基于dsp无刷直流电动机调速系统设计

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1、0引言随着社会生产力的发展，需要不断地开发各种新型电动机。新技术新材料的不断涌现，促进了电动机产品的不断推陈出新。早在本世纪30年代，就有人开始研制以电子换向来代替电刷机械换向的无刷直流机，并取得了一定的成果。但由于当时的大功率电子器件仅处于初级发展阶段，没能找到理想的电子换向元器件。1955年,美国的D.Harrison等人首次申请了应用晶体管换向代替电动机机械换向的专利，这就是现代无刷直流机的雏形，但由于电动机尚无起动转矩而不能产品化。而后又经过人们多年的努力，借助于霍尔元件来实现换向的无刷直流机终于在1962年问世，从而开创了无刷直流机产品化的新纪元。70年代以来，随

2、着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件，如GTO,MOSFET,IGBT等相继出现，为无刷直流机的广泛应用奠定了坚实的基础[1]。无刷直流机保持着有刷直流电机的优良机械及控制特性，在电磁结构上和有刷直流电机一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子上放置永久磁钢。无刷直流机的电枢绕组像交流电机的绕组一样，采用多相形式，经由逆变器接到直流电源上，定子采用位置传感器实现电子换相来代替有刷直流电机的电刷和换向器，各相逐次通电产生电流，定子磁场和转子磁极主磁场相互作用产生转矩。和有刷直流电机相比，无刷直流机由于取消了电机的滑动接触机构，因而消除了故障的主要根源。转子上没

3、有绕组，也就没有了励磁损耗，又由于主磁场是恒定的，因此铁损也是极小的,因而进一步增加了工作的可靠性[2]。对于无刷直流机的控制器，当前主要有专用集成电路(ASIC)控制器、微处理器(MCU)和数字信号处理器(DSP)等三种方式。对于专用集成电路(ASIC-ApplicationSpecificIntegratedCircuit)使用时灵活性较差，受到的限制过多。现在市面上的无刷直流机控制器大多采用单片机来实现。应用较多的是8096系列产品，但单片机的处理能力有限，特别是需要处理的数据量大、实时性和精度要求高时，单片机往往不再能满足要求。因此，人们便自然地想到了DSP(数字信

4、号处理器)。由于DSP可对输入输出数据进行高速处理，特别是DSP器件还提供了高度专业化的指令集，提高了数字滤波器的运算速度，这样使得它在控制器的规则实施、矢量控制和矩阵变换方面具有得天独厚的优势。若要无刷直流机完成一些较复杂的控制功能，如电压电流双闭环调速、转子电流正弦波驱动，则必须要用运动控制专用微处理器。运动控制专用微处理器种类很多，尤其以TI公司的TMS320C24系列将电机控制所需的外围功能电路集成在一个DSP芯片内，其具有体积小、结构紧凑、易于使用、可靠性高的特点，运算速度可达20～40MINPS，指令周期仅为几十纳秒，与普通的MCU相比，运算及处理能力增强10～

5、50倍，确保了系统具有更优越的控制性能。因此，采用DSP作为控制芯片将是今后的发展方向。另外，采用DSP的专用集成块的另一优点就是，可以降低系统对传感器等外围器件的要求，通过复杂的算法可以达到同样的控制性能。1无刷直流电动机本文针对有刷直流电动机存在换向火花、机械换向困难、磨损严重等缺点，提出了采用无刷直流机来代替有刷直流电动机，来提高控制系统的控制质量,本文设计了无刷直流机的数字控制方法。由于DSP具有处理数据量大、实时性好和精度高等优点,所以本文控制器采用的是DSP。此系统的双闭环就是通过DSP软件编程实现的，比起以往的用模拟器件实现的控制系统，其整个系统结构比较简单、

6、控制精度高并且具有很强的灵活性，系统可根据用户的控制要求只需更改设定参数（即指令操作数）就可以实现其控制结果。本文对无刷直流机的结构和工作原理做了简单的介绍，以为了更好地理解无刷直流机控制系统。虽然用位置传感器检测转子位置的方法比较直接，但位置传感器必须安装在电动机轴上，使电动机更加笨重，并且增加了整个系统的机械磨损等，所以本文采用了无位置传感器方法来获得转子位置信号,本文采用反电势检测法。为了使整个系统能够可靠运行，因而采用了转速电流双闭环，转速环和电流环都采用PI调节器。1.1无刷直流电动机的结构无刷直流机的转子是由永磁材料制成的,具有一定磁极对数的永磁体。为了能产生梯

7、形波感应电动势，无刷直流机的转子磁钢的形状呈弧形（瓦片状），气隙磁场呈梯形分布。定子上有电枢，这一点与永磁有刷直流电动机正好相反。无刷直流机的定子电枢绕组采用整距集中式绕组，绕组的相数有二、三、四、五相，但应用最多的是三相和四相。各项绕组分别与外部的电子开关电路相连，开关电路中的开关管受位置传感器的信号控制。无刷直流机的工作离不开电子开关的电路，因此由电动机本体、转子位置传感器和电子开关电路三部分组成了无刷直流机控制系统。其原理框图如图1-1所示。图中，直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，位置传感器随时检测到