了新的可能。 课题研究的目的及意义 长期以来，直流电机一直占据着速度控制和位置控制的统治地位。 由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高质高效的平滑运转的特性，尽管近年来不断受到其它电动机的挑战，但到目前为止，就其性能来说仍无其它电动机可比。 在控制系统的构成上，本课题对硬件电路进行了设计，而这个硬件系统具有一定的通用性，也即可以将它作为一个硬件平台，在其它过程控制中应用。 另外，由 DSP的特点量身订做，可以在其它的控制系统中根据不同的要求进行外围电路的设计，进而来构成硬件的系统，这样既便于设计思想的物化，又使得设计的系统更加紧凑，不浪费资源。 国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向 近些年来，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的应用技术也得到了进一步的发展，新产品、新技术层出不穷。 除了人们己经熟悉的普通电机外，许多不同用途的特种电机也不断问世，如广泛应用于办公设备的无刷直流电机和高精度的步进电机、用于照相机的超声波电机、用于心脏血液循环系统的微型电机等。 另一方面 ，由于应用了电力电子技术，电机的控制技术变得更加灵活，效率也更高，如变频器控制的异步电机及伺服系统即是典型的例子 [2]。 在实际中，电机应用已由过去简单的起停控制、提供动 力为目的应用，上升到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制，使被驱动的机械运动符合预想的要求。 例如在工业自动化、办公室自动化和家庭住宅自动化方面使用大量的电机，几乎都采用功率器件进行控制，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动。 这种新型控制技术己经不是传统的“电机控制”或“电气传动”而是“运动控制”。 运动控制使被控机械实现精确位置控 制、速度控制、加速度控制、转矩或力控制，以及这些被控基于 DSP 的直流无刷电机控制系统的设计 第 4 页 (共 41 页 ) 机械量的综合控制。 因此现代电机控制技术离不开功率器件和电机控制器的发展。 电机的控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展。 由于模拟器件的一些参数受外界因素影响较大，并且它的精度也差。 所有这些都使得模拟控制器的可重复性比较差，控制效果不理想，因此调速电机的控制器逐渐朝数字化方向发展。 数字控制器与模拟控制器相比较，具有可靠性高、参数调整方便、更改控制策略灵活、控制精度高、对环境因素不敏感等优点。 随着现有的工业电气传动、自动控制和家电领域对电机控制产品需求 的增加用户也不断提高对电机控制技术的要求。 总是希望能在驱动系统中集成更多的功能，达到更高的性能。 许多设备试图使用 8 位或是准 16 位微处理器实现电机的闭环控制，然而它们内部体系结构。