为了正常的体验网站,请在浏览器设置里面开启Javascript功能!

毕业设计论文-基于DSP的直流伺服电机控制器设计与实现

2017-10-01 34页 doc 60KB 76阅读

用户头像

is_314871

暂无简介

举报
毕业设计论文-基于DSP的直流伺服电机控制器设计与实现毕业设计论文-基于DSP的直流伺服电机控制器设计与实现 毕业设计论文-基于DSP的直流伺服电机控制器设计与 实现 南京理工大学 硕士学位论文 基于DSP的直流伺服电机控制器设计与实现 姓名:杨同杰 申请学位级别:硕士 专业:机械制造及其自动化 指导教师:韩军 20090525 硕二J:论文 基于DSP的直流伺服电机控制器设计与实现 摘 要 本文针对移动机器人运动控制器的要求,设计了一款基于DSP的无刷直流电 机伺 服控制器。 详细推导了三角形接法的无刷直流电机数学模型。阐述了数字式控制系统整 体方 ...
毕业设计论文-基于DSP的直流伺服电机控制器设计与实现
毕业论文-基于DSP的直流伺服电机控制器设计与实现 毕业设计论文-基于DSP的直流伺服电机控制器设计与 实现 南京理工大学 硕士学位论文 基于DSP的直流伺服电机控制器设计与实现 姓名:杨同杰 申请学位级别:硕士 专业:机械制造及其自动化 指导教师:韩军 20090525 硕二J:论文 基于DSP的直流伺服电机控制器设计与实现 摘 要 本文针对移动机器人运动控制器的要求,设计了一款基于DSP的无刷直流电 机伺 服控制器。 详细推导了三角形接法的无刷直流电机数学模型。阐述了数字式控制系统整 体方 案,解决了PWM、电子换相及锁相、电机电流、转速和位置等控制检测关键 技术问题。 推导了新的积分分离加积分修正系数的PID控制算法。 构建了基于TMS320F2812的无刷直流电机控制硬件平台。设计完成了DSP控制电 路和功率驱动电路,主要包括DSP芯片外围电路、IR2130三相逆变桥电路、PWM光耦 隔离电路、霍尔信号处理电路、光电编码器电路、电流采样电路和系统保护电路,并对 各部分电路功能做了详尽阐述。对硬件可靠性做了。 在CCS3(3环境下开发了控制系统C程序软件。编写了改进型PID控制算法程序、 M法测速程序、ADC电流采样数字滤波程序和电机换相程序。利用VC++6(O开发了伺 服控制器人机交互界面,实现了上位机与DSP的SCI串口通讯。 最后,以移动机器人为平台进行了系统实验,利用MATLABCCSLink工具获取了 DSP系统的详细实验数据,在MATLAB环境下绘制了速度阶跃响应曲线。对比了不同 PID参数下的系统响应状况,详细分析了实验中出现的各种问题。实验结果验证了控制 器硬件系统和软件系统的可行性,新PID控制算法的优越性。DSP控制器调试方便,升 级换代容易。 关键词:PID伺服控制,无刷直流电机,移动机器人,PWM,DSP,CCSLink Abstract 硕士论文 Abstract ThepaperpresentsaBrushlessDCMotorServoC ntrollerbasedonDSPinviewofthe requestofMobileRobot( ThemathmaticalmodelofBLDCMotorwithDelta-connectionWasdeducedindet ail( Thepaperxpaliatestheprojectofthewholedigitalcontrolsystem(Thekeyissuesofcontrol anddetectiontechnology,includingthePWM,ElectronicPhase(Exchangedand Phase-Locked,Motorcurrent、speedandlocation,havebeenresolved(Moreover,an w separationandcorrectionfactorofintegralPIDalgorithmWasdeduced( TheBLDCMotorcontrollerhardwareplatformbasedonTMS320F2812 Was constructed(TheDSPcontrolcircuitsandthepowerd ivingcircuitsweredesigned completely,whichmainlyincludedDSPchipperipheralcircuits,threephasinvertbridge circuitswithIR2130,PWMopticallycoupledisolatorcircuits,hallsignalprocessingcircuits, optical?electricityencoderci cuits, currentsamplingcircuitsandthesystemprotection circuits(Meanwhile,thefunctionsof variouscircuitswereelaboratedind