基于DSP的方波无刷直流电动机.docx

基于DSP的BLDCM调速系统—.实验目的1. 掌握方波无刷直流电动机（BLDCM）的组成、工作原理及性能特点2. 熟悉DSP控制的（BLDCM）调速系统的组成及工作原理3. 了解无转子位置传感器实现电动机转子位置检测的工作原理、特点与实现方法4. 研究速度调节器采用不同控制方法（PID控制、FUZZY控制以及PID-FUZZY控制）， 对系统稳态、动态特性的影响；并研究速度调节器采用PID控制时参数变化对系统稳态特 性的影响5. 掌握方波无刷直流电动机调速系统的实验研究方法，包括虚拟仪器的使用（注意无 上位机时，实验系统无虚拟仪器功能，有关虚拟仪器的取消）•实验内容1. 熟悉BLDCM实验系统的配置与结构，连接有关线路，组成BLDCM实验系统2. 在有与无转子位置传感器情况下，分别测量电机转子位置信号，并对该两种检测方 法进行优缺点比较3. 分别在有与无转子位置传感器情况下，研究电机的起动性能，并进行性能比较4. 对功率晶体管基极驱动波形、电机定子线电压波形、定子电流波形等进行测试5. 对速度调节器采用不同控制方法的系统，进行稳态特性、动态特性研究；并研究速 度调节器控制参数改变对系统性能的影响。

三. 实验系统组成及工作原理永磁式同步电动机以其结构简单、运行可靠，特别是具有其它电机所无法比拟的高效 率而得到了人们越来越多的关注永磁同步电动机可按工作原理、驱动电流和控制方式的 不同，分为具有正弦波反电势的永磁同步电动机（PMSM）和具有方波（或梯形波）反电 势的永磁同步电动机，后者又称为无刷直流电动机（BLDCM） o基于DSP的方波无刷直流电动机调速系统原理框图如图1所示调速系统由稀土永磁方波电动机PM、电机转子位置传感器、转速传感器（光电编码 器，选件）、由功率管构成的逆变器IV以及以DSP （TMS320F240）为核心的数字控制器 等构成系统已配备与上位机通讯的接口和软件，用户选用上位机后，可以方便地在上位 机人机界面上进行实验操作、观察和记录实验曲线IVDSP图1(a)主电路(b)反电势波形A（c）转了位置与绕组馈电的关系图2 BLDCM的主电路、反电势波形、转了位置与绕组馈电的关系系统也可工作在无转子位置传感器状态，这时转子位置可通过观测器获得，两种工作 状态通过开关K切换系统可以不选用光电编码器，而利用转子位置信号检测电机的转速如果用户选用光 电编码器，则一方面可以在电机无转子位置传感器情况下进行起动特性研究，另一方面则 可以将现有系统扩展成高精度位置伺服系统。

BLDCM系统中的逆变器（IV）工作在自控式变频工作状态，即它的输出频率控制不 是独立的，而是根据电机转子的位置来决定，只有当转子位置转过一定角度后，逆变器中 该导通的功率管才进行切换，使定子合成磁势前进一步，以此循环随着电机转速的上升, 转子转过该角度的时间快了，逆变器功率管切换的频率也高，使定子合成磁势前进的速度 也快了，这样，定子合成磁势旋转的速度与转子的旋转速度保持在同步状态，从而不会造 成失步，由此可见，转子位置信号的检测是不可缺少的为了检测转子位置，可以用在电机上安装转子位置传感器的方法，也可以用转子位置 观测器的方法（电机上不安装转子位置传感器）实验系统中，当工作在无位置传感器时, 使用的是“反电势法”检测转子位置，它通过检测定子绕组开路相的感应电势过零点，来 间接得到转子的位置信号系统主电路、反电势波形以及转子位置与绕组馈电的配合关系 如图7—7所示在To时刻，转子d轴位于图c）中Do位置，即转子d轴超前定子绕组A轴的位置为 0 =-兀/6,为产生最大平均电磁转矩，逆变器功率管应为VG5、VG6导通，其余均为关 断，即C、B相导通，A相不导通绕组C、B相中电流流向是：从C端流入，Z端流出， 又从Y端流入再从B端流出，如图c）所示。

