开题报告 无刷直流电机的控制系统

1/6合肥师范学院本科生毕业论文（设计）开题报告（学生用表）课题基于TMS320F2812的直流无刷电机控制系统的设计系部电子信息工程学院专业电子信息工程学科通信与信息系统学生指导教师一、课题的背景及意义电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。电机行业是一个传统的行业，经过200多年的发展，它已经成为现代生产、生活中不可或缺的核心、基础，是国民经济中重要的一环。而随着生产现代化程度的不断提高和人们对家用电器、汽车等消费的不断增加，市场对电机的需求也越来越大。电动机主要分为同步电动机、异步电动机与直流电动机三种，其容量小至几瓦，大至上万瓦。不同的电机有不同的应用场合，随着电机制造技术的不断发展和对电机工作原理研究的不断深入，目前还出现了许多新型的电机。例如，美国EAD公司研制的无槽无刷直流电动机，日本SERVO公司研制的小功率混合式步进电机，我国自行研制适用于工业机床和电动自行车的大力矩低转速电机等[1]。近年来，转子采用永磁结构、主电路采用功率器件的无刷直流电机得到了很大的发展。大功率无刷直流电机(一般采用晶闸管作为功率器件，习惯上称为无换向器电机)在低速、环境恶劣和有一定调速性能要求的场合有着广泛的应用前景，如钢厂的轧机。小功率无刷直流电机主要应用于工厂自动化和办公自动化方面，如计算机外设复印机和家用电器中，它正在迅速取代传统的直流电机和异步电机；90年代以来，在高精度的数控设备中相当多的采用了永磁同步无刷电机(交流伺服电机)以取代宽调速的直流伺服电机，特别是在机器人和机械手的驱动中，无刷直流电机的应用相当多。近年来，采用交流无刷电机代替异步电机作为机床的主轴直接驱动也已成为新的研究和应用热点。二、国内外研究现状及发展趋势无刷直流电机(BLDCM)是在有刷直流电动机的基础上发展来的，但它的驱动电流是不折不扣的交流。一般地，无刷电机的驱动电流有两种，一种是梯形波(一般是。方波”)，另一种是正弦波[1]。无刷直流电动机没有换向器和电刷组成的机械接触结构，转子采用永磁体励磁，没有励磁损耗；发热的电枢绕组通常装在外面的定子上，热阻小，散热容易，所以在保持了普通直流电机良好的动、静态调速特性的同时，还具有无换向火花及无线电干扰，结构简单，运行可靠，易于控制等特点。所以这种电动机在控制系统中有很大的应用潜力。1．无刷直流电动机控制技术的发展现状无刷直流电机驱动控制过程中，不但要完成高速的数据采集计算，还要完成多个控制环的复杂计算以及PWM调制、换相控制，需要完成的计算量较大，并且对实时性和精度要求较高。而单片机由于其内部体系结构和计算功能等条件限制，在需要处理数据量大和实时性要求高时，往往不能满足要求；另外，受芯片制造工艺限制，在现装订线2/6有的电机专用控制芯片中所实现的算法一般比较简单，也难以应用在高性能、高精度的应用场合[2]。因此一般采用DSP进行实现，DSP相对于一般的微处理器在实时性上有独特的优势，可以实现用软件取代模拟器件进行高性能控制，可以方便地修改控制策略，修正控制参数，兼具故障监测、自诊断和上位机管理与通讯等功能。DSP以其强大的运算能力、极高的处理速度在控制系统中获得广泛应用，为模糊控制、神经网络控制、自适应控制、专家系统等具有自学习、自适应、自组织功能的智能控制的实现提供了有利的条件。DSP可为高性能电机控制提供先进、可靠、高效的数字信号处理与控制平台。传统的数字控制系统一般以单片机作为其控制核心，采用DSP作为无刷直流电机的控制核心则有单片机无法比拟的优势：运算速度快、精确度高、存储量大，并且具有逻辑控制功能以及各种中断处理能力，丰富的数字输入输出端口，以及电机专用的PWM输出口。DSP将这种控制硬件集成在一个芯片之中，芯片的功能也会随着集成电路技术的不断进步而变得越来越强大。基于DSP的电机控制主要有以下特点：（1）DSP芯片采用哈佛结构或者采用改进的哈佛结构，其数据与程序运用相互独立的总线结构，从而计算能力有效提高。