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直流电机的工作原理直流电机的结构有哪些无刷

  直流电机控制器设计._中职中专_职业教育_教育专区。摘要 电动机作为主要的机电能量转换装置,其应用范围已遍及国民经济的各个领 域。 尤其随着计算机技术和微电子技术的高速发展,电动机的控制策略也发生了 深刻的变化, 传统的模拟控制方法已逐渐被以微控制器为

  摘要 电动机作为主要的机电能量转换装置,其应用范围已遍及国民经济的各个领 域。 尤其随着计算机技术和微电子技术的高速发展,电动机的控制策略也发生了 深刻的变化, 传统的模拟控制方法已逐渐被以微控制器为核心的数字控制方法所 取代。采用微处理器, DSP 控制器等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速 发展。 ABSTRACT Electromotor as the most important device which can convert the electrical energy into mechanial ones , have been pplied in all fields of our country.With the rapid development of computer techinc and micro electronics technic,control strategy of the electromotor have been profoundly changed.Traditional analog control has been replaced by digital control which is based on microcontroller. With modern technic like the microprocessor ,DSP and so on,digital control system have been developed rapidly. 第一章 引 1.1 课题的背景及意义 言 直流电动机以其调速性能好、起动转矩大等优点,在相当长的一段时间内,在电动机调 速领域占据着很重要的位置。 随着电力电子技术的发展, 特别是在大功率电力电子器件问世 以后,直流电动机拖动将有逐步被交流电动机拖动所取代的趋势。但在中、小功率的场合, 常采用永磁直流电动机的速度控制,只需对电枢回路进行控制,相对比较简单。而且,随着 科学技术的发展和国防现代化建设的要求,军队的武器装备正朝着高、精、尖的方向发展。 在保证可靠性的前提下,要求武器的控制精度越来越高,响应速度越来越快,环境适应性越 来越强,控制部分的体积越来越小,操作也越来越简单。在许多武器装备中,直流电动机的 应用极为广泛,因此直流电动机的控制系统就显得尤为重要。 随着计算机和微电子技术的不断发展与创新, 信息化引领着时代的发展, 而信息化的基 础是数字化, 对直流电动机控制系统进行数字化改造后与原有的模拟控制系统相比具有如下 [1] 优点 : 1、数字控制系统的硬件标准化程度高,制作成本低; 2、数字控制系统不受器件温度漂移的影响,具有更强的抗干扰能力; 3、通过软件实现控制方案,可方便引入各种先进的控制规律如自适应、非线、可用软件程序实现系统的监控保护、故障自诊断、故障自修复等多种功能,大大降低了 系统的故障率,提高了系统的可靠性; 5、数字控制系统的体积小,重量轻,功耗也大大降低; 本设计使用的主控芯片是 TMS320F28035,TMS320F28XX 系列 DSP 是 TI 公司近年来 推出的面向电机数字控制的 32 位定点数字信号处理器,其具有高速信号处理和数字控制所 必须的体系结构特点,有为电机控制应用提供较多的外围设备。另外,DSP 的高速数据处 理能力, 使它可以执行一些高性能的复杂控制算法, 减少传感器信号采样到控制命令输出之 间的延迟,改善速度控制中的动态行为。 1.2 直流电动机驱动控制器的特点 直流电动机驱动控制器能够实时检测速度反馈信号和电流反馈信号,其技术特点包括: 1、主控芯片采用电机专用 DSP 处理器,控制算法精确,性能优良。各种附加功能完善,进 一步扩展其他功能的能力充足。 2、综合采用各种新技术和新材料,整个电机驱动控制器体积小巧。 3、直流电动机启动平稳,对电源系统的冲激较小。 4、系统效率高,电机驱动控制器全功率输出时发热小,工作温升低。 5、系统对外干扰低,耐受干扰的能力较强。 