tailandthe reliabilityofhardwareWasanalysed( ThewholeCsoftwareofthecontrolsystemWasdevelopedu ontheCCS3(3software developmentenvironment(TheimprovedPIDalgorithm, Mmethodofvelocitydetecting, ADCdigitalfi teraboutcurrentsamplingandPhase?Exchangedprocedureswerecompiled completely(Thehuman?computerinteractionWasdevelopedwithVC++6(0 (SOthattheSCI serialcommunicationbe weenhost-computerandDSPWasachievedsuccessfully( Finally,someexperimentsaboutthemobilerobotsystemwerecarriedout(T hedetailed experimentdataofheDSPsystemwereaquiredaccuratelywiththeCCSLinktoo ls,andthe differentstepresponseofthespeedweredrawclearly(Thecomparativeconditionofsystem responseunderdifferentPIDparameterswe eillutratedind tailandthevariousproblems apearedinthexperimentwereanalysedexhaustively(Thexperimentresult sverifiedthe feasibilityofthecontrollerhardwareandsoftwaresystemandtheadvantag eofthnewPID controlalgorithm(Itisveryconvenienttodebug, updateandupgradetheDSPcontroller( Keywords:PIDServoC ntrol,BLDCM,MoblieRob t,DSP,PWM,CCSLink lI 声 明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果,尽我所知,在本 学位论文中,除了加以标注和致谢的部分外,不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果,也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名:(趋】囝查、 弘7年钿舶 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档,可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容,可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文,按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名:趣国二墨、 一年6具册 硕上论文 基于DSP的直流伺服电机控制器设汁与实现 伺服控制伺服控制器、伺服电机是数控机床、机器人以及其他相关机械控制领 域的关键技术之一,是关系国家装备技术水平的关键部分。我们国家是一个制造业大国, 为了提升我国制造业技术水平,将我国发展成为制造业强国,必须重点研究各类重要生 产装备,尤其是伺服控制技术的应用和开发【?。 自上世纪八十年代以来,机器人技术得到了飞速的发展。机器人也是各国科学研究 的一个重要方向,它综合了精密机械制造、 仿生学、人工智能等多门基础与新型学科。 微电子电路、自动控制理论、传感器技术、 从某种意义上讲,机器人技术水平的高低, 可以体现一个国家的综合科学技术水平【2】。移动机器人是研究的热点之一,发展速度很 快,已被广泛应用于民用、工业以及军用等诸多领域。移动机器人的研究涉及机器人的 机械结构、体系结构、环境建模、导航定位、路径规划、运动控制、多传感器信息融合、 故障诊断、容错控制以及移动机器人导航控制平台等f31141。 运动控制系统是移动机器人平台的基础,它以机器人运动的驱动设备??电动机为 控制对象,以控制器为核心,以电力电子功率变换装置为执行机构,在自动控制理论的 指导下组成的电气传动自动控制系统,将电能转换为机械能,实现移动机器人的运动要 求15l。所以,运动控制技术的水平直接反映出了移动机器人平台性能的优劣。移动机器 人对运动性能的要求比较高,大多数运动控制系统主要采用的是伺服控制技术。 随着计算机以及微电子技术的的发展,全数字化伺服控制技术是未来控制领域主要 发展趋势。