DSP芯片具有丰富的逻辑判断功能以及大容量的存储单元，一些复杂的控制规律，比如参数识别、优化控制、智能控制等现代控制理论和算法，将能够更容易的应用。（2）DSP的应用使得电机控制器的硬件能够设计得更小，重量也更轻，并且功耗也下降。（3）DSP的应用使得系统运行的可靠性增强，主要是由于DSP芯片设计保证了元器件在额定工作状态下平均无故障时间远远超过分立元器件构成的模拟电路。（4）数字电路不存在温漂问题，不存在参数变化的影响。内部计算精度很高，所以被控量可以较大也可以较小。（5）DSP将硬件的统一性和软件的灵活性有效的结合，DSP电机控制电路硬件可以统一，比如DSP控制三相逆变器驱动相应的感应电动机、无刷直流电动机、永磁同步电动机，他们的硬件结构基本上统一。软件则须根据具体的被控量的控制规律进行具体编程，并且在不同的工作情况下，可以调试选择更适合的参数、控制系统结构、控制策略等，从而系统具有很强的灵活性。DSP器件的出现，使得电机控制系统的处理能力有了很大的提高。DSP具有强大的运算能力，和普通的MCU相比，运算及处理能力增强了10～50倍，因此在其控制策略中可以使用先进的实时算法，如Kalman滤波、自适应控制、模糊控制和神经元控制等，从而可以进一步提高系统的控制精度和实时性[3]。近年来，国外一些大公司纷纷推出比MCU性能更加优越的DSP(数字信号处理器)，如ADI公司的ADMC3xx系列，11公司的C2000系列及Motorola公司的DSP56FSxx系列。它们都是将DSP内核配以电机控制所需的外围功能电路集成在单一芯片内，使设计的硬件成本大大降低且体积缩小。从而使DSP器件及技术更容易使用，价格也能为广大用户接受[4]。三、研究目标针对DSP在无刷直流电机控制系统中的应用趋势，通过对多种DSP芯片进行比较，采用TI公司的TMS320F2812作为控制器，设计了基于DSP的无刷直流电机控制系统，实现了对无刷直流电机的速度控制。四、论文主要内容及安排本文针对DSP在无刷直流电机控制系统中的应用趋势，通过对多种DSP芯片进行比较，采用TI公司的TMS320F2812作为控制器，设计了基于DSP的无刷直流电机控制系统，实现了对无刷直流电机的速度控制。整个控制系统采用转速电流双闭环控制，针对传3/6统PID算法的不足，提出模糊PID算法，提高系统的动静态性能。全文分为6章，内容安排如下：第l章主要叙述了无刷直流电机的发展趋势、无刷直流电机的控制技术、研究背景及意义。第2章首先介绍了无刷直流电机的基本结构和工作原理，然后给出了常见的无刷直流电机的数学模型及其推导过程，在此基础上对无刷直流电机的稳态特性进行了详细分析。第3章对本控制系统的总体结构和设计进行介绍。主要包括控制系统的整体方案，控制芯片，控制技术以及控制策略的选择。第4章对控制系统的硬件电路进行设计，包括DSP最小系统、功率驱动电路、采样检测电路、保护电路等的设计，并对各个部分进行了详细的分析。第5章以TI公司的CCS开发环境为开发工具，对整个控制系统的软件部分进行了设计。第6章总结与展望，总结了本文的主要工作，展望了以后工作的研究方向。五、可行性分析此次研究是在指导老师的指导下搜集，查阅相关资料，确定能够通过应用DSP芯片进行控制是最优方案，采用TI公司的TMS320F2812作为控制器。根据现在无刷直流电机的控制技术的发展水平和未来的发展趋势及可操作性进行分析，该课题能够顺利进行。六、设计方案6.1无刷直流电机的基本结构无刷直流电机的设计思想来源于利用电子开关电路代替有刷直流电机的机械换向器。普通有刷直流电机由于电刷的换向作用，使得电枢磁场和主磁场的方向在电机运行的过程中始终保持相互垂直，这样能够产生最大的转矩，从而驱动电机不停地运转下去。无刷直流电机取消电刷实现了无机械接触换相，做成“倒装式直流电机的结构，将电枢绕组和永磁磁钢分别放在定子和转子侧。无刷直流电机必须具有由控制电路、功率逆变桥和转子位置传感器共同组成的换相装置以实现电机速度和方向的控制[5]。因此，可以认为无刷直流电机是典型的机电一体化器件，其基本结构由电动机本体、驱动控制电路及转子位置传感器三部分组成，如图所示。