工学]基于dspic33f的无刷直流电机驱动器软件设计

工学]基于dspic33f的无刷直流电机驱动器软件设计内容摘要：

ic=0，代入方程 []中，则它可简化为 000000a a a ab b b bc c c cU i iLM dU R i L M idtLMU i i                                       [] 从这方程可获得简化的无刷直流电机电枢等效电路 ，如 下图 所示 ： 图 24 无刷直流电机电枢等效电路 作为一个换能机构， 无刷直流 电机 通过 转子 永磁体 的磁场和 电子换相产生 的 定子 感应福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 8 磁场之间的相互作用 将 电能 转换 为 机械能。 根据能量守恒原理， 无刷直流 电机内所有 的 能量 均由电能转换成。 忽略能量损失，能量的转换可以描述为：电能输入 =电磁场存储的能量 +输出的机械能。 忽略损耗的前提下， 电枢功率 与 机械功率 相等，即 ++e a a b b c cT e i e i e i  [] 运行 中 电机的电磁转矩  ++a a b b c ce e i e i e iT  [] 根据式 []，当绕组母线电压 一定时 ， 相应的 反电动势和绕组电流有一定的关系。 当 反电动势的波形为正弦波 时 电磁转矩 Te存在波动 ，而当其为 平顶波 时 ， 电磁转矩恒定。 无刷直流电机 需要的当然是能产生恒定转矩的平顶波， 而 由于 主磁场分布波形 与 反电动势波形 一致。 因此为了 能 获得波动小的电磁转矩，需要使绕组磁场分布形式接近于平顶波。 反电动势为方波时 电磁转矩 和 绕组电流 的关系 ，如 下图 所示 ： 图 25 电磁转矩和绕组电流的关系 无刷直流电机的运动方程可以表示 为 eL dT T B J dt   [] 其中 ： Te：电磁转矩 B： 阻尼系数 J： 转子转动惯量 TL：负载转矩 基于 dsPIC33F的无刷直流电机驱动器软件 设计 9 根据运动方程可以得到如下的无刷直流电机系统模型图。 图 26 无刷直流电机系统模型图 不考虑负载时的 系统方框图如下所 示。 其中 Kt为转矩系数， Ke为反 电动势系数。 图 27 系统方框图 2． 4 小结 本章 从各个方面入手 阐述无刷直流电机的运行原理， 从无刷直流电机的 结构形式， 包括电机本身及其驱动器，并详细的介绍 电子换相 的过程。 而后从反映 电机运行的数学模型出发 ， 获得 电机转速控制系统 的 数学依据。 最后 阐述 分析 电机 运行控制性能 的 指标 及可靠性。 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 10 第 3 章 反电势过零检测的 基本原理 反电势过零检测 的 工作原理 无刷直流电机 的 定子绕组电流 产生旋转 磁场 带动其 转子转动。 定子电枢绕组切割旋转的永磁体 转子 的 磁力线， 由 电磁感应定律可知，产生感应电势。 该电势 简称 为 反电势 （ Back EMF）。 反电势法 就是通过检测直流电机反电势获得转子位置信号 [10]。 其中， 反电势 过零检测法是目前无刷直流电动机无位置传感器 控制 法 中 应用最广泛的。 反电势过零检测法又可称为端电压检测法，因为它是通过检测 电机三相绕组端电压，并以软件计算，获得反电势过零点 ，并延迟 30186。 电角度，给出转子的位置信号 ，且以之控制电机换相。 以三相 无刷直流电机， Y型连接为例。 由端电压获得反电势过零点的过程如下： 图 31 三相反电势电压波形 与 Y型无刷直流电机 绕组连接图 由于电机的控制是 依次导通 两 相绕组。 设 A、 B相导通， C相关断。 故而， 可由电机的电流与反电势特性得 ，中性点电压是 2AG BGN uuU  [] 其中： UN为中性点电压 uAG为 A相 端电压 uBG为 C相端电压 因此 C相的反电势为 C CG Ne u U [] 基于 dsPIC33F的无刷直流电机驱动器软件 设计 11 相应的 A、 C相导通， B相关断 与 B、 C导通， A相关断时的反电势都是关断相端电压 减去中性点电压，而这中性点电压 也是相应的两导通相和的一半。 