数字化机器人是未来机器人的发展方向。数字控制技术以其独特的优势已经 逐渐取代模拟控制,而且能够充分利用现代控制理论的研究成果,提高了控制技术的水 平,促进了控制理论的发展,给人类创造了巨大的经济和社会效益。 1(2课题研究背景、目的及意义 本课题来源于南京市科技局的“多功能移动机器人项目"。针对南京市科技局的项 目要求,结合当fjif移动机器人技术的发展状况,研究开发一种能完成特殊作业要求的移 动机器人。 该项目具体要求:移动机器人主要依靠履带传动,具有一定的越障爬坡能力, 车体 是一个基础平台,可以搭载相关的子系统,如:视觉系统、机械臂和一些特 种设备等。 该机器人能够完全替代人完成消防、反恐、侦查、探测、防爆等一些特殊作 业任务。运 动控制方式有自主控制和遥控两种模式可供选择。 移动机器人设计指标要求见表1(1所示: l 《士论文 表lJ移动机器A澄计指标要求 总体结构 腰带式 自重 ?25kg 载荷 20kg 结构指标 措载接口 二维随动搭载平台 地 结构尺寸 长×宽×高:700×400x3 0硼 面 移 驱动轮直径 190岫 动 机 平地最大速度 lm,s 器 人 平地正常速度 07m,s 载 体 机动指标 堆大通过坡度 30 4 楼梯通过能力 能通过普通标准楼梯 转向能力 能原地零半径转向 续航能力 l小时以上 搭载 调炮速度 20。,j 机动指标 平台 调炮加速度 30。,52 该移动机器人的三维模型如图11所示 幽?机器人三维模型 该移动机器人的动力是由无刷直流伺服电机提供的。该电机体积小,控制方式灵活, 广泛应用于机器人领域。电机必须配备相应的伺服控制器才能『F常工作,因此电机伺服 2 硕士论文 基于DSP的直流伺服电机控制器设计与实现 控制器性能直接关系到移动机器人的运动性能。本文的主要任务就是设计一款合适的伺 服控制器。 随着电子技术的发展,微机和数字控制芯片的运算能力和可靠性得到很大提高,以 单片机为控制核心的全数字化控制系统不断的取代传统的模拟器件控制系统。单片机以 数字控制能力强为特点,但只能处理信息量不大的简单系统。DSP以运算速度快为显著 特征。现代的电机控制要求控制器有强大的I,O控制功能,又要求控制器有高速的数字 信号处理能力以实现实时控制。因此世界上各大DSP厂商将DSP与单片机相结合,开 发出了电机控制专用DSP。而且,DSP的价格不断下调,开发工具也越来越方便,所以, 以DSP为核心的电机控制器是未来电机控制领域的主要发展趋势。因此研究开发一款 DSP电机控制器是非常有意义的。 本文就是以TI公司TMS320F2812为核心,设计一款移动机器人的无刷直流电机伺 服控制器。 1(3伺服控制系统发展趋势 伺服系统又称为随动系统,是构成自动化体系的基本环节,是有若干元件和部件组 成的俱有功率放大作用的一种自动控制系统f6】。按组成系统元件的物理性质可分为电气 伺服系统、电气(液压伺服系统和电气(气动伺服系统。电气伺服系统又分 为直流伺服系 统和交流伺服系统。上世纪70年代是直流伺服应用最广泛的年代,直流电动机调速范 围宽,启动停止方便,转矩大,系统消耗能量小广泛应用于对控制性能要求比较高的伺 服系统中。随着微处理器、大功率半导体器件和永磁材料制造工艺的发展,80年代交流 伺服电动机逐渐成为交流伺服控制的主导产品。在过负荷特性和低惯性方面交流伺服电 机表现优越,机械结构相对直流电机简单,可靠性高,交流伺服控制技术已有逐步取代 直流伺服驱动技术的趋势,成为工业控制领域的基础技术之一。 总起来看,伺服系统的发展趋势主要集中在以下几个方面|61【7l: 1交流化 伺服系统将逐渐由直流伺服转向交流伺服。目前市场上的主流伺服产品都由交流伺 服系统占据,尤其是在工业发达国家,如美国、日本等,交流伺服产品的市场占有率超 过八成以上。直流伺服主要应用在精巧的机器人控制系统中。 2微型化 采用高速微处理器和高性能数字信号处理器DSP作为伺服控制核心的控制策略, 逐步取代模拟控制方式。随着现代制造工艺的技术发展,伺服控制单元的体积将越来越 小。嵌入式的微型伺服控制系统将发挥巨大的作用,伺服控制方式主要有软件伺服来实 现,从而使在伺服系统中使用现代控制理论算法成为可能。这种嵌入式的微型系统拓展 了伺服系统的应用范围,促进了伺服系统多样化的发展。 3 l绪论 硕士论文 3智能化 现代的伺服控制系统采用各种人工智能控制理论,如人工神经网络、专家系统、模 式识别等方法,具有自适应、自学习、自优化、参数自整定的灵巧性智能特性。闭环控 制系统的参数调整可以有系统自己来调节达到最优的性能,缩短了参数调整的时间。这 种智能化的伺服系统对应用人员的技术要求比较低,无需专业人员来对系统进行反复调 试,这正迎合了广大使用伺服系统的用户要求。 4集成化 应用超大规模集成电路、数字模拟集成电路、光机电一体化技术、软件模块技术等 软硬结合的组合技术,将伺服控制单元的所有控制模块集成在一起,只需通过调整软件 的参数设置就可以轻松实现各种控制模式,减少了外扩模块,提高了整个系统的可靠性。 