毕业设计论文-基于dsp的直流伺服电机控制器设计与实现

毕业设计论文-基于dsp的直流伺服电机控制器设计与实现内容摘要：

争力，其市 4 ‘ 硕士论文 基于 DSP 的直流倒服电机控制器设计与实现 场策略是高性能、高价格，以全套自动化解决方案作为主要特点 f8l。 国内外伺服控制器的水平主要体现在三个方面：硬件方案、核心控制算法以及应用 软件功能。 国内的伺服控制器所采用的硬件平台和国外产品没有太大的差距。 国内伺服控制器 的差距主要体现在控制算法和二次开发平台的易用性方面。 尤其是在全数字化的高性能 伺服驱动技术方面还有很大差距，已经成为我国发展高性能数控系统产业的“瓶颈”问 题。 国外的产品提供了比较好的产品升级功能及良好的软件开发环境，降低了对开发人 员的要求 ，在一定程度上促进了产品的市场推广。 同时提供了丰富的通讯接口可以方便 的与其他设备进行数据交互，人性化好【 1o】。 进入 2l 世纪后国家十分重视自主创新，国家将自主创新的重大科技攻关项目列入 “十五 及“十一五 计划。 在国家的大力推动下，我们国家的伺服控制系统取得了巨 大的进步。 尤其是“神州七号 载人航天飞船项目的成功完成，国内企业及研究院所更 加坚定了自主创新的能力和信心。 相信不久的将来一定会有更多国内品牌涌现出来。 1． 5 本文主要研究内容 本文主要的研究内容及章节安排如下： 第一章首先介绍了本课题来源及研 究意义，介绍了国内外伺服控制系统的研究现 状及发展趋势，概括了本文各章节的内容安排。 第二章 介绍了无刷直流电动机的工作原理和几种常用的转子检测装置以及功率 电子驱动方式，推导了电机三角形接法的数学模型，得出了电机的动态结构图。 第三章介绍了控制系统的整体方案， PWM 数字控制方式，电机换相技术，电流、 速度和位置检测技术。 介绍了一种改进的数字 PID 控制算法，控制器动态参数工程设计 方法。 第四章 设计实现了控制系统硬件电路，并对各重要电路及元器件参数选型做了详 尽阐述。 第五章详细阐述了控制系统的软件设计方 法和各主要功能模块的功能，并给出了 程序流程图和详细程序代码。 第六章在前几章硬件和软件设计的基础上，对系统进行了硬件和软件调试，并给 出了实验结果，验证了系统方案的正确性。 最后对本文做的工作进行了总结，并对后续研究工作进行了展望。 2 无刷直流电机工作原理及数学模型 硕士论文 2 无刷直流电机工作原理及数学模型 本章主要介绍无刷直流电动机的结构，主要包括本体结构、位置传感器、电子换相 驱动装置，并建立了电机三角形接法的数学模型。 2． 1 无刷直流电动机的基本结构 IllJ5l 无刷直流电动机 BLDCM， BrushlessDirectCurrentMo or 是随着电子技术、功率 半导体技术和高性能的磁性材料制造技术的飞速发展出现的一种新型电机，目前主要应 用于家电、汽车、航空航天、医疗设备及工业自动化等领域。 它主要由电动机本体、转 子位置传感器和功率电子开关电路组成的机电一体化系统。 无刷直流电动机应该属于交 流电动机范畴。 电器原理框图如图 2． 1 所示。 图 2． 1 无刷直流电动机原理框图 2． 1． 1 BLDCM 本体结构组成 电机本体主要部件有安装在电枢绕组的定子和带有永磁极的转子。 它们首先必须满 足电磁方面的要求，保 证在工作气隙中产生足够的磁通，电枢绕组必须通过一定的电流， 以便产生一定的电磁转矩。 其次要满足机械方面的要求，保证机械结构牢固和稳定，能 传递一定的转矩，并能承受一定环境条件的考验。 此外，还要考虑节约材料，结构简单， 紧凑，运行可靠和温升不超过规定的范围。 1 定子主要由放在内侧、带有绕组的电磁碟片构成。 绕组可以有多种缠绕方式， 不同的绕组将会产生不同的电磁场，表现出不同的性能，丰富了电机的种类。 2 转子采用永磁材料，不同的电动机有 2～ 8 对磁极。 根据转子磁场密度的要求 不同，选择不同的磁质材料。 转子结构的不同主要在于磁钢形式，通常分为表面粘贴式 磁钢和内嵌式磁钢两类。 