1.3 本设计的主要工作 本次毕业设计所要完成的工作如下: 1、完成对控制电路以及驱动电路的设计; 2、无刷直流电机用 DXP 绘制相关电路的原理图; 3、对器件进行封装并绘制出本次设计的 PCB 板; 4、研究控制算法,完成软件设计; 5、撰写毕业设计论文。直流电机的工作原理 第二章 直流电动机的结构与工作原理 2.1 直流电动机的结构 直流电动机的平面结构图如图 2.1 所示。途中 A、B 为电刷,1、2 为换向片,N、S 为主 磁极,a、d 为线圈及流过线 直流电动机的平面结构图 [6] 直流电动机由定子和转子两个部分组成 。 一、定子 定子是直流电动机的静止部分。它包括主磁极、换向磁极、机座、端盖和电刷装置等部 件。 1、主磁极:产生主磁场,永磁电机的主磁极直接由不同极性的永久磁体组成,直流电机的结构有哪些励磁电机的 主磁极则由主磁极铁芯和主磁极绕组两部分组成; 2、换向磁极:产生附加磁场,以改善换向机的换向条件,减小换向器上的火花; 3、机座:一方面作为电动机的磁路,另一方面用来在其上安装主磁极、换向磁极,同时也 作为电动机的外壳; 4、端盖:在机座的两边各有一个端盖,端盖的中心处装有轴承,用来支持转子的转轴,端 盖上还固定有电刷架; 5、电刷装置:通过电刷与换向器表面之间的滑动接触,把电枢绕组中的电流引入或引出。 二、转子 直流电动机的转子又称为电枢, 是电动机的旋转部分。 由电枢铁芯、 电枢绕组、 换向器、 转轴和风扇等部分组成。 1、电枢铁芯:由硅钢片叠压而成,其表面有许多均匀分布的槽,用来嵌放电枢绕组。其作 用是提供磁路; 2、电枢绕组:由许多相同的线圈组成,按一定规律嵌放在电枢铁芯槽内,并与换向器相连。 其作用是产生感应电动势和电磁转矩; 3、换向器:由许多铜制换向片组成,外形呈圆柱形,片与片之间用云母绝缘。其作用是把 外界供给的直流电流转变为绕组中的交变电流以使电动机旋转; 4、转轴:一般用合金钢锻压而成,其作用是用来传递转矩; 5、风扇:用来降低电动机在运行中的温升。 2.2 直流电动机的工作原理 直流电动机的工作原理如图 2.1 所示,图中 N 和 S 是一对在空间固定的永久磁铁,在 两个磁极之间装一个可以转动的圆柱铁芯,代表电动机转子,铁芯上固定线圈 abcd。当电 流经电源从电刷 A→换向片 1→线→电刷 B 回到电源时,在线圈里电流流 向为 a→b→c→d。由左手定则可知,此线圈将受到逆时针方向的电磁转矩的作用,当该电 磁转矩大于负载转矩时,转子就会逆时针方向转动。当转子位置转过 180 度时,ab 边则由 靠近 N 侧转向了靠近 S 侧,cd 边则由靠近 S 侧转向了靠近 N 侧。由于换向片与电刷接触的 相 对位 置发生 了变 化,所 以线 圈中的 电流方 向也 发生 了变化 ,线圈 中的 电流 方向为 d→c→b→a。再由左手定则可知,线圈仍受到逆时针方向的电磁转矩的作用,使转子仍保持 逆时针方向转动。电动机在旋转过程中,由于电刷和换向片的作用,直流电流交替的由线圈 ab 边和 cd 边流入,产生持续的逆时针方向的电磁转矩,使直流电动机连续旋转。 图 2.2 直流电动机的工作原理图 2.3 直流电动机的控制原理 直流电动机的转速 n 和其他参量的关系可表示为: n? U a ? I a Ra Ce? 式中,Ua 为电枢供电电压(V);Ia 为点数电流(A) ;Φ 为励磁磁通(Wb);Ra 为电枢回路总 电阻(Ω );Ce 为电动势系数, Ce ? pN P 为电磁对数,a 为电枢并联支路数,N 为导体数。 60 a 由关系式可以看出,只要改变电枢电压 Ua、电枢回路总电阻 Ra、励磁磁通Φ 的大小就可以 改变电动机的转速。因此,直流电动机有三种基本调速方法:改变电枢回路总电阻 Ra;改变 电枢供电电压 Ua;改变励磁磁通Φ 。 [1][3] 直流电动机的转速控制方法可分为两类 :对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电 枢电压进行控制的电枢电压控制法。 本系统中所控制的电机为直流永磁电动机, 因此只能选 用电枢电压控制法进行控制, 电枢电压控制法是在保持励磁磁通不变的情况下, 通过调整电 枢电压来实现调速的。 对电机的驱动离不开半导体功率器件。 在对直流电机电枢电压的控制和驱动中, 对半导 体功率器件的使用上又可分为两种方式:线形放大驱动方式和开关驱动方式。线形放大驱动 方式是使半导体功率器件工作在线形区,这种方式的优点是:控制原理简单、对邻近电路干 扰小,但是功率器件在线形区工作时,24v直流电机正反转控制电路图会将大部分电能转化为热能导致效率低下,散热问题 [4] 严重。因此这种方式只用于数瓦以下的微小功率直流电机的驱动 。 