直流电机控制系统硬件设计.docVIP

基于TMS320无位置传感器无刷直流电机控制系统 种无刷直流电机（BLDC）具有高速度、高功率密度电机的特点越来越广泛的应用于工业区。BLDC电机需要位置和速度传感器控制。然而，位置传感器从尺寸，成本，维护和可靠性的观点。有一些不同的方法，可以解决这个问题，根据磁通分布图1直流电机的主要电路 图2.理想反电势和电机的相电流波形 起动方法 由于反电势的振幅与转速成正比，不可能在静止或低速状况下检测反电动势信号。通常情况下，反电动势是在电机启动过程中失效，对于无位置传感器无刷直流电机驱动适当的启动程序是必要的。预先设定的方法是直接将电流注入到两相预绕组，使转子稳定的两相绕组复合到磁力轴位置。这个位置是转子初始位置和所期望达到的位置。如图3所示（一），接通A相和B相定子绕组，并断开C相，使转子在FA的方向。由于转子位置的不确定性，如果转子的位置如图3（b），它将不能旋转到如图3（a）的位置，图b这种定位称为故障定位。为了解决这个问题，本文提出了重新设置这种方法。该方法确保了转子可达到所需的位置。转子初始位置的设定后，电机起动过程中采用电流闭环控制。 图3.电机的起动过程 起动过程分为四个步骤： 首先，接通A相和B相绕组，并断开C相。它会持续一定的时间来完成预先设定。然后，转子的可能位置如图3所示（一），或在图3（b）。其次，接通A相和C相绕组，并断开B相，这种状态持续一定的时间来实现重新设置。不论预先设定成功还是失败，转子都将旋转到如图3（c）所示位置。 2.在设定启动算法时需要换向延迟时间来使转子旋转60°电角度。这个时间段是通过软件延时控制的，是不变的。 3.根据电机转动到下一个状态时两相绕组的开关方向。根据裁定减刑（BA（电流从B到A）→CA→CB→AB→AC→BC）和电机完成换向的周期，让转子顺时针旋转，。同时系统采用闭环电流控制算法来调节PWM占空比，控制输出电压。 4.采用反电动势过零检测方法，转子在旋转一个周期后应该具有一定的转速。两个周期后，转速可以由位置检测信号估计得到；时间也可以由转子旋转每60°电角度即用于更新预先设定的时间来计算。此时系统进入无位置传感器闭环状态。 系统配置 图4描述了无位置传感器无刷直流电机控制系统的配置。该系统的速度和电流是双闭环。外层是速度环，可在速度误差观测的基础上连续调整速度值。积分环节PI调节器用于速度环。内部电流环，确保电机在最大允许电流范围内启动，并使系统在电流实际值偏离期望值的情况能使电流值连续。电流环采用一个PI调节器来改善控制系统的动态性能，。TMS320F240具有高速的运算能力，可以实现转速和电流的双数字调节。这不仅可以消除大部分的模拟设备，而且提高了系统的可靠性。 图4 .一种无位置传感器无刷直流电机系统的配置 硬件设计 该系统采用TMS320F240系统微控制器和无位置传感器无刷直流电动机双闭环控制系统的。由于TMS320F240将电机控制系统大量外围电路整合，因此系统的外部电路是非常简单的。系统的硬件配置如图5所示。 图5.一种无位置传感器无刷直流电机系统的配置 系统硬件包括电机，电源电路，端电压检测器，电流取样器，过流检测，电压采样，隔离器，IPM故障检测器和TMS320F240。 TMS320F240提供一个高性能的10位模数转换器（ADC），这个模数转换器提供了16路模拟量输入，可以对电压和电流进行实时采样。系统没有速度检测部分。根据转子位置信号，一个简单的算法用来间接计算转速，该算法由DSP来实现。它简化了系统的硬件结构，使系统更加经济、可靠。TMS320F240提供了一个已充分用于数字电机控制和功率转换的事件管理模块。该系统采用事件管理模块产生6的PWM输出，通过隔离及驱动电路来控制电源开关的打开或关闭，以实现电机的正确换相。 转子位置检测电路 由于反电动势是很难直接获得的，过零检测反电动势是由三相绕组的起动电流和起动转矩间接查明的。图6是用A相绕组端电压检测电路。 将端电压UA通过分频电路，滤波电路，过零检测电路，光耦隔离电路后输入到DSP的I/O端口。当变频器采用PWM模式时，端电压波形也是PWM波，PWM波通过滤波器后可变平滑。为了保证DSP的安全，输入I / O端口的电压应低于5V。检测信号必须通过隔离电路发送到DSP。 图6 .端电压检测 b.电源电路 电源电路由交流/直流转换器，滤波器，逆变器等组成。为了减少直流脉冲，用一个大电容在交流/直流转换器的输出端口进行滤波。功率开关器件采用智能功率模块（IPM）和频率为10kHz的开关。如果逆变器输出电压调整了，那么无刷直流电机的电流值也将改变，电磁转矩也发生调整。当电磁转矩等于负载转矩时，电机的转速就达到了给定值。 为了使控制器的控制信号通过隔离电路输入IPM模块。将IPM模块控制电路的一个终