1、 基于 DSP 技术的无刷直流电机 控制技术和实现方法 姓名： 班级： 学号： 同组： 摘要 ： 无刷直流电动机具有高速度、高效率、高动态响应、高热容量、高可靠性、低噪声和长寿命等优点，特别是随着高性能单片机和专门用途的 DSP(Digital Signal Processor)微处理器的出现，无刷直流电动机的位置检测和换相更加准确稳定。 本文 论述无刷直流电机控制原理，并给出无刷直流电机控制系统 简略的 硬件设计方案 ，并对 无刷直流电机的控制系统 进行了 建模和仿真 。 关键词：无刷直流电动机 DSP 控制 ， matlab 建模和仿真 目录 摘要 . 1 第一章 无刷直流电机控制原理 .
2、 3 1.1 电机基本结构 . 3 1.1.1 结构框图 . 3 1.1.2 电机本体 . 3 1.1.3 转子位置传感器 . 4 1.1.4 逆变器 . 4 1.2 直流无刷电机工作原理 . 5 第二章 控制系统硬件和软件设计方案 . 9 2.1 DSP 技术 . 9 2.1.1 DSP 的特点 . 9 2.2 DSP 选型 . 10 2.2 无刷直流电机控制系统方案设计 . 10 2.2.1 直流无刷电机控制技术的发展 . 10 2.2.2 有位置传感器的直流无刷电动机控制策略 . 10 2.2.3 直流无刷电动机的启动 . 12 2.2.4 PWM 波控制策略 . 12 2.2.5 直流
3、无刷电动机的正反转控制 . 13 2.3 基于 DSP 技术控制的硬件设计 . 14 2.3.1 硬件电路设计 . 14 2.3.2 双闭环调速系统的启动特性分析 . 14 2.3.3 功率模块及其驱动，保护电路 . 16 2.3.4 电源转换及复位电路 . 17 2.3.5 滤波放大电路 . 17 2.3.6 位置检测与调节 . 17 2.3.7 电流检测 . 18 2.3.8 速度计算 . 19 第三章 无刷直流电机的控制系统建模和仿真 . 21 3.1 Matlab/Simulink 的主要特点 . 21 3.2 无刷直流电机控制系统模型的建立 . 22 3.2.1 无刷直流电机总体模块
4、 . 23 3.2.2 速度控制模块 . 27 3.2.3 电流滞环控制模块 . 27 3.2.4 参考电流模块 . 29 3.2.5 位置计算模块 . 30 3.2.6 电压逆变器模块 . 31 3.2.7 简化仿真 . 31 3.3 仿真结果 . 32 3.4 仿真结论 . 34 第四章 结论 . 35 附录一 Matalb 仿真的 S 函数源程序 . 36 第一章 无刷直流电机控制原理 1.1 电机基本结构 1.1.1 结构框图 直流无刷电机从结构上来看，与传统的直流电机主要区别在于 :用装有永磁体的转子取代有刷直流电机的定子磁极 ;用具有多相绕组的定子取代电枢 ;用由固态逆变器和轴位置
5、检测器组成的电子换向器取代机械换向器和电刷。因此，直流无刷电机一般 由永磁电机本体、逆变器和转子位置传感器组成。 图 1-1 无刷直流电机的组成框图 电机本体由主定子和主转子组成，逆变器由功率逻辑开关线路和位置信号处理电路组成，位置传感器则由定子传感器和转子传感器组成。综上所述，组成直流无刷电机各主要部件的框图如图 1-1 所示。 1.1.2电机本体 电机本体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，电枢绕组允许通过一定的电流，以便产生一定的电磁转矩 ;其次要满足机械方面的要求，保证机械机构牢固和稳定，能传 送一定的转矩，并能经受住一定环境条件的考验。此外，还要考虑节约材料、
6、结构简单、紧凑、运行可靠和温升不超过规定的范围。 电机本体通常由永磁同步电机构成。其转子采用永久磁铁励磁，目前多使用稀土永磁材料。由于转子磁场的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布为正弦波和梯形波两种。因电机本体 直流无刷电机 位置传感器 逆变器 主定子 主转子 功率逻辑开关 位置型号处理 传感器定子 传感器转子 此，当转子旋转时在定子上产生的反电势波形也有两种这两种直流无刷电机在原理、模型及控制方法上有所不同，对于正弦波直流无刷电机，希望在绕组中获得正弦波形式的反电势，其绕组形式采用短距、分布或分数形式，以尽可能削弱其它次谐波，从而保留基波。而 方波直流无刷电机为了获得顶宽为 120的方波