而 延迟 30186。 电角度 的 原因 ， 则是 反电势过零点时刻并不 是真正的换相时刻，换相时刻滞后过零点时刻 30186。 电角度。 虽然反电势过零检测法能仅以三相绕组端电压就可获得 转子位置信号，但是 这种方法却无法 实现电机的启动，原因可以从下面的式子看出： eE C n [] 在上式中， Ce为常量，而磁通 Φ δ 一般情况下都认为是常量。 因此电势 E与转速 n成正比例关系。 当转速 n过小或为零时，电势 E也将很小甚至为零。 这意味着当电机启动或转速很小时，反电势检测的值将因为干扰或其他原因而出现 误差，而这导致反电势过零检测法的不可靠。 因此应采取措施消除这种情况，保证电机能以反电势过零检测法可靠运行。 对于在电机启动时由于反电势过低而使反电势过零检测无法自启动的问题，可以采用以下几种方法解决 ： (1)三步启动法 三步启动法 是 指 先导通两相绕组，以其产生的磁场定位电机转子，该过程称为磁定位。 其次， 将转子的位置确定后，再轮流导通定子各相电枢绕组，以旋转磁场带动永磁转子步进转动。 将电机加速到一定转速，这过程称为步进加速阶段。 最后， 在达到一定转速后，继续加速并开始检测反电势过零点，在最佳切换时刻，将电机切换至 自同步运行，这过程称之为切换至自同步阶段。 即 以反电势过零检测法控制电机运行。 如此三阶段后就完成了电机反电势过零检测法控制的启动。 该法避免了由转速过小而使反电势无法检测或出现误差的问题，实现了电机的 定向 启动。 但是具体的定位时间需经过实物实验才可确定。 (2)外同步 启动 外同步 方式是 变频同步拖动电机转子旋转。 其却点是方向不可知和过快的频率变化会导致电机失步。 (3)脉冲定位 转子 启动 脉冲定位转子 是 以一定的脉宽刺激定子绕组，通过检测其电感的大小再以查表确定转子位置，取代因转速过小或为零而无法自启动的反电 势过零检测法，在启动阶段，获得转子位置信号。 该法要以一定脉冲冲击定子绕组且还需检测电感并查表才能获得转子位置，操作复杂，且还需额外的检测电路与脉冲发生电路。 反电势过零检测三步启动法 本文采用 的是 三步启动法。 永磁无刷直流电动机起动分为三个步骤： 磁 定位，步进 加速 ， 切换到自同步运行。 在 系统 的 起动阶段，单片机 的 控制程序首先 控制 PWM输出两高电福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 12 平通过相应的硬件模块触发 A相上桥臂 与 C相下桥臂 的 MOSFET管 导通 A、 C两相，并保持一定的时间，使电机永磁转子定位，即磁定位阶段。 此 阶段持续的时间视电机的负载 力 矩 及其本身的电磁转矩相对大小而定。 在 定位 转子的位置之后。 再 按照顺时针或者逆时针，按照顺序 和逐渐减少的换相时间 输出电压 减小的 矢量 控制 电机 步进加速 ，并 使其 加速到 足够大的 转速。 这是步进加速阶段。 通常在电机空载的情况下此过程可以很快的完成， 但 由于 无刷 直流电机在步进 加速时的 转矩脉动很大， 对 电机的性能和寿命 产生 不利 的影响，因此须结合负载和电机本身特性 并 通过实验决定 完成 这一步骤的 最佳 换相 时间。 当电机旋转起来达到预先设定的转速之后，就开始进入第三个步骤， 切换到自同步阶段。 在这个环节当中，首先在电机 以 步进 模式 运行 的 状态下，检 测 其 转速是否达到预先设定的 大小。 在 达到 设定转速 的情况下，将通过对 检测电路 输入 ADC模块的电机三相端电压信号的处理，获得的 反电势 过零点 信号 计算出的转速与实际转速比较。 在两者相近时，由步进加速切换到反电势过零检测法运行，即自同步运行。 至此起动过程结束 ， 电机以反电势过零检测 法运行。 基于 dsPIC33F的无刷直流电机驱动器软件 设计 13 第 4章 控制系统的总体设计 4． 1 控制系统的硬件结构 本设计 硬件采用 dsPIC33F系列中 dsPIC33FJ32MC204单片机作为主控芯片。 