基于DSP的永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

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┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 長 春 大 學 畢業(yè)設(shè)計（論文）紙 基于DSP的永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 摘要: 隨著電子節(jié)能技術(shù)，材料，稀土永磁，微電子技術(shù)，計算機控制技術(shù)，數(shù)字信號處理技術(shù)，傳感技術(shù)，控制理論和制造電機系統(tǒng)技術(shù)的迅速發(fā)展，交流伺服有了長足的發(fā)展，并已逐步取代援助DC，流量伺服系統(tǒng)的現(xiàn)行制度。近年來，現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)維權(quán)援助體系的快速發(fā)展作出了越來越高的要求，分期和輔助系統(tǒng)尤其是高速旋轉(zhuǎn)陣列具有長時間工作，并提出了系統(tǒng)的援助，如高速，高可靠性和強大的抗抗干擾能力強等更高的要求。本文結(jié)合文獻資料，從永磁同步電機、電力電子器件、控制策略及電機控制集成電路等方面比較全面地分析和總結(jié)了永磁同步電機伺服系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，并設(shè)計了基于 DSP 的永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)，以此來滿足伺服系統(tǒng)的需求。 關(guān)鍵字：伺服系統(tǒng)；永磁同步電機；DSP；PID Based On The DSP Synchronous MotorSpeed Control System Design Abstract: With the rapid development of power electronics, rare earth permanent magnet materials, microelectronics, computer control technology, digital signal processing technology, sensor technology, motor control theory and motor manufacturing technology, AC servo systems which gradually replac the DC servo systems have made great progress and become the mainstream in servo system. Recent years, demands such as high-speed, high-reliability and disturbance rejection in radar servo system are increasingly presented with the development of modern defense industry, especially in rotating phased array radar and the radar which needs to work long hours. In this paper, the development of permanent magnet synchronous motor servo system is analyzed and summarized comprehensively in the aspects of the permanent magnet synchronous motors(PMSM), power electronics, control strategy and motor control IC etc. A DSP-based PMSM servo system is designed and set up in order to satisfy the needs in modern radar servo system. Keywords: Servo System; Permanent magnet synchronous motor(PMSM); DSP；PID II 目錄 第1章 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.3 設(shè)計意義 2 第2章 系統(tǒng)整體設(shè)計方案 4 2.1本課題主要研究內(nèi)容 4 2.2整體設(shè)計方案 4 第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 5 3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖 5 3.2 系統(tǒng)時鐘電路 6 3.3 控制電源 6 3.4 DSP 最小系統(tǒng) 7 3.5 IGBT驅(qū)動模塊 9 3.6 系統(tǒng)功率驅(qū)動電路設(shè)計 10 3.6.1 整流電路 10 3.6.2 濾波電路 10 3.6.3 逆變電路 11 3.6.4 緩上電電路 11 3.6.5 泵能泄放電路 11 3.7 系統(tǒng)檢測與保護電路設(shè)計 12 