这种集成化的伺服控制系统可以满足不同用户的需求,提高了产品的市场竞争力。 5网络协同化 随着网络技术尤其是Internet、Intranet、Extranet和Web等技术的发展,在工业控 制领域已由一对一的伺服控制方式变为由多个伺服控制器通过各种接口技术组合成一 个伺服控制网络,各控制器之间可以进行数据交互协同工作,在上位计算机的监控下完 成复杂的控制模式。这种多机协同工作模式是未来伺服控制的主要发展趋势。目前这种 工业控制网络在国外发展十分迅速,国内则处于起步阶段,具有很大的发展空间。 1(4 国内外伺服控制系统研究现状 上世纪70年代,我国伺服控制系统主要研究力量集中在高等院校、科研院所,以 军工、航空宇航为应用对象,不考虑成本因素。主要研究所有北京机床所、西安微机电 研究所、中科院沈阳自动化研究所等。80年代以后开始进入工业领域,直到2000年国 产伺服停留在小批量、高价格、应用面狭窄的状态,并且技术水平和可靠性较低难以满 足工业需要。2000年以后,国内伺服产业近年来发展十分迅速,已经涌现出了许多有名 的自主品牌,如南京埃斯顿、森创和利时电机、华中数控、广州数控、兰州电机厂、 华大电机、航天数控、蓝天高精数控等。华中数控、广数、航天数控、蓝天高精 数控主要集中在数控机床领域。南京埃斯顿公司研制的五轴联动数控机床的“高速、高 精度交流伺服系统”_ProNet系列产品是国产高档伺服产品,打破了欧美产品一统天下 的局面。[all91 国际上主要知名的伺服控制系统研发厂商主要有日本品牌三菱电机、松下、富士、 三洋、安川、发那克等;美国RockwellAutomation、Danaher、Parker、爱默生控制技术 公司等;德国西门子Siemens、博世力士乐BoschRexroth;法国施耐德Schneider 等。其中日本品牌以良好的性能价格比和较高可靠性占据了国内几乎近一半 的市场,尤 其是在中小型市场具有垄断优势。欧美品牌在高端产品、生产线上有较强竞争力,其市 4 ‘ 硕士论文 基于DSP的直流倒服电机控制器设计与实现 场策略是高性能、高价格,以全套自动化解决作为主要特点f8l。 国内外伺服控制器的水平主要体现在三个方面:硬件方案、核心控制算法以及应用 软件功能。 国内的伺服控制器所采用的硬件平台和国外产品没有太大的差距。国内伺服控制器 的差距主要体现在控制算法和二次开发平台的易用性方面。尤其是在全数字化的高性能 伺服驱动技术方面还有很大差距,已经成为我国发展高性能数控系统产业的“瓶颈”问 题。国外的产品提供了比较好的产品升级功能及良好的软件开发环境,降低了对开发人 员的要求,在一定程度上促进了产品的市场推广。同时提供了丰富的通讯接口可以方便 的与其他设备进行数据交互,人性化好【1o】。 进入2l世纪后国家十分重视自主创新,国家将自主创新的重大科技攻关项 目列入 “十五"及“十一五"。在国家的大力推动下,我们国家的伺服控制系统取得了巨 大的进步。尤其是“神州七号"载人航天飞船项目的成功完成,国内企业及研究院所更 加坚定了自主创新的能力和信心。相信不久的将来一定会有更多国内品牌涌现出来。 1(5本文主要研究内容 本文主要的研究内容及章节安排如下: 第一章首先介绍了本课题来源及研究意义,介绍了国内外伺服控制系统的研究现 状及发展趋势,概括了本文各章节的内容安排。 第二章 介绍了无刷直流电动机的工作原理和几种常用的转子检测装置以及功率 电子驱动方式,推导了电机三角形接法的数学模型,得出了电机的动态结构图。 第三章介绍了控制系统的整体方案,PWM数字控制方式,电机换相技术,电流、 速度和位置检测技术。介绍了一种改进的数字PID控制算法,控制器动态参数设计 方法。 第四章 设计实现了控制系统硬件电路,并对各重要电路及元器件参数选型 做了详 尽阐述。 第五章详细阐述了控制系统的软件设计方法和各主要功能模块的功能,并给出了 程序流程图和详细程序代码。 第六章在前几章硬件和软件设计的基础上,对系统进行了硬件和软件调试,并给 出了实验结果,验证了系统方案的正确性。 最后对本文做的工作进行了总结,并对后续研究工作进行了展望。 2无刷直流电机工作原理及数学模型 硕士论文 2无刷直流电机工作原理及数学模型 本章主要介绍无刷直流电动机的结构,主要包括本体结构、位置传感器、电子换相 驱动装置,并建立了电机三角形接法的数学模型。 2(1无刷直流电动机的基本结构Ill--J5l 无刷直流电动机BLDCM,BrushlessDirectCurrentMo or是随着电子技术、功率 半导体技术和高性能的磁性材料制造技术的飞速发展出现的一种新型电机,目前主要应 用于家电、汽车、航空航天、医疗设备及工业自动化等领域。它主要由电动机本体、转 子位置传感器和功率电子开关电路组成的机电一体化系统。无刷直流电动机 应该属于交 流电动机范畴。电器原理框图如图2(1所示。 图2(1无刷直流电动机原理框图 2(1(1 BLDCM本体结构组成 电机本体主要部件有安装在电枢绕组的定子和带有永磁极的转子。