7、或梯形波，定子绕组采用整距、集中的形式，以保留磁密中的其它谐波。 （ 1）主定子是电机本体的静止部分。它由导磁的定子铁芯、导电的电枢绕组及固定铁芯和绕组用的一些零部件、绝缘材料、引出部分等组成，如机壳、绝缘片、槽楔、引出线及环氧树脂等。 （ 2）主转子是电机本体的转动部分，是产生激磁磁场的部件。它由三部分组成 :永磁体、导磁体和支撑零部件。永磁体和导磁体是产生磁场的核心，系由永磁材料和导磁材料组成。 1.1.3 转子位置传感器 位置传感器在直流无刷电机中起着测定转子磁极 位置的作用，为逆变器提供正确的换相信息。位置传感器与电机同轴安装，由于逆变器的导通次序是与转子转角同步的，因而与逆变器一起，
8、起着与直流有刷电机的机械换相相类似的作用。位置传感器种类较多，特点各异。目前，直流无刷电机系统的位置传感器多为电磁式、光电式和磁敏式。也有少数用正余弦旋转变压器和编码器等位置传感器的，但这些元件成本较高、体积较大、配套线路复杂，在一般直流无刷电机中较少采用。本次设计采用磁敏式位置传感器中的霍尔位置传感器。 霍尔位置传感器是利用电流的磁效应进行工作的，由与电机同轴安装、多只空间均匀分布的霍尔元件构成。由于直流无刷电机的永磁转子多用钦铁硼等稀土永磁材料，瓦片型永磁体直接粘贴在转子铁心上，故其气隙磁场在空间呈矩形分布。霍尔元器件在磁场作用下会产生霍尔电势，经整形、放大后即可输出所需转子位置电平信号，
9、构成了原始的位置信号。图 2-2为霍尔集成电路及其开关型输出特性。 （ a）霍尔集成电路 （ b）开关型输出特性 图 2-2 霍尔传感器 1.1.4 逆变器 逆变器的作用是将位置传感器检测到的转子位置信号进行 处理，按一定的逻辑代码输出，去触发末级功率开关管。与一般逆变器不同，它的输出频率不是独立调节的，而受控于转子位置检测信号，是一个“自控式逆变器”。直流无刷电机由于采用了自控式逆变器，电机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器输出之间不会产生振荡和失步。这也是直流无刷电机的重要优点之一。 逆变器主电路有桥式 (图 1-3(a)和非桥式 (图 1-3(b)两种。电枢绕组与逆变器联
10、接形式多种多样，但应用最广泛的是三相星形联结。 驱动电路将控制电路的输出信号进行功率放大，并向各开关管送去能使其饱和导通和可靠 关断的驱动信号。 a） b） 图 1-3 桥式与非桥式逆变器 1.2 直流无刷电机工作原理 有刷直流电机用电刷来换向，使电机运转。直流无刷电机的运行原理和有刷直流电机基本相同，但是它用转子位置传感器代替电刷，依靠转子位置传感器检测出转子的位置信号，通过换相驱动电路驱动与电枢绕组连接的各功率开关管的导通与关断，达到换相的目的，使电机运转起来。 直流无刷电机三相绕组主回路基本类型有三相半控和三相全控两种。三相半控电路的特点是简单，一个功率开关控制一相的通断，每个绕组只通电
11、 1/3 的时间，另外 2/3 时间处于断开状态，没有得到充分的利用。所以我们采用三相全控式电路。众所周知，三相绕组的联结方式有和丫之分，而它们的通电方式又可分为两两导电方式和三三导电方式两种。 这里以丫联结三相全控桥两两通电方式为例进行介绍，电路如图 1-4 所示。所谓两两导通方式是指每一个瞬间有两个功率管导通，每隔 1/6 周期 (60电角度 )换相一次，每次换相一个功率管，每一功率管导通 120电角度。各功率管的导通顺序 VIVZ 一 VZV3 一 V3V4一 V4VS 一 VSV6 一 V6VI 一 VIVZ，当功率管 VIVZ 导通时，电流从 V1 管流入 A 相绕组，再从 C 相绕
12、组流出，经 VZ 管回到电源。 图 1-4 三相全控桥两两通电电路 直流无刷电机转子位置与换相关系如图 1-5 所示。 假设当转子处于图 1-5 中 (a)位置时为 0，相带 A、 B、 C在 N 极下，相带 A、 B，、 C在 S 极下，这时 A 相正向通电， B 相反向通电， C 相不通电，产生的定子磁场与转子磁场相互作用，使转子转动。 当转过 60角后，转子位置如图 1-5 中 (b)所示。如果转子继续转下去进入图 1-5 中 (c)所示的位置，就会使同一磁极下的 电枢绕组中有部分导体的电流方向不一致，他们产生的磁场相互抵消，削弱磁场，使电磁转矩减小。 （ a） A 正向通电， B 反向