为了获得可调的直流电压,利用电力电子器件的完全可空性,采用脉宽调制技术,直接 将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压, 实现系统的 平滑调速, 这种调速系统成为直流脉宽调速系统。 它越来越广泛地应用在各种功率的调速系 [5] 统中。直流脉宽调速的主电路采用脉宽调制型变换器,简称 PWM 变换器 。 脉宽调制技术, 是利用电力电子开关器件的导通与关断, 将直流电压变成连续的直流脉 冲序列, 并通过控制脉冲的宽度或周期达到变压的目的。 图 2.2 就是最简单的 PWM 控制原理 图。在图 2.3 (a)中,当开关管 MOSFET 的栅极输入高电平时,开关管导通,直流伺服电机 电枢绕组两端有电压 Us。t1 时间后,栅极输入变为低电平,开关管截止,电机电枢两端电 压为零。t2 时间后,栅极输入重新变为高电平,开关管重复前面的过程。这样,对应着输 入的电平高低,直流电机电枢绕组两端的电压波形如图 2.3(b)所示。在电源电压 Us 不变 的情况下, 电枢两端电压的平均值 Ua 取决于占空比的大小, 占空比的大小就可以改变电枢 两端电压的平均值,从而达到调速的目的,这就是 PWM 调速原理。 Ui M VD Ud UI VI t1 T t2 (a)原理图 (b)输入输出电压波形 图 2.3 PWM 调速控制原理和电压波形图 2.4 直流电动机速度控制的要求 任何一台需要速度控制的设备, 其生产工艺对控制性能都有一定的要求。 例如重型铣床 的进给机构需要在很宽的范围内调速,最高速可达 600mm/min,而最低速只有 2mm/min,最 高速是最低速的 30 倍;高速造纸机要求抄纸速度达到 1000m/min,稳速误差小于±0.01%; 等等。所有这些要求,都可以转换成速度控制系统的稳态或动态性能指标,作为设计系统时 的依据。对于调速系统的速度控制要求归纳起来主要有一下三点: a.调速:在一定的最高转速和最低转速的范围内, 能够进行分档地 (有级)或平滑地 (无级) 调速。 b.稳速: 以一定的精度在所需的转速上稳定运行, 在各种可能的干扰下不允许有过大的转速 波动。 c.加、减速:频繁起动、制动的设备要求尽快地加、减速以提高生产率;不宜经受剧烈速度 变化的机械则要求起动、制动尽量平稳。 第三章 控制电路的设计 3.1 系统方案 3.1.1 主控芯片的选择 在嵌入式系统中,可选用的控制芯片很多,像单片机有 51 系列,96 系列等,这些芯 片应用广泛,价格也很便宜,并且在实际应用中,有很多例子可以参考,但缺点是速度不可 能很快,需要扩展较多外围器件,增加了开发成本和研制周期;而 DSP 具有如下的优点:低 成本,低功耗,高性能的处理能力;具有强大的外部通信接口(SCI、SPI、CAN)便于构成 打的控制系统;在一个指令周期可完成一次乘法和一次加法;程序和数据空间分开,可以同 时访问指令和数据;片内具有快速 RAM,通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问;具 有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持; 快速的中断处理和硬件 I/O 支持; 具有在单周期 内操作的多个硬件产生器;可以并行执行多个操作;支持流水线操作,使取指、译码和执行 等操作可以重叠执行。因此,我们选用 DSP 芯片作为电机控制的主控芯片。 3.1.2 系统总体框图 控 制 单 元 电 路 是 整 个 直 流 电 动 机 驱 动 控 制 器 的 核 心 , 主 要 包 括 微 控 制 器 DSP TMS320F28035、电源电路、复位电路、晶振电路、JPAG 接口电路、CAN 总线电路等。基本框 图如图 3.1 所示。 转速检测 上 位 机 CAN 中央 处理器 A/D 电流检测 PWM PWM 控制 功率驱动电路 DCM 图 3.1 控制单元基本框图 3.2 主控芯片 TMS320F28035 的介绍 3.2.1 TMS320F28035 的特点 TMS320F28035 为一款最新的电机控制专用 DSP 芯片,它是 TI 公司在 TMS320C2000 平台 上使用 32 位内核的 DSP,实时处理能力强,能应用于很多复杂的控制算法;高性能低功率, 应用起来更加灵活方便、快速,能满足多种通讯的需要,这些可省去复杂的外围电路,提高 [7][8] 了系统的集成度和可靠性。它有如下的特性 : 1.