dsPIC33F系列 器件的引脚与 dsPIC30F系列器件高度兼容 ，并且还与 PIC24H系 列器件的引脚兼容 [14]。 这样便于在不同系列器件之间 ，根据 不同 的需求 移植 代码。 dsPIC33F系列器件采用 功能 强大的 16位架构，将 单片机控制特性 与 数字信号处理器的计算能力 完美地 集成 于一体 ，获得非常 运行速度高，计算和 控制 能力强 的 控制芯片。 dsPIC33F系列的工作速度 高 达 40MIPS，适用于 电机 和电源的控制。 而本设计使用到的 dsPIC33F系列 器件 的 电机控制 专用 PWM模块 和10位 A\D模块 ，其中 电机控制 专用 PWM简化了 PWM信号的 产生 及输出 任务 ，可以同时控制生成六路 PWM， 或六路以上的 PWM波 [15]。 它具有 4个占空比发生器和 8个输出引脚。 这 8个 引脚被分为 4对，每对引脚有 高端 和低 端 之分 ， 以 后缀 H或 L区别。 可根据需要设置为互补或独立的 PWM输出。 有死区控制， ADC触发控制及故障引脚控制等。 虽然 dsPIC33FJ32MC204单片机与上述描述略有不同，但出入不大在这就不再解释，具体可查询其相应的数据手册。 dsPIC33F系列 器件 一般 有 2个 ADC模块。 而模拟输入引脚具体的数目则是不同的芯片不同的。 可根据需要配置不同的 ADC， 如设置为只有一个采样保持通道的，但采样精度却为12位的 ADC或精度只有 10位，但却有 4个采样保持通道的 ADC[16]。 本设计采用的是 10位 ， 4采样 /保持 通道的 ADC。 作为整个无刷直流电机控制系统的基础，硬件系统的功能和结构 影响软件的编写及 设计的实现。 由于本设计是针对于 无刷直流电机驱动器 的 软件设计 ，所以在此只对 硬件设计进行简单的介绍。 通过 硬件电路将主电路的 电流和电压转换为可以输入 控制芯片的 逆变主电路 BLCDM 电流，电压采样 驱动电路 dsPIC33FJ32MC204 端电压采样 图 41硬件结构图 电源 给定转速 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 14 内的 电压信号 ，提供 给软件 ，作为 电机的电压、电流保护 可控制信号。 主控芯片产生的六路 PWM 信号 经过驱动电路的放大，触 发逆变主电路中的 MOSFET 管 ，产生 梯形方波控制电机转动。 并经过端电压采样电路 将端电压 比例缩小到 以内 的电压信号提供给主控芯片 ，以作为反电势过零检测的 三相端电压信号，并计算出反电势过零点获得转子位置信号控制电机转动。 不难 从上面 叙述 发现，硬件系统的设计可以分为如下几个部分：电源 模块 、主控芯片模块、驱动电路模块、 逆变电路模块、端电压采样 模块、速度 和 电流 、 电压 及温度 采样模块。 硬件结构图如 图 41所示。 硬件电路的原理图及实物如 图 42与图 43所示。 单片机外部引脚连接如表格 1所示。 IN12OUT3GNDU4LM7815CTIN12OUT3GNDU5LM7805CT24VR9 R10 R11R12 R13R14GNDGND15V 5V AN5AN4AN315VC1GND15VC2GND15VC3PWM1PWM2PWM3PWM4PWM5PWM6R1810k33KR19GNDAN6100KR2210KR21GNDAN0GNDGNDAN1GNDR1710KT255R23300R1300R2300R3300R4300R5300R6I1I1AN0AN1AN2AN3AN6AN5PWM1PWM2PWM3PWM4PWM5PWM6HO3VS3LO3HO2VS2LO2VS3HO3 HO2 HO1VS1VS2LO2 LO1VS3VS2VS1HO1VS1LO1LO3GNDGNDGND300R1610KR15GNDFWFW1KR24GNDOS1OS2OS1 OS224VGND24V10KR2024VAN2GND24VGND电源模块放大器 4 倍过压，欠压保护过温保护AN6/RP16/CN8/RC025AN7/RP17/CN9/RC126。