它们首先必须满 足电磁方面的要求,保证在工作气隙中产生足够的磁通,电枢绕组必须通过一定的电流, 以便产生一定的电磁转矩。其次要满足机械方面的要求,保证机械结构牢固和稳定,能 传递一定的转矩,并能承受一定环境条件的考验。此外,还要考虑节约材料,结构简单, 紧凑,运行可靠和温升不超过规定的范围。 1定子主要由放在内侧、带有绕组的电磁碟片构成。绕组可以有多种缠绕方式, 不同的绕组将会产生不同的电磁场,表现出不同的性能,丰富了电机的种类。 2转子采用永磁材料,不同的电动机有2,8对磁极。根据转子磁场密度的要求 不同,选择不同的磁质材料。转子结构的不同主要在于磁钢形式,通常分为表面粘贴式 磁钢和内嵌式磁钢两类。 电机主要有两种不同类型的定子绕组:一种产生梯形反电动势和梯形相电 流,称为 梯形电动机,习惯上称为无刷直流电动机BLDCM;一种产生正弦波反电动势和正弦 波相电流,成为正弦波电动机,习惯上称为永磁同步电机PMSM。本移动机器人选 用的是两磁极三相无刷直流电动机。 6 硕士论文 基于DSP的直流伺服电机控制器设计与实现 2(1(2BLDCM转子位置检测装置 无刷直流电机要实现正反转,并产生一定的平均电磁转矩,必须根据转子位置信号 确定电枢绕组的正确换相,使得定子电枢绕组所产生的磁场与转子的旋转磁场在空间始 终保持在900电角左右的范围内。转子位置传感器目前主要有敏感式、耦合式、谐振式 和接近式等。 1敏感式位置传感器是利用敏感元件来感受转子位置信息,并输出电信号去控 制各相绕组的导通顺序。常用的敏感元件有光敏元件光电二极管和光电三极管等和 磁敏元件如霍尔元件、磁敏二极管和磁敏三极管等。 2耦合式主要有变压器耦合即磁电式和高频空心线圈耦合等。 3谐振式是利用电感和电容等元件组成的谐振电路,当满足谐振条件时,输出 信号最强,以此控制电枢绕组的导通或关断。 4接近式是利用接近某物而动作的原理组成的一种位置传感器,如接近开关等。 由于永磁无刷直流电机的转子是永磁体,因此常用磁敏式霍尔位置传感器检测转子 位置。每相绕组有一个霍尔传感器,各相绕组对应的霍尔位置传感器输出的逻辑信号经 过逻辑运算处理后,可以实现功率控制器上的开关通断顺序控制。 2(1(3BLDCM功率电子驱动装置 无刷直流电动机需要用功率电子开关器件组成的功率驱动器才能工作。功率驱动器 的结构与相数和驱动方式有关。常用的有以下几种驱动方式: 1半桥驱动电路 它的特点是绕组采用星形接法,中性点接地,每相绕组采用一个功率开关器件控制, 绕组中的电流方向不能改变,因此绕组产生磁场的方向也不能变化,在一个3600电角周 期内每相绕组导通一次。如图2(2所示: 图2(2半桥驱动电路 2三相星形电路 它的特点是功率开关器件的数目等于绕组相数的2倍,每个绕组的首端与一个桥臂 相连。电机有6个通电状态,每一状态都是两相同时导通,每个晶体管导通角为180。, 电枢合成磁场是由通电的两相磁场所合成的。功率器件按照一定的导通顺序通电,电机 7 2无刷直流电机工作原理及数学模型 硕士论文 就会旋转起来。如图2(3所示: U 图2(3三相星形电路 3三相三角形电路 三角形接法跟星形接法的开关电路是一样的,只是电机绕组接法不同,三相绕组首 尾一次连接。它的特点是任何此状态下电枢绕组全部导通,总是某两相绕组串联后再与 另一组绕组并联,只是各相通电顺序与电流流过的方向不同。电枢合成磁场是由通电的 三相磁场所合成的。如图2(4所示: U 图2(4三相三角形电路 本课题选择的无刷直流电动机绕组是三角形接法,因此功率驱动电路采用三 相三角 形电路。 2(2 BLDCM工作原理 由于此无刷直流电机反电势为梯形波,电枢绕组控制电流为直流电流,因此通常采 用两两通电模式来控制三相无刷直流电机的运行。每次电动机换相都会通过一相提供电 源输入电流流入该相,另一相提供电源输出电流从该相流出。定子绕组流过的电 流通过铁心产生的磁场和转子永磁体之间的相互作用,从而产生旋转力矩。理想情况下, 当两个磁场正交时产生的力矩最大,重合时产生力矩为零。为了使电机连续旋转,定子 绕组就必须产生旋转的磁场。下面介绍三相两极无刷直流电机两两通电模式、导通1200 电角的工作原理。 由图2(4所示,其特点是在所有的磁状态中,电枢绕组全部通电,仅是各相通电顺 R 硕上论文 基于DSP的直流伺服电机控制器没计与实现 序和电流流过的方向不同。顺时针旋转时,绕组的通电顺序为U,,WV、W仇?、V删、 U胛W、W,M7、v,WU。其中U俐表示W相绕组与V相绕组串联以后再与u相绕 组并联,其余类推。如假定流过A相绕组的电流为I,则流过B、C相绕组的电流分别 为耽。以U‖WV为例,电枢合成转矩如图2(5所示。 电机旋转一周共有六次绕组换相,相邻两次换相时刻转矩夹角600。按照规定的顺 序依次循环下去,电机就可以旋转起来。从图2(5可以看出无刷直流电动机的转矩是脉 动的,输出的转矩是一个平均转矩。转矩的脉动是无刷直流电机一个共性问题。 TI1(5Tu Tl TV TI 图2(5绕组合成转矩图 T? TII 2(3 BLDCM数学模型 本文选用的三相无刷直流电机定子电枢绕组是三角形接法,采用两两导通模式。