物联网-智慧传输-基于DSP无位置传感器无刷直流电机调速系统的研究.pdf资源-CSDN文库

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- II -

Abstract

Brushless DC motor has many advantages including reduced weight, low cost, long

using life and low maintenance, which has been widely utilized in many fields.

In this paper, based on the construction and principle of the brushless direct current

motor (BLDC), the mathematical model of BLDC are presented. To improve the

traditional Back-EMF theory of monitoring the position of the rotor, this paper has

proposed a new method relied on Back-EMF by different between two-line voltages, and

designs the hardware detecting circuit. Then it analyzes the question of BLDC starting,

and proposes a new starting procedure of the stepping-changed phase’s method of

starting. Furthermore, this paper discusses the three stages of the two pre-localizations,

accelerating and switching in detail. In other to increase the precision and stability of

the control system, this paper employs control strategy of the double closed loop, a PI

controller used in the speed loop and a hysteretic current controller used in the current

loop.

In the end, the hardware system of BLDC is built by the TMS320LF2407A, and

then the software is compiled in CCS. The experimental results have shown that

designed BLDC speed control system is wide speed range, moving steadily, and meets

the anticipated requirements.

Key Words：brushless direct current motor；position sensorless；different

between two-line voltages；starting；DSP

- III -

摘要 ...........................................................................................................I

Abstract ............................................................................................................ II

1. 绪论 ............................................................................................................. 1

1.1 无刷直流电机的研究背景和意义 ........................................................1

1.2 无刷直流电机研究现状 .......................................................................2

1.2.1 无位置传感器控制技术.................................................................. 3

1.2.2 无刷直流电机转矩脉动.................................................................. 5

1.3 研究的主要内容 ..................................................................................7

2. 无刷直流电机工作原理与数学模型............................................................. 8

2.1 无刷直流电机的基本结构和工作原理.................................................8

2.1.1 无刷直流电机内部结构.................................................................. 8

2.1.2 电机运行原理............................................................................... 10

2.2 无刷直流电机数学模型 .....................................................................13

2.2.1 定子三相绕组电压方程................................................................ 13

2.2.2 电枢感应线电动势 ....................................................................... 14

2.2.3 机械运动方程............................................................................... 15

3. 无位置传感器无刷直流电机控制方案 ....................................................... 16

3.1 转子位置检测环节.............................................................................16

3.1.1 反电动势过零点检测法................................................................ 16

3.1.2 两线压差反电势法 ....................................................................... 18

3.1.3 位置检测信号的误差校正 ............................................................ 19

3.2 电机起动环节 ....................................................................................20

3.2.1 三段式起动法............................................................................... 21

3.2.2 步进换相起动法 ........................................................................... 22

3.3 无刷直流电机双闭环调速系统 ..........................................................26

3.3.1 电流调节器................................................................................... 26

- IV -

3.3.2 速度调节器.................................................................................... 27

4. 调速系统的硬件设计 ................................................................................. 29

4.1 调速系统硬件整体结构 .....................................................................29

4.2 DSP 外围电路的设计..........................................................................30

4.2.1 TMS320LF2407A 芯片的概述 ....................................................... 30

4.2.2 DSP 电源电路................................................................................ 31

4.2.3 晶体振荡器电路 ........................................................................... 32

4.2.4 JTAG 接口电路及其扩展 RAM ..................................................... 33

4.3 电压逆变器模块 ................................................................................33

4.3.1 7MBP50RA120 型 IPM 功能简介 .................................................. 33

4.3.2 IPM 逆变电路................................................................................ 35

4.4 检测电路的设计 ................................................................................36

4.4.1 反电势过零点检测电路................................................................ 36

4.4.2 电流检测电路............................................................................... 37

4.5 系统保护环节设计.............................................................................38

4.5.1 过压保护电路............................................................................... 38

4.5.2 过流保护电路............................................................................... 39

4.6 转速给定电路 ....................................................................................40

4.7 液晶显示电路 ....................................................................................40

5. 控制系统软件设计 ..................................................................................... 42

5.1 DSP 开发环境.....................................................................................42

5.2 系统主程序的设计.............................................................................43

5.3 系统子程序的设计.............................................................................44

5.3.1 电机起动子程序 ........................................................................... 44

5.3.2 PWM 子程序 ................................................................................. 45

5.3.3 电流滞环子程序 ........................................................................... 46

5.3.4 速度环子程序............................................................................... 46

5.4 中断服务程序 ....................................................................................47

- 1 -

1. 绪论

1.1 无刷直流电机的研究背景和意义

在当今科技高速发展的社会里，电能无疑是最为普遍的二次能源

[1]

。而电机作

为机电能量转换的装置，在过去的一个多世纪里的发展进步，其应用范围早已渗入

到国民经济的各个领域。由于具体的实际应用场合不同，使得电机的类型呈现出多

元化的发展，主要包括直流电机、交流异步电机、同步电机、直线电机和其他类型

的电机。其中，由于直流电机效率高和调速性能好等优点，在电力传动领域得到了

广泛的应用。但传统的直流电机采用电刷和换相器来进行机械换相，这样电机在进

行换相时就会存在机械摩擦，从而带来噪声、电火花和电磁干扰等问题；而且电刷

和换相器还会增加电机结构的复杂、运行维护更困难。正是因为这些缺点，影响了

直流电机进一步的应用。为了克服机械换相带来的缺点，所以采用电子换向取代机

械换相的无刷直流电机就应运而生了。

无刷直流电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的，采用电子开关电路代替

直流电机的机械换向装置，具有寿命长、效率高、体积小及结构紧凑等优点

[2]

。世

界上第一台直流电机是在 19 世纪的 40 年代研制成功的，而无刷直流电机受到当时

永磁材料和电力电子器件的限制比直流电机晚了一个多世纪才面世。直到 1955 年，

美国人 Harrison 和 Rye 申请成功了用晶体管换相线路代替有刷直流电机机械电刷的

专利，标志着无刷直流电机的诞生。在无刷直流电机发展的早期，当时大功率开关

器件还仅仅处于初级阶段，不仅器件的价格昂贵和可靠性差，而且还受到永磁材料

和驱动控制技术的制约，使得无刷直流电机只能停留在理论实验阶段。但是经过大

量工作学者的反复试验与不断的实践，借助位置传感器实现电子换相的无刷直流电

机终于在 1962 年设计成功，从而开创了无刷直流电机发展的新纪元。随着此后电

力电子工业的不断进步，许多新型的高性能的半导体功率器件相继问世，再加上钕

铁硼和钐钴等高性能永磁材料的出现，为无刷直流电机的广泛应用奠定了基础。到

了 1978 年，前联邦德国的 Mannesmann 公司的 Indramat 分部在汉诺威贸易博览会

上正式推出了 MAC 无刷直流电机及其驱动系统，标志着无刷直流电机正式进入实

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