这时，定子的合成磁势为C）中▲所示，它与转子磁势的夹角为亍设电磁转矩使 电机转子按逆时针方向旋转，在/时转子刚转过龙/6,这时d轴与A轴重合，即0 = 0, A相反电势eA为零若能测出这个反电势过零时刻，并延迟丄周期的时间，即在Ti时刻，rr转了已转到Di位置，且定了合成磁势与转了磁势的夹角为一，为保证继续产生最大的平3均电磁转矩，逆变器功率管必须从VG5、VG6导通改变为VG6、VGi导通VG6> VG】导 rr通后，定子合成磁势向前转过一，从而使两个磁势的夹角又变成一，这样转子继续旋转,3 3it逆变器功率管不断换流，使定、转了两个磁势夹角始终在—范围内变化3 3根据对称性，只要能够测出各相绕组反电势的过零时刻并做适当延迟，就可确定方波 无刷直流电机的换流时序，保证电机运行在自同步方式但是，绕组反电势是难以直接检测的，因此采用变通形式如“端电压法”，以A相为 例，如上所述，在To—Ti期间，A相不导通，认为A相电压1；血等于反电势eA，那么端电 压为UAN=UAn+UnN=eA+ UnN,在To时刻，eA=0, B、C两相电流相反，并假设其阻抗相等， 因此，UnN = Ud/2,这样UAn=0, UnN = Ud/2,所以只要检测到Uan - 5/2的过零时刻,就 可以间接地检测到eA的过零时刻（TUan - UnN- UAN - 5/2=5尸ea=0）。

具体实现时，只需随时检测三相绕组的端电压〃an、Ubn、〃cn （即U、V、W与N之 间的电压）,并分别减去Ud/2； —旦未导通相的端电压减去Ud/2后之值为零，则再延时耳,12即可发出逆变器功率管的换流信号，这就是“端电压法”的基本原理由上述BLDCM工作原理分析可见：BLDCM可以看成是采用电子换向的直流电动机, 也可以看成是使用直流电源并由逆变器供电的交流同步电动机，又可以看成是一台具有转 子位置反馈的闭环控制步进电动机BLDCM属于两相馈电电机，无论转子处于什么位置，都只有两相绕组通电，从主电 路的等值电路图，可推导出其转速表达式如下式所示：ke式中：R=2r 1, r 1为电机的一相等效电阻；ke为电势系数；Ud（）= UdXD为加到两相绕组间的直流电压平均值，其中S为直流母线电压，D为 PWM调制波的占空比由上式可见，我们只需对三相桥式逆变器进行PWM调制（请特别注意，这里不是异 步机变频调速系统中的SPWM调制而是双闭环可逆直流脉宽调速系统实验中介绍的直流 PWM调制）,就可方便地改变其直流端电压，从而实现无级调速，这与普通有刷直流电动 机的调压调速是非常相似的，改变占空比D,从而得到一组互相平行的机械特性曲线，其 开环机械特性较硬，具有较宽的调速范围。

总之，BLDCM具有同步电动机的结构，故而简单、牢固、免维修；又具有普通有刷 直流电动机的调速性能，故而调速系统结构简单、容易实现、且调速性能优良因此,BLDCM 获得了日益广泛的应用特别是近几年来，它在家用电器（特别是在空调器中的应用，国 外有人称之为直流变频）与伺服系统中的应用，充分显示了它的优越性四. 实验设备和仪器1. DSP控制的直流方波无刷电机调速系统2. 主控制屏3. 方波无刷直流电机一光电编码器一发电机机组4. 双踪不波器5. 上位机（包括软件）和串口联接线五. 实验步骤与上位机软件功能（一）实验步骤1. 见附图，连接主电路、电流检测、过流保护、频/压（f/v）转换等环节的连线，并 将U相定子电流取样电阻短接有上位机时，连接上位机与组件间的串口通讯线2. 检查给定电位器是否放在零位（要求电位器左旋到底）3. 经接线检查无误后，合上MCL—14组件左下方的电源开关，这时系统缺省设置在 开环控制方式下4. 如需转换控制方式，须待电机停止后再按控制方式按钮，相应控制方式指示灯亮5. 系统设置于开环工作状态，分别在有与无位置传感器情况下，进行电机转子位置信 号检测实验1） 掀选择“有无位置传感器”按钮，使系统工作在有位置传感器状态（“有传感器” 指示灯亮）；然后启动电机，将速度设定电位器顺时针旋转到二分之一额定转速（nn/2）左 右的位置，用双线示波器同时测量与记录电机的位置传感器输出Psu、Psv与地之间的波形, 并观察两波形之间的相位关系。