现 以电机本身的相变量建立电机的数学模型,既简单又有较高的准确度,为了 便于分析, 现在假设:15J[”1116,191 ?定子三相绕组完全对称,空间互差1200电角度,参数相同; ?转子永磁体产生的气隙磁场为梯形波,三相绕组反电势为梯形波,波顶宽 度 1200电角度; ?忽略定子铁心齿槽效应的影响; ? 忽略功率器件导通和关断时间的影响,功率器件的导通压降恒定,关断后 等效 电阻无穷大; ? 忽略定子绕组电枢反应的影响; ? 电机气隙磁道均匀,认为磁路不饱和,不计磁滞损耗与涡流损耗。 根据图2(5可得到三相绕组的电压方程如下【31: 屹 ‰ U1(, R 0 0 R O O + 厶kk k厶厶,,(, kk厶。 + 巳 乞 乞, 2(1 9 (屯(0(0;iooo业 O 0 R 2无刷直流电机工作原理及数学模型 硕士论文 [三][言昙墨][兰]+[考兰钥?尸[兰]+[|i!:]c22, 疋:墨:?1(sE?,L 2-3 疋一乃丽GD2鲁 2(4 uo:R,,o+,+2M望冬2+Ef 2(7 硕士论义 基j二DSP的直流伺服电机控制器设计与实现 乃型R 为电枢回路的电磁时间常数,单位s;L』37兰5芝舍为电力拖动系 统I 。 ‘“ kPk7 的机电时间常数,单位s,则式2(4、2(7整理得: ?M?毡?卅巧警 2(8 m?-It鼍警 2(9 式中:1Lf瓦,kr为负载电流。 由于反电势与电机转速成反比E七。n,而电磁转矩与电流成正比疋kr』f。代入 式2(7,并对式2(7进行积分,则得到无刷直流电机的机械特性方程为: n芒一去t 2(101k kek一一‘』。 I厶UJ, 7’ P 、 。 从式2(10可以看出无刷直流电机理想状态下的机械特性与有刷直流电机在恒定 励磁条件下的机械特性完全相同。 在零初始条件下,对式2(8、2(9取拉氏变换得: 坐! :型旦 f,2(11一一 l二(Us一EsT,s+1 坠! :生 2(12 (fs一Its』:s 由式2(1和式2(12可得无刷直流电动机的动态结构图为: 图2(6无刷电机动态结构图 从电机动态结构图可以看出,无刷直流电动机的动态结构图与普通有刷直流电动机 的完全相同,数学模型也是类似的。因此,无刷直流电动机的控制系统设计完全可以借 鉴普通直流电动机的设计方法。 本课题选用的无刷直流电机详细参数见表2(1所示: 2无刷直流电机工作原理及数学模型 硕士论文 表2(1无刷电机参数 电机参数 额定电压V 36 空载转速r,min 10900 空载电流mA 1060 额定转速r,min 10200 额定转矩mNm 283 额定电流A 9(95 最大效率, 85 堵转电流A 175 堵转转矩mNm 5470 电机常数 相间电阻Q 0(206 相间电感mH 0(0883 转矩常数mNm,A 31(2 速度常数rpm,V 306 速度,转矩常数rpm,mNm 2(0l 机械时间常数ms 4(40 转子惯量gem2 209 2(4本章小结 本章主要阐述了无刷直流电动机的基本结构组成、常用的转子位置检测装置 和几种 常见的功率电子驱动装置。对三相两极无刷直流电动机三角形连接模式的工 作原理以及 数学模型进行了详细探讨。推导出了无刷电机的动态方程式和动态结构图。为控制系统 的设计和系统性能分析提供了理论依据。 12 硕士论义 基于DSP的直流伺服电机控制器设计与实现 3控制系统整体设计 本章主要介绍基于DSP伺服电机控制器的整体设计方案,以及相关难点的技术解 决方案。以DSP为核心的全数字式伺服控制系统,使系统在精度、灵活性、功能上以 及可靠性上都有很大的改进,很容易实现模拟系统中一些根本不可能实现的功能。但是, 由于其灵活性很高,因此如何设计一个实用的控制系统是现在面临的主要问题。 3(1控制系统的整体方案 控制系统的整体方案系统框图见图3(1。 图3(1系统总体框图 下面对图3(1各个部分做下详细介绍: 1上位机:主要完成与下位机的实时信息传递,便于对控制器参数的调整,以 利于控制系统的调试。 2DSP核心控制板:采用TI公司TMS320F2812核心控制芯片搭建控制板。主 要完成PWM信号的生成,ADC模块采样电机反馈电流信号,QEP正交编码模块采集 光电编码器反馈信号,CAP模块捕获霍尔传感器输出的转子位置信号,SCI和CAN模 块主要用来实现与上位机的实时通讯。DSP核心控制板是控制系统最重要的部分之一。 3功率驱动部分:采用功率开关管搭建电机的能量输出电路。主要采用IR2130 智能电机驱动芯片和IRF640型MOSFET构建三相逆变桥。本部分电路的质量直接关系 到整个控制系统的优劣。尤其是自举电容的选择,下一章将详细阐述。 4信号处理部分:采取适当的措施处理电机的反馈信号,例如:电流采样信号、 霍尔传感器信号和正交编码器信号,去除有害噪声,电平转换,保证反馈的信号可靠的 反馈到DSP核心控制板。此部分是控制系统实现闭环控制的主要环节,信号质量的优 劣直接关系到伺服控制的精度和能否成功实现。