亮点; 高效 32 位中央处理单元(CPU)(TMS320C28x ) 60MHz 器件 3.3V 单电源 集成型加电和欠压复位 两个内部零引脚振荡器 多达 45 个复用通用输入输出 (GPIO) 引脚 三个 32 位 CPU 定时器 片载闪存,SRAM,OTP 内存 代码安全模块 串行端口外设 (SCI/SPI/I2C/LIN/eCAN) 增强型控制外设 56 引脚,64 引脚,和 80 引脚 封装 TM 2.高效 32 位中央处理单元 (CPU) ( TMS320C28x ); 60MHz(16.67ns 周期时间) 16 x 16 和 32 x 32 介质访问控制 (MAC) 运算 16 x 16 双 MAC 哈佛 (Harvard) 总线架构 连动运算 快速中断响应和处理 统一存储器编程模型 高效代码(使用 C/C++ 和汇编语言) 3.多达 45 个具有输入滤波功能可单独编程的多路复用通用输入输出 (GPIO) 引脚; 4.可支持所有外设中断的外设中断扩展 (PIE) 模块; 5.三个 32 位 CPU 定时器; 6.每个 ePWM 模块中的独立 16 位定时器; 7.串行端口外设; 一个 SCI(UART) 模块 两个 SPI 模块 一个内部集成电路 (I2C) 总线 一个本地互连网络 (LIN) 总线 一个增强型控制器局域网络 (eCAN) 总线.高级仿真特性; 分析和断点功能 借助硬件的实时调试 TM TM F2803x Piccolo 系列微控制器为 C28x 内核和控制律加速器 (CLA) 供电,此内核和 CLA 与低引脚数量器件中的高集成控制外设向耦合。 该系列的代码与以往基于 C28x 的代 码相兼容,并且提供了很高的模拟集成度。 TM TM F2803x Piccolo 系列微控制器为 C28x 内核和控制律加速器 (CLA) 供电,此内核和 CLA 与低引脚数量器件中的高集成控制外设向耦合。 该系列的代码与以往基于 C28x 的代 码相兼容,并且提供了很高的模拟集成度。 一个内部电压稳压器允许单一电源轨运行。 对 HRPWM 模块实施了改进,以提供双边缘 控制(调频) 。增设了具有内部 10 位基准的模拟比较器, 并可直接对其进行路由以控制 PWM 输出。 ADC 可在 0V 至 3.3V 固定全标度范围内进行转换操作,并支持公制比例 VREFHI/ VREFLO 基准。 ADC 接口专门针对低开销/低延迟进行了优化。 TM 3.2.2 TMS320F28035 的内存总线 与很对MCU 类型器件一样, 多总线被用于在内存和外设以及CPU 之间移动数据。 此内存 总线架构包含一个程序读取总线、 数据读取总线、 和数据写入总线 条 地址线 条数据线路组成。数据读取和写入总线 条地址线 条数据线 位宽数据总线 位运行。多总线结构,通常称为哈弗总线x 能够在一个单周期内取一个指令、 读取一个数据值和写入一个数据值。 所有连接在内存总线 上的外设和内存优先内存访问。总的来说,内存总线访问的优先级可概括如下: 最高级: 数据写入(内存总线上不能同时进行数据和程序写入。) 程序写入(内存总线上不能同时进行数据和程序写入。) 数据读取 程序读取(内存总线上不能同时进行程序读取和取指令。) 最低级: 取指令(内存总线上不能同时进行程序读取和取指令。) 3.2.3 TMS320F28035外设总线 为了在多种德州仪器(TI) MCU 器件系列间实现外设迁移,此器件采用一个针对外设互 连的外设总线标准。 外设总线桥复用了多种总线, 此总线将处理器内存总线 条地址线 条数据线和相关控制信号组成的单总线中。 支持外设总线的三个版 本。一个版本只支持16 位访问(被称为外设帧2)。另外版本支持16 位和32 位访问(被称 为外设帧1)。第三版本支持CLA 访问和16 位以及32 位访问(被称为外设帧3)。 3.3 电源电路的设计 目前许多外围电路所需要的电压是 5V, 而 TMS320F28035 的工作电压时 3.3V, 驱动电压 为 15V,因此要将 24V 的电压转换成 5V 和 15V,再由 5V 电压转换成 3.3V 电压。其转换电路 如图 3.3.1 所示。 图 3.3 .1 电源电路 图中 LM7815 和 LM7805 是分别输出 15V 和 5V 的转换芯片,电子产品中,常见的三端稳压集 成电路有正电压输出的 LM78XX 系列和负电压输出的 LM79XX 系列。顾名思义,三端 IC 是指 这种稳压用的集成电路,只有三条引脚输出,分别是输入端、接地端和输出端。它的样子像 是普通的三极管,TO-220 的标准封装,也有 LM9013 样子的 TO-92 封装。他们的管脚图如图 [9] 3.3.2 所示 。 图 3.3.2 LM7805 和 LM7815 的管脚图 LM1117 是一个低压差电压调节器系列。