无刷直流电机的构成6.2无刷直流电机的工作原理普通直流电机的电枢在转子上，而定子产生固定不变的磁场。为了使直流电机旋转，需要通过换相器和电刷不断地改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转[6]。4/6无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上，而转子做成永磁体，这样的结构正好与普通直流电动机相反。然而即便是这样的改变仍然不够，因为直流电通入定子上的电枢以后，产生的不变磁场还是不能使电动机转动起来。为了达到使电动机的转子旋转的目的，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子磁场随着转子位置的不断变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持900左右的空间角，产生转矩推动转子旋转[7]。为了详细说明无刷直流电机的工作原理，下面以三相无刷直流电机为例。无刷直流电机原理图6.3系统的整体方案无刷直流电机控制系统主要包括硬件部分和软件部分。硬件部分又包括主电路、微处理器控制电路以及保护电路。软件部分主要由主程序和定时中断服务子程序组成[8]。无刷直流电机控制系统的原理图如图所示，该系统的控制器主要负责处理电流传感器和位置传感器电路送来的反馈信号，并发送控制命令产生电机驱动波形[9]。通过捕获单元捕捉电机转子位置传感器上的脉冲信号，从而判断转子的位置，然后输出合适的驱动逻辑电平给MOSFET驱动控制芯片1R2130，再由MOSFET管驱动电机旋转。控制器捕获位置传感器的脉冲信号后，计算电机的当前转速，并且与设定的转速对比，通过控制程序控制电机的转速跟随设定的转速。控制器经A／D及电流检测电路采集电机的电流，结果经PID算法产生合适的调制信号控制电机的电流，当出现过载、低电压或者驱动时序异常等情况时，驱动保护电路则可实现故障保护[10]。5/6系统总体方案框图6.4系统结构无刷直流电机通过软件实现全数字双闭环控制，无刷电机的速度控制结构图如图所示。速度反馈量与速度给定量形成偏差，经过速度调节从而产生电流参考量，与电流反馈量的偏差经过电流调节后形成PWM占空比的控制量，从而实现对电机的速度控制。电流的反馈是通过霍尔传感器检测直流母线电流来实现的。速度反馈则是通过霍尔位置传感器输出的位置量，经过计算得到的。位置传感器输出的位置量还用于控制换相。七.研究进度计划收集资料，研究本课题，并撰写开题报告2012.12-2013.1研究课题，仿真结果2013.2-2013.3初稿修改2013.3-2013.4定稿，准备答辩2013.4-2013.5参考文献[1]卢建强，孙培德，顾宝龙，关于旋转电机的分类及其总结，微机算机信息，2004，12：37～40[2]华建军.基于FPGA永磁同步电机控制器的研究[D]:[硕士论文].江苏:江南大学，2008.[3]吴红星，谢宗武，张强．基于DSP的电动机控制技术[M]．北京：中国电力出版社，2008.259[4]张洪涛．DSP在无刷直流电机控制系统中的应用：［硕士学位论文］．河北：河北工业大学电子物理系，20076/6[5]夏长亮．无刷直流电机控制系统[M]．北京：科学出版社，2009．25[6]廖无限，刘天磊．无刷电机驱动控制系统的研究[J]．株洲工学院学报，2005，15-19(1)：[7]王晓明，王玲．电动机的DSP控制[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2004．230～231[8]徐光辉,程东旭,黄如.基于FPGA的嵌入式开发与应用.电子工业出版社.[9]LucaMostardini,LucaBacciarelli,LorenzoBertini.FPGA-basedLow-costSystemforAutomaticTestsonDigitalCircuits[C].IEEEInternationalConferenceonElectronic,C