北京永光高特微電機有限公司
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基于DSP的無刷直流電動機實驗平臺設計

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:259

摘  要:通過對無刷直流電動機調速系統基本原理和控制方法的研究,結合數字信號處理器TMS320LF2407的特點,設計了一種小功率無刷直流電機調速系統實驗平臺,論述了平臺的軟、硬件設計,該實驗平臺能滿足對無刷直流電機研究需要。

0  引  言

   永磁無刷直流電動機(BLDCM)具有同步電動機的結構,故而簡單、牢固、免維修;又具有普通有刷直流電動機的調速性能,且調速性能優良。它在家用電器(特別是在空調器中的應用,國外有人稱之為直流變頻)與伺服系統中的應用,充分顯示了優越性。對這一系統實驗平臺的研制將使無刷直流電動機的普及應用有很好的前景。

1  基于DSP的實驗平臺系統功能

   該調速系統由稀土永磁方波電動機、轉子位置傳感器、轉速傳感器(光電編碼器)、逆變器以及以DSP(TMS320F2407)為核心的數字控制器等構成。系統已配備與上位機通訊的接口和軟件,用戶選用上位機后,可以方便地在上位機人機界面上進行實驗操作、觀察和記錄實驗曲線。

   本實驗平臺能夠實現無刷直流電動機調速系統和伺服系統研究要求。其功能要求主要包括:BIDCM系統內容,數據采集的虛擬儀器功能,控制平臺功能,可靠性和安全性要求。

1.1  BLDCM實驗平臺研究內容

   實驗平臺研究內容包括調速系統和伺服系統。調速系統性能研究,主要包括穩態誤差與動態特性研究;在不同控制策略下,系統性能研究;有(無)位置傳感器,系統性能研究;不同系統結構對系統性能的影響;其它相關研究。

   伺服系統研究要求:系統穩態誤差、動態性能研究;定位性能與跟隨性能研究;控制策略對系統性能影響研究;其它相關研究。

1.2虛擬儀器功能

   要7求具有虛擬示波器功能,減少對傳統儀器如示波器的依賴,具體要求如下。

   數據采集:能采集多路信號,同時能采集兩路數據信號,采集數據量程選擇,采集數據類別選擇。

   數據曲線顯示分析:支持各通道數據顯示,支持顯示顏色設置,支持各通道數據讀數功能,支持曲線縮放功能和隱蔽功能,支持曲線移動功能和暫時存儲功能。

數據保存:支持存儲原始數據,支持存儲數據曲線。  

數據打開:支持打開實驗數據文件。

1.3  控制平臺功能

   用戶可以在計算機上操作無刷直流電動機的調速系統和伺服系統,包括起動與停止。用戶可以在計算機上修改實驗參數,設置BIDCM系統模式,控制方式;用戶可以在計算機上觀察BLDCM系統運行狀態信息,數據采集信息等。

1.4較強的可靠性及安全性要求

   系統應擁有一定的錯誤檢測機制,例如應擁有過壓與過流檢測功能及數據通信錯誤檢測功能。系統應擁有一定的自我保護能力,例如系統模塊保護、過壓與過流保護措施等。

2  BLDcM系統實驗平臺硬件設計

2.1  基于TMS320LF2407的BLDCM實驗平臺

   BLDCM實驗平臺的所有控制調節,包括電流環控制、轉速環控制、電機換向等全部由軟件來完成,最后直接輸出邏輯電平型的PWM控制信號,驅動MOSFET功率模塊。電流反饋信號經電壓跟隨送給TMS320LF2407內的ADC,轉換為數字量,構成電流環。轉子位置光電信號隔離后送人DSP的CAP單元,經處理后,得到電機的速度和方向,從而完成速度環的閉環控制。