其压差在 1.2V 输出,负载电流为 800mA 时为 1.2V。它与国家半导体的工业标准器件 LM317 有相同的管脚排列。LM1117 有可调电压的版 本, 通过 2 个外部电阻可实现 1.25~13.8V 输出电压范围。 另外还有 5 个固定电压输出 (1.8V、 2.5V、2.85V、3.3V 和 5V)的型号。这里我们输出为 3.3V,正好满足 TMS320F28025 的工作 电压的需要。LM1117 还具有内部电流限制和过热保护的特点,把输出电流限制到大约 1A。 LM117 的可调压型号在输出端和调节端之间具有一个 1.25V 的参考电压 VREF,如图 3.3.3 所 示,该电压通过跨接电阻 R1 产生一个恒定电流 I1。调节端输出的电流 IA 会使输出的电压产 生误差,但由于 IA 非常小所以忽略不计。因此,只要调节 R2 的大小就可以输出不同等级的 电压,即 VREF IA VOUT ? ( VREF ? I A )(R1 ? R2 ) R1 R2 ) ? I A ( R1 ? R2 ) R1 R2 ) R1 ? VREF (1 ? ? VREF (1 ? 图 3.3.3 LM1117 结构图 3.4 复位电路的设计 本系统采用 RC 复位电路,其电路图如图 3.4 所示。该电路主要实现了上电复位和系统 运行时手动按键复位功能。该电路的工作原理如下:XRSN 是低电平有效,即当 XRSN 输出低 电平时,系统复位。在系统上电时,电源通过电阻 R12 向电容 C31 充电,当 C31 两端的电 压未达到高电平的门限电压时,XRSN 端输出低电平,系统处于复位状态;当 C31 两端的电 压达到高电平门限电压时,XRSN 端输出高电平,系统进入正常工作状态。当用户按下按钮 REST 时,C31 两端的电荷被泄掉,XRSN 端输出低电平,系统进入复位状态。 通过调整电阻 和电容的参数可以改变复位状态的时间。 图 3.4 复位电路图 3.5 晶振电路的设计 时 钟 发 生 器 是 为 DSP 芯 片 提 供 时 钟 信 号 , 这 里 使 用 的 是 20MHZ 的 有 源 晶 振 , TMS320F28035 支持动态锁相环路(PLL)比率变化。20M 晶振通过 0~4 倍频后就可以得到 DSP 所需要的时钟信号,晶振电路如图 3.5 所示。 X1 X2 图 3.5 晶振电路图 3.6 JPAG 接口电路的设计 JTAG 是 Joint Test Action Group(联合测试行动小组)的简称。该组织提出了边界 [10] 扫描测试方案,后来成为 IEEE 1149.1 标准,即 IEEE 标准试验存取口和边沿扫视技术 。 [11] DSP 有 JTAG 硬件测试仿真接口, 它可以与外界进行数据交换 。 TMS320F28035 支持实时模 式运行,此运行模式可在处理器正在运行和执行代码且处理中断的同时允许修改内存内容、 [7] 外设、和寄存器位置 。用户也可以通过非时间关键代码进行单步操作,同时可在没有干扰 的情况下启用将被处理的时间关键中断。 此器件在 CPU 的硬件内执行实时模式。 这是 28x 系 列器件所特有的特性,无需软件监控。此外,还提供了特别分析硬件以实现硬件断电或者数 据/地址观察点的设置并当一个匹配发生时生成不同的用户可选中断事件。这些器件不支持 边界扫描; 然而, 如果将下面的因素考虑在内的话, 也可提供 IDCODE 和 BYPASS(旁路) 特 性。缺省情况下不支持 IDCODE。用户需要搜索 JTAG 的 SHIFT IR 和 SHIFT DR 状态序列来 获得 IDCODE。对于 BYPASS 指令,第一个被移位的 DR 值应该为 1。具体的仿线 JPAG 仿线 CAN 总线通信电路的设计 eCAN 模块是 TMS320F2812 DSP 片上的增强型 CAN 控制器 , 其性能较之已有的 DSP 内嵌 CAN 控制器有较大的提高,数据传输更加灵活方便, 数据量更大、 可靠性更高、 功能更 加完备。 随着 TMS320F2812 的大量推广使用, 基于 eCAN 的 CAN 总线通信方式将得到广泛 [12] 的应用 。 [13] 这里我们选用 CAN 现场总线主要是因为他有如下优点 : 1.具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点; 2.采用双线串行通信方式,检错能力强,可在高噪声环境中工作; 3.具有优先权和仲裁功能, 多个控制模块通过 CAN 控制器挂到 CAN-bus 上, 形成多主机局部 网路; 4.