第四章将给出具体的信号处理电路。 5电机保护部分:此部分主要完成电机运行过程的实时保护,电机的过压、欠 压和过电流保护,逆变电路控制信号的逻辑错误检测。 3控制系统整体设计 硕士论文 6BLDCM无刷直流电机:控制系统采用的是ON公司的EC45系列,250W 无刷直流电动机。第二章已经给出了电机的详细参数。 3(2 PWM直流伺服控制技术 基于高性能TMS320F2812芯片生成PWM控制信号来完成电机的伺服控制。整个 控制系统包括位置坏、速度环和电流环【20J【211,如图3(2所示: 图3(2闭环控制框图 各环节工作过程如下: 1上位机通过串口向DSP发送位置给定指令。DSP根据接收到的位置指令,通 过位置环、速度环和电流环的调节来控制电机快速稳定的运行到某一特定位置。 位置环采用积分分离PID控制器,当反馈位置信号与给定位置偏差较大时,只有比 例起作用,快速响应系统输入,取消积分作用,以免由于积分作用使系统超调量增大, 反馈位置接近给定位置时,引入积分作用,以便消除静差,提高控制精度。 2速度环采用积分分离加积分修正系数的PID控制器,提高系统的相应快速性, 减小系统的震荡,显著减小系统的超调。采取此方法可以实现无静差的控制 系统,减小 转矩脉动对电机转速的影响,提高电动机的机械特性硬度,稳定电机在恒速运动时的机 械特性。 位置环的输出作为速度环的输入,它限制了电机的转速。当电机开始启动时,由于 位置误差比较大,位置环输出限幅在系统允许的最大速度,电机在这个速度值下快速接 近目标位置,在这个过程中,速度环的任务就是维持电机的转速恒定,减小系统外的扰 动对电机转速的影响,此过程中积分修J下系数主要起到减小控制器的饱和程度,缩短系 统的饱和失控时间,提高系统的控制性能。 速度的检测精度和实时性直接影响系统的闭环工作效果,影响电机的运行性能,甚 至不能正常工作。 3电流环采用PI控制器,通过DSP的ADC转换实时采样电机的电流值实现电 流的反馈。当电机需要频繁的正反转启动运行,需要尽量缩短启动、制动和反转过渡过 程的时间,用加大过渡过程的电流及加大动态转矩来实现,从而加快系统的动态响应。 14 硕:|j论义 基于DSP的直流伺服电机控制器设计与实现 在启动过程时间内维持电流为系统允许的最大值不变,以最大转矩来加速到系统要求的 转速,在系统达到稳态转速后电流急剧减小到负载所需要的电流值,从而缩短了电机的 启动时间,充分利用电机的过载能力,获得最快的动态响应速度。同时,它也对电机起 到了一定的保护作用,限制电机的最大电流值,防止转矩的剧烈波动而损坏电机,提高 系统抗电源波动和负载扰动的能力。 电流环根据速度环的输出通过PI控制快速跟随速度的变化调整逆变器输出的电压, 稳态无静差。电流环的存在使系统性能得到很大提高,提高了系统的可靠性。 3(3 DSP核心控制芯片 DSP在伺服系统中的主要任务,概括起来就是实时接收输入数据,根据伺服系统的 控制规律进行实时计算、处理、逻辑判断和存储,最后实时输出数据122】。因此DSP的 性能直接关系到系统能够达到的最高控制性能,选择一款适合自己系统的核心控制DSP 芯片是首要解决的问题,整个控制系统都是围绕DSP来设计的。 3(3(1控制芯片选型 数字信号处理器DSP是伴随着微电子技术的发展和数字信号处理器电路与技术的 不断完善,迅速发展起来的现代高速数字处理单片机,是电子信息领域的新型高科技产 品。123’25] 从80年代初DSP产品推出以来,其发展迅速,生产厂家众多,产品种类繁多,工 作速度不断提高。目前,市场上常见的DSP芯片有美国TI公司生产的TMS320系列, AD公司的ADSP系列,MOTOROLA公司的DSP系列,日本NEC公司的PD系列以及 LUCENT公司的DSP系列。这些产品在性能上差别不大,但因货源和开发环境的原因, 国内应用最普遍的是TI公司的TMS320系列,其次是AD公司的DSP系列。特别是TI 公司由于发展快、品种多、芯片内部资源丰富、支持软件完善而独占鳌头,连续四年在 同行也中业绩第一,市场占有率为45,。 目前我国DSP产品主要来自于海外。相对国外DSP的应用开发的情况,我国的差 距很大。近年来,在国内DSP的一些专用用户推动下,我国的DSP应用逐渐 发展起来, 但大多数公司只是依靠TI公司而建立起来的公司,称为TI的第三方,做一些DSP开发 工具,或者做DSP硬件平台开发和应用软件开发。 ‘ 由于TI公司的产品在国内的应用最广泛,各方面的配套服务比较齐全,因此本文 选择TI公司的DSP作为本控制器的核心。同时TI公司提供了优质的开发环境和一些常 用的函数库,为用户提供了很多详尽的C程序例程,方便了设计者的程序设计,缩短开 发周期。 TMS320C2000系列是专用DSP控制平台。在这个平台上最有代表性的是24系列 3控制系统整体设计 硕士论文 的TMS320LF2407A和28系列的TMS320F2812。28X系列是目前控制领域性能最好的 定点处理芯片,为了跟上技术的发展和后续的系统升级换代,选用TMS320F2812芯片 作为核心控制芯片。 