2.2端電壓檢測電路

繞組反電勢是難以直接測取的物理量。要測取反電勢過零信號,只能通過測量三相端電壓信號來間接獲取。實驗平臺采用了如下的端電壓檢測電路,如圖1。

 圖1端電壓檢測電路

2.3  電流檢測

   為實現電流斬波控制和過流保護,必須對相電流進行檢測。本系統采用霍爾電流傳感器作為電流檢測元件,其最大的優點是測量精度高、線性度好、響應快速,并可做到電隔離檢測。電流檢測電路如圖2所示。

   圖2  電流反饋檢測電路

2.4  保護電路

   TMS320LF2407提供的PDPINT(電源驅動保護中斷)引腳就是為監控系統的可靠運行而設計的。利用該引腳可以監控BLDCM系統的各種異常信息,如過壓、過流、過熱等。其電路如圖3。

    圖3  系統保護電路

   圖3中,過電流、過電壓和功率元件過熱故障由與門綜合后,經過光電隔離輸入TMS320LF2407的PDPINT引腳。當出現以上故障時,與門輸出低電平,相應的PDPINT引腳被拉低,此時TMS320LF2407定時器立即停止計數,所有PWM輸出管腳全部為高阻狀態。同時向DSP內核發出一個中斷請求,通過CPU有異常情況發生。

2.5上位機顯示與控制

   本系統作為實驗研究平臺,要求不僅可以通過上位機操作界面實現對無刷直流電動機的各種控制方式下的運行操作,同時電機運行過程中,轉速、扭矩、電流及位置等都要在上位機上顯示。TMS320LF2407自帶的SCI接口可以采用RS232通訊方式完成與上位機的通訊功能。上位機采用VB高級語言編輯操作界面,實現系統操作和顯示功能。

3  控制策略與軟件實現

   無刷直流電動機實驗平臺軟件主界面見圖4。實驗平臺控制的軟件設計,主要包括以下幾個方面:

圖4無刷直流電動機實驗平臺軟件主界面

   a)相電流和相電壓的A/D采樣模塊;b)轉子位置估算模塊;c)數字PI調節器模塊;d)系統故障保護。  

   實現基于DSP的BLDCM控制方案的核心在于系統的軟件設計。良好的軟件結構是控制方法實現的有效保證。該系統軟件流程如圖5所示。

   圖5  主程序流程圖

系統軟件含兩大模塊:初始化模塊和無傳感器方式運行模塊?,F闡述初始化模塊:

   初始化模塊主要完成系統時鐘、看門狗、I/O端口、系統中斷、事件管理器的各個控制寄存器及其中斷等的設置,以及軟件中各變量的初始化和輔助寄存器的設置等功能。具體的設置如下:

   1)設定CPU時鐘頻率為20MHz,系統時鐘頻率為10MHz。屏蔽INTl~INT6,事件管理器中斷組中使能T1UFINT。

   2)屏蔽其余中斷。

   3)定時器T1采用連續加減計數方式,定時周期為50μs;使能3個全比較器單元;禁止死區控制;PWM輸出強制高。

   4)在ADC模塊中,設定采樣/轉換時間為6μs,禁止ADC中斷,轉換模式為單次轉換。

4  結論

采用光電碼盤的無刷直流電動機伺服系統實驗的部分內容,觀察起動過程轉速與位移數據波形曲線??刂品绞竭x用PID控制,位置給定信號選用斜坡信號與階躍信號(帶制動)。實驗波形見圖6和圖7。

    

a)斜坡信號、速度與位移曲線            b)斜坡信號、位移與位移曲線

   圖6實驗波形

      

a)階躍、速度與位移曲線              b)階躍信號、位移與位移給定曲線

   圖7實驗波形

隨著人們對電機控制要求的不斷提高,由于TMS320LF2407功能全面,開發工具齊全,文檔豐富實用,將會在高性能電機控制中逐步取代高檔單片機。本文介紹了基于TMS320ILF2407數字信號處理器為核心的BLDCM系統實驗平臺的硬件結構及軟件的具體實現方法。利用其豐富的內部資源和高速運行的特點,實現了各種控制策略及運行性能比較。本平臺能滿足BLDCM控制系統實驗研究的需要。

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