2） 待电机停止后，掀选择“有无位置传感器”按钮，使系统工作在无位置传感器状态 （“无传感器”指示灯亮）；然后启动电机，用双线示波器测量与记录端电压与（-Ud/2）比较后比较器输出Ou、Ov与地之间的波形，并观察两波形之间的相位关系二）软件功能图1无刷直流电动机实验平台软件主界面软件，是“基于DSP控制的高性能无刷直流电动机实验系统”的上位机控制程序木 软件与MCL-14挂箱配套使用MCL-14挂箱上备有串口 RS232连接插座用户使用本软 件前，应先使得此连接插座与上位PC机串口妥善连接脱离MCL-14挂箱，本软件将无 效，装入运行时将无法正常执行其各项功能MSCL-14(V2)软件完成MCL-14无刷直流电动机系统的上位机控制，包括面板命令控 制、各类控制方式与参数设定、获取相关实验数据及实验数据波形显示和后期数据处理 在系统连接成功后，无刷直流电动机实验平台软件界面如下：左上角为系统命令块，包括串口设置，显示设置，以及数据后期处理(数据保存，保 存图片等)控制方式参数设置通过选择伺服控制系统还是调速控制系统进入相应参数设 置框，方便控制方式的选择和控制参数的设置居下的三个模块分别对应系统状态显示， 数据传输状态进程的显示，系统状态命令发送按钮。

右上角为采集数据类型选择和方式选 择正中间为数据曲线显示，可以同时采集两通道数据，在显示界面上可以显示四条数据 曲线系统支持在下位机系统电机运行中，改变采集方式设定本软件主要具备有两大功能：控制平台功能与虚拟示波器功能虚拟示波器功能包括：◊ 数据采集：能采集多路信号，同时能采集两路数据信号，采集数据量程选择, 采集数据类别选择◊ 数据曲线显示分析：支持各通道数据显示，支持显示颜色设置，支持各通道 数据读数功能、支持曲线缩放功能、隐藏功能，支持曲线移动功能，支持曲 线暂时存储功能< 数据保存：支持存储原始数据，支持存储数据曲线◊数据打开：支持打开实验数据文件控制平台功能：◊ 用户可以操作无刷直流电动机调速与伺服系统，包括对电机进行起动、停止 操作 用户可以修改实验参数，设置BLDCM系统模式，控制方式 用户可以观察BLDCM系统运行状态信息，数据采集信息等3. 功能使用说明3. 1系统状态控制命令系统状态控制命令，位于主界面右下角，它包括：(1) “|系统连接丽建搦”按钮，用于与下位机建立通讯程序启动时，并未与下 位机建立连接，按|系统连接按钮可以建立与下位机的连接，当程序与下位机建立了连接以 后，显示变为|断开逢麹，同时按钮上的红灯变为绿灯,表示与下位机连接正常。

当与下位机 通讯完成以后，需要按“断开连接”按钮来结束与下位机的连接，此时绿灯变为红灯请 注意：上、下位机通讯建立后，挂箱上的控制电位器与按钮失效，控制权已转移到上位机 控制界面上反之，断开连接后，控制权回复到挂箱上2) “|电机启动|”和“|电机停止|”按钮，用于控制电机的启动和停止，当参数设置完毕以后，按I电机启动I按钮，将发送命令给下位机,电机启动，并传送数据，此时按钮上方 的“》===”将表示电机正在运行按匣丽田按钮将停止命令发送给下位机，状态恢 复3） “暂停刷新/恢复刷新”按钮用于在电机启动时，暂停或恢复数据采集（当数 据采集设置为循环采集时）电机运行时。