13、通电 （ b）转过 60 （ c）继续旋转 （ d） A 相正向通电， c 相反向通电，转过 60 （ e） B 相正向通电， C 相反向通电 （ f）转过 60 （ g） B 相正向通电， A 相反向通电 （ h）转过 60 （ i） C 相正向通电， A 相反向通电 （ j）转过 60 （ k） C 相正向通电， B 相反向通电 （ l）转过 60 图 1-5 直流无刷电机转子位置与换相的关系 因此，为 避免出现这样的结果，当转子转到图 1-5 中 (b)就必须换相，使 B 相断电， C相反向通电。转子继续旋转，转过图 1-5 中 (d)所示位置，同上所述也要进行换相，即 A 相断电， C
14、 相转过 60后到 B 相正向通电如图 1-5 中 (e)所示。这样 下去，转子每转过 60就换相一次，电机就会平稳地旋转下 去。 根据图 1-5 的通电方式，三相 Y 联结两两通电方式的通电规律如下 : 表 1-1 三相 Y 联结两两通电方式的通电规律 通电顺序 正转（逆时针） 转子位置（） 060 60120 120180 180240 240300 300360 开关管 1， 6 1， 2 3， 2 3， 4 5， 4 5， 6 A 相 + + B 相 + + C 相 + + 通电顺序 反转（顺时针） 转子位置（） 300360 240300 180240 120180 60120 06
15、0 开关管 3， 2 1， 2 1， 6 5， 6 5， 4 3， 4 A 相 + + B 相 + + C 相 + + 注：表中“十”表示正向通电 ;“一”表示反向通电 。 图 1-6 电流与感应电动势的波形 第 二 章 控制系统硬件和软件设计方案 2.1 DSP 技术 DSP（ digital singnal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号 ，转换为 0 或 1 的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复
16、杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。 2.1.1 DSP 的特点 数字信号处理相对于模拟信号处理有很大的优越性，表现在精度高、灵活性大、可靠性好、易于大规模集成等方面。随着人们对实时信号处理要求的不断提高和大规模集成电路技术的迅速发展，数字信号 处理技术也发生着日新月异的变革。实时数字信号处理技术的核心和标志是数字信号处理器。 DSP 除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制功能外， 针对实时数字信号处理，在处理器结构、指令系统、指令流程上具有许多新的特征，其特点如下： 2.1.1.1 算术单元 具
17、有硬件乘法器和多功能运算单元，硬件乘法器可以在单个指令周期内完成乘法操作，这是 DSP 区别于通用的微处理器的一个重要标志。多功能运算单元可以完成加减、逻辑、移位、数据传送等操作。新一代的 DSP 内部甚至还包含多个并行的运算单元。以提高其处理能力。 2.1.1.2 总线结构 传统的通用处理器采用统一的程序和数据空间、共享的程序和数据总线结构，即所谓的冯 诺依曼结构。 DSP 普遍采用了数据总线和程序总线分离的哈佛 结构或者改进的哈佛结构，极大的提高了指令执行速度。片内的多套总线可以同时进行取指令和多个数据存取操作，许多 DSP 片内嵌有 DMA 控制器，配合片内多总线结构，使数据块传送速度大
18、大提高。 2.1.1.3 专用寻址单元 DSP 面向数据密集型应用，伴随着频繁的数据访问，数据地址的计算也需要大量时间。DSP 内部配置了专用的寻址单元，用于地址的修改和更新，它们可以在寻址访问 前或访问后自动修改内容，以指向下一个要访问的地址。地址的修改和更新与算术单元并行工作，不需要额外的时间。 2.1.1.4 片内存储器 针对数字信号处理的数据密集运算的需要， DSP 对程序和数据访问的时间要求很高，为了减小指令和数据的传送时间，许多 DSP 内部集成了高速程序存储器和数据存储器，以提高程序和数据的访问存储器的速度。 2.1.1.5 流水处理技术 DSP 大多采用流水技术，即将一条指令的执行过程分解成取 址 、译码、取数、执行等若干个阶段，每个阶段称为一级流水。每条指令都由片内多个功能单元分别完成取 址 、译码、