3(3(2DSP芯片TMS320F2812特点 TMS320X28xx系列数字信号处理器是32位的信号处理器,28xx281x, 280xDSP整 合了DSP和微控制器的最佳特性,能够在一个周期内完成32x32位的乘法累加运算, 或两个16x16位的乘法累加运算,能够完成64位的数据处理,从而使该处理器能够实 现更高精度的处理任务。快速的中断响应使28xx能够保护关键的寄存器以及快速更 小的中断延时的响应外部异步事件。28xx有8级带有流水线存储器访问的流水线保护 机制,因此,28xx高速运行时不需要大量的快速存储器。专门的分支跳转 Branch(100k-ahead硬件减少了条件指令执行的时间,条件存储操作更进一步提高了 28xx的性能。126-281 TMS320F2812芯片的主要性能: 1高性能CMOS技术,150MHz时钟频率6(67ns时钟周期,低功耗设计核 心电压为1(8V@135MHz,1(9V@150MHz,I,O端口位3(3V。 2高性能CPU,16x16位和32x32位乘法累加运算,增强型的哈佛总线结构, 强大的操作能力,迅速的中断响应,代码效率高兼容C,C++或者汇编语言。 3片上存储器,128Kxl6位Flash存储器,lKxl6位的OPT型只读存储器,两 个4Kxl6位的单口随机存储器,1块8Kxl6位SARAM,两块1Kxl6位的SA洲。 4外部中断扩展PIE模块,可支持45个外部中断。 5三个32位CPU定时器。 6马达控制外设,两个事件管理器EvA,EVB,与240xA器件兼容。 7串行接口外设,串行外设接口SPI,两个串行通信接口SCI,标准的UART, 增强型局域网络控制器eCAN,多通道缓冲串口McBSP。 812位ADC,16通道,2个8通道的输入多路转换器,两个采样保持器,单 个 ,双路同步采样,高速通道转换速率:80ns,12MSPS。 9最多可有56个可编程通用输入,输出GPIO引脚。 10高级仿真性能,分析和设置断点的功能,实时的硬件调试功能。 11开发工具,ANSIC,C++编译器,汇编器,连接器,DSP,BIOS,JTAG扫描 控制 器,广泛的第三方数字电机控制支持。 3(3(3TMS320F28l2内部功能模块利用 表3(1给出了系统中主要用到的TMS320F2812内部资源。主要用到了事件 管理器 EVA、ADC模块和SCI串口模块。 16 硕上论文 基于DSP的直流fuJ服电机控制器设计与实现 表3(1TMS320F2812利用的主要功能模块 定时器l,连续增减计数模式 事件管理器EVA 全比较单元l~3,产生6路PWM信号 捕获单元l~3,捕捉换相时刻 CpuTimer0 3ms检测中断,检测电机转速 l路电流模拟信号输入 ADC A,D启动停止模式,SEQI 信号过采样 SCI 与上位机通信,波特率9600 定时器4 事件管理器EVB QEB正交编码模块 各模块的详细应用将在第五章软件设计里面做详细介绍。 3(4无刷直流电动机控制策略 3(4(1数字式控制系统 随着微处理器的出现及运算速度的提高,控制系统也由原来的以模拟量反馈、模拟 控制器为核心的连续控制系统过渡到以数字量处理为主、以高速信号处理器为控制核心 的数字控制系统。特别是当前网络技术主要是现场总线技术在工业领域的普及和发 展,就更加确定了数字控制的主导地位【51。 控制系统中无刷直流电动机作为控制对象。PWM控制信号经过隔离后控制三相逆 变桥的开通和关断来控制电机的运行。传感器包括:霍尔传感器检测转子位 置,增 量式光电编码器计算电机转速和控制位置和电流采样电阻,这些传感器的信号经过 处理后反馈到DSP控制器。作为DSP数字控制器的TMS320F2812接受上位机控制指令 和反馈信号,按一定的控制策略和算法,实时的控制电机的运行。数字式控制系统传动 结构框图如图3(3所示。 数字式控制系统的主要特点f51: 1控制系统集成度高,硬件电路简单而且统一,可靠性高,可重复性好,对于 不同的控制对象和控制要求,只需改变控制算法软件即可,可以实现用同一控制器即可 控制直流电动
/
本文档为【毕业设计论文-基于DSP的直流伺服电机控制器设计与实现】,请使用软件OFFICE或WPS软件打开。作品中的文字与图均可以修改和编辑, 图片更改请在作品中右键图片并更换,文字修改请直接点击文字进行修改,也可以新增和删除文档中的内容。
[版权声明] 本站所有资料为用户分享产生,若发现您的权利被侵害,请联系客服邮件isharekefu@iask.cn,我们尽快处理。 本作品所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用。 网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽..)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。

历史搜索

    清空历史搜索