可根据报文的 ID 决定接收或屏蔽该报文; 5.可靠的错误处理和检错机制; 6.发送的信息遭到破坏后可自动重发; 7.节点在错误严重的情况下具有自动退出总线.报文不包含源地址或目标地址哎,仅用标示符来指示功能信息、优先级信息。 下图为 CAN 总线的电路图。 其中,CANTX 和 CANRX 接 TMS320F28035 DSP 的 CAN 管脚,CANH 和 CANL 接外部 CAN 总线 DSP 内的 CAN 控制器必须通过 CAN 驱动芯片才能与 外部的 CAN 控制器进行通信。 选择 SN65HVD230 收发器是为了增大通信距离,提高系统的瞬间抗干扰能力,保护总线, 降低射频干扰(RFI)实现热防护等。 SN65HVD230 CAN 驱动芯片是为 3.3V供电的 DSP 设计 CAN 总线 DSP 集成的 CAN 总线 个节点,可提供高达 1Mbit/s 数据传输率。系统中将其引脚 8(RS)接地选择高速 工作方式。在传输线Ω 的匹配电阻,以克服长线效应,减小通讯介质中信号 的反射。 图 3.7 CAN 总线接线图 第四章 功率驱动电路的设计 4.1 逆变电路的设计 功率逆变电路如图 4.1 所示, 该电路为可逆 PWM 变换器, 可逆 PWM 变换器按主电路结构 不同有 H 形和 T 形等,由于 H 形变换器在实际应用中比较广泛,所以这里我们选用 H 形 PWM 变换器。 全控型器件主要有 MOSFET 和 IGBT,这两者都具有开关频率高、输入阻抗高、通态电压 低和热稳定性好的特点,所以是本控制系统的首选器件。 。 但由于 MOSFET 比 IGBT 的开关频率 高,价格便宜,且保护电路相对简单,广泛应用于各类中小功率开关电路中,因此本控制系统 [14] 选用 MOSFET 作为开关器件 。功率 MOSFET 有以下的优点: ①开关速度快 开关的速度由极间寄生电容决定,故其开关时间很短(小于 50~100ns),工作 频率很高(达 500KHZ 以上) ; ②驱动功率小 它是电压型器件,驱动功率小,功率增益高,驱动电路简单; ③安全工作区宽 MOSFET 没有二次击穿现象,因此比同等功率的 GTR 器件安全,工作区大,也 更稳定耐用; ④过载和抗干扰能力强 短时过载电流可达额定值的 4 倍。 Us 1 Ub3 3 Ub1 Ub2 2 Ub4 4 图 4.1 逆变电路 所以我们选取 MOSFET 作为逆变电路的功率管。该电路由 4 个 MOSFET 管构成双极性 H 形 PWM 变换器。如图所示,4 个功率开关器件的基极驱动电压分为两组。T1 和 T4 同时导通 和关断,其驱动电压 Ub1=Ub4;T2 和 T3 同时动作,其驱动电压 Ub2=Ub3。它们的波形图如 图 4.2 所示。 Ub1 Ub4 O ton T t Ub2 Ub3 O t Ua +Us O -Us t Ud ia ia1 ia2 O t 图 4.2 逆变器电压和电流波形图 在一个开关周期内,当 0≤t≤ton 时,Ub1 和 Ub2 为正,MOSFET 管 T1 和 T4 饱和导通; 而 Ub2 和 Ub3 为负, T2 和 T3 截止。 这时+Us 加在电动机电枢两端, 电枢电压 Ua=Us, 且 UaEa, 正向的电枢电流沿回路 1 流通。 在 ton≤tT 期间, Ub1 和 Ub4 变负, 开关器件 T1 和 T4 截止; Ub2 和 Ub3 变为正,但 T2 和 T3 不能立即导通,电枢电流沿回路 2 经二极管续流,电流方向 仍为正。 由于电枢电压的正负变化,使电流波形存在两种情况,即图中的 ia1 和 ia2。ia1 相当 于电动机负载较重的情况,这时负载平均电流较大,在续流阶段电流仍维持正方向,电动机 始终工作在电动运行阶段。ia2 相当于负载较轻的情况,平均电流较小,在 ton≤tT 期间, 在二极管续流阶段电流很快衰减到 0,于是 T2 和 T3 失去反压,在负的电源和反电动势的合 成作用下导通,电枢电流反向,沿回路 3 流通,电动机处于制动状态。到 t=T 时,T2 和 T3 关断,-ia2 又开始沿着回路 4 经二极管续流,直到 t=t4 时,-ia2 衰减到 0,T1 和 T2 才开 始导通,电枢电流 ia 再次改变方向沿回路 1 流通。 4.2 驱动电路的设计 本系统中的功率集成电路选用 IRF 公司的 IR2011, 它是一个高功率、 具有独立的高端 和低端参考输出通道的高速功率 MOSFET 驱动、理想地应用于 100W~250W D 类音频放大器和 直流-直流变换器。逻辑输入与标准 CMOS 或 LSTTL 输出相兼容,输出为 3.0 V ,并没有任 何减速。 