电机主要有两种不同类型的定子绕组：一种产生梯形反电动势和梯形相电流，称为 梯形电动机，习惯上称为无刷直流电动机 BLDCM；一种产生正弦波反电动势和正弦 波相电流，成为正弦波电动机，习惯上称为永磁同步电机 PMSM。 本移动机器人选 用的是两磁极三相无刷直流电动机。 6 硕士论文 基于 DSP 的直流伺服电机控制器设计与实现 2． 1． 2BLDCM 转子位置检测装置 无刷直流电机要实现正反转，并产生一定的平均电磁转矩，必 须根据转子位置信号 确定电枢绕组的正确换相，使得定子电枢绕组所产生的磁场与转子的旋转磁场在空间始 终保持在 900 电角左右的范围内。 转子位置传感器目前主要有敏感式、耦合式、谐振式 和接近式等。 1 敏感式位置传感器是利用敏感元件来感受转子位置信息，并输出电信号去控 制各相绕组的导通顺序。 常用的敏感元件有光敏元件光电二极管和光电三极管等和 磁敏元件如霍尔元件、磁敏二极管和磁敏三极管等。 2 耦合式主要有变压器耦合即磁电式和高频空心线圈耦合等。 3 谐振式是利用电感和电容等元件组成的谐振电路，当满足谐振条件时，输出 信 号最强，以此控制电枢绕组的导通或关断。 4 接近式是利用接近某物而动作的原理组成的一种位置传感器，如接近开关等。 由于永磁无刷直流电机的转子是永磁体，因此常用磁敏式霍尔位置传感器检测转子 位置。 每相绕组有一个霍尔传感器，各相绕组对应的霍尔位置传感器输出的逻辑信号经 过逻辑运算处理后，可以实现功率控制器上的开关通断顺序控制。 2． 1． 3BLDCM 功率电子驱动装置 无刷直流电动机需要用功率电子开关器件组成的功率驱动器才能工作。 功率驱动器 的结构与相数和驱动方式有关。 常用的有以下几种驱动方式： 1 半桥驱动电路 它的 特点是绕组采用星形接法，中性点接地，每相绕组采用一个功率开关器件控制， 绕组中的电流方向不能改变，因此绕组产生磁场的方向也不能变化，在一个3600 电角周 期内每相绕组导通一次。 如图 2． 2 所示： 图 2． 2 半桥驱动电路 2 三相星形电路 它的特点是功率开关器件的数目等于绕组相数的 2 倍，每个绕组的首端与一个桥臂 相连。 电机有 6 个通电状态，每一状态都是两相同时导通，每个晶体管导通角为 180。 ， 电枢合成磁场是由通电的两相磁场所合成的。 功率器件按照一定的导通顺序通电，电机 7 2 无刷直流电机工作原理及数学模型 硕士论文 就会旋转起来。 如图 2． 3 所示： U 图 2． 3 三相星形电路 3 三相三角形电路 三角形接法跟星形接法的开关电路是一样的，只是电机绕组接法不同，三相绕组首 尾一次连接。 它的特点是任何此状态下电枢绕组全部导通，总是某两相绕组串联后再与 另一组绕组并联，只是各相通电顺序与电流流过的方向不同。 电枢合成磁场是由通电的 三相磁场所合成的。 如图 2． 4 所示： U 图 2． 4 三相三角形电路 本课题选择的无刷直流电动机绕组是三角形接法，因此功率驱动电路采用三相三角 形电路。 2． 2 BLDCM 工作原理 由于此无刷直流电机反电势为梯 形波，电枢绕组控制电流为直流电流，因此通常采 用两两通电模式来控制三相无刷直流电机的运行。 每次电动机换相都会通过一相提供电 源输入电流流入该相，另一相提供电源输出电流从该相流出。 定子绕组流过的电 流通过铁心产生的磁场和转子永磁体之间的相互作用，从而产生旋转力矩。 理想情况下， 当两个磁场正交时产生的力矩最大，重合时产生力矩为零。 为了使电机连续旋转，定子 绕组就必须产生旋转的磁场。 下面介绍三相两极无刷直流电机两两通电模式、导通 1200 电角的工作原理。 由图 2． 4 所示，其特点是在所有的磁状态中，电枢绕组全部通电 ，仅是各相通电顺 R 硕上论文 基于 DSP 的直流伺服电机控制器没计与实现 序和电流流过的方向不同。 顺时针旋转时，绕组的通电顺序为 U／／ WV、 W仇Ⅳ、 V 删、 U 胛 W、 W／ M v／ WU。 其中 U 俐表示 W 相绕组与 V 相绕组串联以后再与 u相绕 组并联，其余类推。 如假定流过 A 相绕组的电流为 I，则流过 B、 C 相绕组的电流分别 为耽。 以。