一片 IR2011 可以驱动同侧桥臂的两个开关管, 其功能框图如图 4.2.1 所示。 其中, HIN、 LIN 分别接用来控制同侧桥臂的两路 PWM 信号,HIN 为高端输入,LIN 为低端输入,输入 兼容 3.3V 和 5V 逻辑电平。VB、HO、VS 控制高端开关管,VCC、LO、COM 控制低端开关管。 图 4.2.1 IR2011 功能框图 由于我们选用的是双极性 H 形 PWM 变换器,所以这里需要两片 IR2011 来驱动 4 个 MOSFET 管。具体的连接图如图 4.2.2 所示。 图 4.2.2 驱动电路 4.3 电流检测电路设计 电流的检测方法有多种,可以使用精密电阻串在被测回路里,将电流转换成电压通过 AD 获取电阻两端的电压来间接求得电流,但是这种方法如果电流过大的话会由于电阻发热 造成电阻值发生漂移,测得的电流就不准确了,同时串了个电阻(虽然不大),会对被测电路 产生影响。于是我选择了基于霍尔效应的霍尔电流传感器,这种电流传感器具有体积小、能 将被测电流完全隔离开等优点。这里我们选用的是 Allegro 公司生产的 ACS712ELCTR-05B-T [15] 这款芯片,该芯片有以下的特点和优点 :低噪声的模拟信号路径;设备的宽带是通过设置 新的过滤器引脚;5μ s 输出上升时间,响应于步骤输入电流;80 kHz 带宽;在 T 总输出误差 为 1.5%;占用空间小,低厚度 SOIC8 封装;1.2mΩ 内部导体电阻;2.1 kVRMS 的最小绝缘电 压的引脚;5.0 V 单电源工作;66 至 185 mV / A 输出灵敏度;成正比的输出电压的 AC 或 DC 电流;工厂校准的准确性;极度稳定的输出偏移电压;几乎为零的磁滞;电源电压的成 比例输出;它的量程为-5A~+5A,符合本次设计参数(24V,50W) ,输入被测电流输出一个与 被测电流成线性关系的电压值,如图 4.3.1 所示。两者的具体关系式为:UIOUT=0.185IP+2.5。 具有 185mv/A 的输出灵敏度,80KHz 带宽。 图4.3.1 输入电流与输出电压的关系图 由于流过电动机的电流是双极性的, 所以我们将霍尔电流传感器串联在电动机回路, 检 测正反电流,完整的电流检测电路图见图4.3.2。我们的设计参数为电压24V 和功率50W,也 就是说回路中的电流约为2.08A,考虑安全裕量我们将回路中的电流扩大2.5倍,即输入到霍 尔传感器的电流为-5A~5A,正好为 ACS712的满量程。由于 DSP 的 ADC 可在 0V 至 3.3V 固 定全标度范围内进行转换操作,所以我们必须将输入的-5A~5A 的电流转换成0~3.3V 的电压 图4.3.2 电流检测电路 送至 DSP 的 ADC 引脚,通过 ADC 的内部程序来计算出实际电流,从而实现电流检测的目的。 这里选用运放 MC3558来实现整个转换电路的设计。 如图所示,当电流流进霍尔传感器时线性地输出电压 UIOUT =0.185IP+2.5,该电压再通过 减法电路输出送至 ADC 的电压 UO 。 UO ? ( ? 3.3( ?? R16 ? R22 R28 R )( )U REF ? 16 U IOUT R22 R23 ? R28 R22 R16 ? R22 R28 R )( ) ? 16 (0.185I P ? 2.5) R22 R23 ? R28 R22 0.185R16 R ? R22 R28 2.5R16 I P ? 3.3( 16 )( )? R22 R22 R23 ? R28 R22 我们想要的到的关系为 UO ? ?0.33I P ? 1.65 ,于是可以推算出 ? 0.185R16 ? 0.33 ? R ? 22 ? R ?3.3( 16 ? R22 )( R28 ) ? 2.5R16 ? 1.65 ? R22 R23 ? R28 R22 ? 我们选取 R22=1KΩ , 于是可得 R16=1.8KΩ ; 再将 R16 与 R22 代入第二个等式中可得 R23 ? 0.5R28 。 选 R23=1KΩ ,于是 R28=2KΩ 。 4.4 转速检测电路设计 速度检测,有多种方法可以实现,比如测速发电机,光电编码器,光电对管,电枢电流 高次谐波频率法等等, 这里我们选用永磁直流测速发电机来实现转速检测, 测速发电机的结 构图如图 4.4.1 所 示。测速发电机: (1)后端盖(2) 轴承(3)外壳(4) 磁缸(5)装配外壳 (6)绕组(7)换 向器(8)刷盒;直 流电机: (9)电刷 (10)换向器(11) 绕组(12)电机测速发电机轴 (13) 外壳/磁缸(14) 轴承(15)轴承固 定环(16)接线 测速发电机结构图 永磁直流测速发电机是一种将转子速度转换为电气信号的机电式信号原件, 是伺服系统 中的基本原件之一。 在转速反馈系统中,测速发电机是一个关键的装置,它的输出电压的幅值 正比于转速,极性反映电机的转向。测速精度、线性度、波型的纹波系数以及测量的小滞后 性是它的主要性能指标。现有测速发电机的性能指标一般能满足大多数调速系统的需要。 基于本次设计电机的参数,我 ZCF121 直流测速发电机,该发电机具有线性误差小、运 行可靠、尺寸小、重量轻等特点。它是转速达 3000r/min 时输出 50V,由于 DSP 的 ADC 工作 电压为 0~3.3V,所以我们必须用运放把发电机反馈的电压转换成 0~3.3V。具体的电路如图 4.4.2 所示。 图 4.4.2 转速检测电路 该电路的设计原则与电流电测相似,也是运用一个减法电路,测速发电机输出的电压 Ui 经过滤波电路送至运放的负端,运放的正端接 DSP 的基准电压 UVREF,转换关系式为: UO ? ( R34 ? R37 R40 R )( )U REF ? 34 U i R37 R39 ? R 40 R37 我们的目的是为了将测速发电机输出的-50V~50V 电压转换成 0~3.3V 电压, 所以两者的线性 关系为: U O ? ?0.033 U i ? 1.65 于是我们可以得到 R40 ? R34 ? R37 )( )U REF ? 1.65 ?( R R39 ? R 40 ? 37 ? ? R34 ? 0.033 ? ? R37 取 R37=100KΩ ,于是 R34=3.3KΩ ,再将 R37=100KΩ ,R34=3.3KΩ 代入到第一个等式中得到 R39=1.066R40,所以取 R39=6.6KΩ ,R40=6.2KΩ 。 第五章 系统软件设计 5.1 引论 如果说硬件是实现直流电机控制的基础,那么系统软件就是整个控制器的核心和灵魂, 控制系统的软件设计必须具备实时性、 可靠性和易维护性。 本实验系统 DSP 控制器的软件设 计是采用结构化的编程思想,把整个控制系统的程序进行分模块处理,分别构建各个功能模 块程序,最后组合各个功能程序模块联调实现整个 DSP 电机控制程序的设计。 基于前面的硬 件设计,根据需求采用结构化的编程思想编写控制软件,最终实现整个控制器的控制流程, 实现直流电机控制。 DSP 系统软件是采用结构化程序设计, 在 TI 专用的集成开发环境 CCS5.1 下完成系统项目程序的开发,调试本系统采用混合编程方式完成,以 C 语言为主。 5.2 DSP 软件开发环境 CCS CCS(Code Composer Studio)是一种针对 TMS320 系列 DSP 的集成开发环境,采用图形 接口界面,提供有环境配置、源文件编辑、程序调试、跟踪和分析等工具,集成了代码的编 辑、编译、链接和调试等诸多功能,因此具有较强大的功能,并且支持汇编语言和 C 语言的 混合编译。 CCS5.1 是一套完整的用于开发和调试 TI 嵌入式应用程序的软件开发环境,它具 有适用于每个 TI 器件系列的编译器、源码编辑器、项目构建环境、调试器、仿真器以及多 种其它功能。它的主要功能如下: 1.具有集成可视化代码编辑界面,可以通过界面直接编写 C、汇编、.cmd 等文件; 2.含有集成代码生成工具,具有多种功能集成到一个软件环境中; 3.高性能编辑器支持汇编文件的动态语法加亮显示, 使用户很容易阅读代码, 发现语法错误; 4.基本调试工具具有装入执行代码、查看寄存器、存储器、反汇编、变量窗口等功能; 5.能在调试程序的过程中,完成硬件断点、软件断点和条件断点的设置; 6.可用于算法的仿真,数据的实时监测等; 7.支持多 DSP 的调试; 8.支持 RTDX 技术,可在不中断目标系统运行的情况下,实现 DSP 和其它应用程序的交换; 5.3 系统软件的总体结构 本系统的软件主要由主程序模块和中断子程序模块两大部分构成, 主程序的工作为完成 整个控制系统的初始化,当系统上电时便开始执行,当遇到故障复位时才能重新开始执行,并 完成参数给定、显示处理和开中断等工作;中断服务程序包含整个控制系统的算法实现,是 [16] 软件较为核心的部分 ,主要是完成包括 A/D 采样、控制策略实现以及 PWM 调制信号输 出等功能。 5.3.1 主程序设计 控制系统的主程序如图 5.3.1 所示, 开始 头文件引用 常量、变量定义 及其初始化 宏定义 各子模块的初始 化 各子模块的初始 化 中断设置、寄存 器初始化 N 是否有中断 Y 中断服务子程序 模块 图 5.3.1 主程序的结构图

时间:2020-06-27 19:09