3.7.1電流檢測與電流保護 12 3.7.2 角度位置（速度）檢測 12 第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 14 4.1 軟件總體結(jié)構(gòu) 14 4.2 主程序 15 4.3 中斷服務程序 15 4.3.1 定時器中斷程序 15 4.3.2 功率驅(qū)動保護中斷程序 16 4.3.3 SVPWM產(chǎn)生程序 17 4.3.4 電流和電壓采樣程序 17 4.3.5 速度計算程序 18 4.4 PID控制算法 18 4.5 PID參數(shù)整定 19 總結(jié) 21 致謝 22 參考文獻 23 附錄1 24 附錄2 25 附錄3 26 II 第1章 緒論 1.1 研究背景 永磁伺服系統(tǒng)屬于自動控制系統(tǒng)，主要任務是受控對象的位置、方位、狀態(tài)等輸出量能夠精確、自動、連續(xù)地跟隨給定值或輸入量的變化規(guī)律。在交通運輸、國防、家用電器以及機械制造等領(lǐng)域永磁伺服系統(tǒng)都有非常廣泛應用。 伴隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、電機控制理論及電機制造技術(shù)的快速發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)有了很大進步，并已經(jīng)逐步取代了直流伺服系統(tǒng)子在應用中的統(tǒng)治地位，成為了伺服系統(tǒng)的主流。近年來現(xiàn)代國防工業(yè)的飛速發(fā)展，雷達伺服系統(tǒng)也被提出了越來越高的要求，諸如高可靠性、高速和強抗干擾能力等要求。本文結(jié)合現(xiàn)有文獻資料，比較全面地總結(jié)和分析了永磁電機伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，并設(shè)計了基于 DSP技術(shù)的永磁電機伺服控制系統(tǒng)，以此來滿足社會高速發(fā)展和科技不斷進步的需要。 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 在國內(nèi)先進的電機控制方法在永磁同步電機上的實際運用研究較少，而永磁同步電機相對于異步電機效率較高，從我國節(jié)能減排國策來看，永磁同步電機必將取代異步電機，所以基于DSP的永磁電機必將有廣闊的發(fā)展前景。 國外交流伺服產(chǎn)品生產(chǎn)廠家很多，如日本的安川公司、三菱公司、松下公司，德國的西門子公司、KEB公司、BOSCH公司，美國的Kollmoen公司等已先后生產(chǎn)出了性能很好的伺服控制器。他們的交流伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)已采用驅(qū)動部件在美國是最大的，而且在美國的技術(shù)最先進的伺服系統(tǒng)生產(chǎn)廠擁有目前市場上大部分的全數(shù)字DSP芯片的市場份額。內(nèi)部交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)起步較晚落后海外發(fā)展，發(fā)動機控制技術(shù)落后，有很多缺點，技術(shù)落后主要限于實用算法缺乏數(shù)字式發(fā)動機控制模塊更可靠，與國外相比能量。 國內(nèi)永磁同步電機調(diào)速控制系統(tǒng)進行了很多研究但主要還存在著以下不足；1）國內(nèi)對永磁同步電機的研究工作主要側(cè)重于電動機本體的研究，對其調(diào)速控制系統(tǒng)的研究工作較少。2）對于永磁同步電機的調(diào)速控制系統(tǒng)的理論研究和仿真研究較多，生產(chǎn)實際中應用的成果較少，比如，先進的電機控制方法在永磁同步電機上的實際運用研究較少。3)受到國內(nèi)設(shè)備經(jīng)費等條件的限制，對國際上電機調(diào)速領(lǐng)域中的前沿性課題研究較少。目前的對交流電機的控制有恒壓比控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等方案。恒壓頻比控制屬于無傳感器的開環(huán)控制，因此調(diào)速性能不是很高。在電壓幅值、頻率和電機負載不匹配時容易出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。目前已經(jīng)提出許多方法來解決這個問題，提高系統(tǒng)的效率并保持穩(wěn)定。矢量控制是基于坐標變換的一種控制方法。以磁鏈這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量作為參考坐標將定子電流分解為相互正交的兩個分量：定子電流勵磁分量和定子電流轉(zhuǎn)矩分量。然后分別對其獨立控制從而獲得像直流電機一樣的良好動態(tài)特性。永磁同步電機的矢量控制實質(zhì)是對電動機定子電流矢量的相位和幅值進行控制。直接轉(zhuǎn)矩控制是繼矢量控制系統(tǒng)之后發(fā)展起來的另一種高動態(tài)性能的交流電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，我國雖然對直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究已取得了很大的發(fā)展，但在理論和實踐上還很不成熟，低速性能不高帶負載能力較差等，都直接影響著其在實踐中的應用。 1.3 設(shè)計意義 隨著自動化生產(chǎn)水平，性能伺服系統(tǒng)的需求越來越高的不斷發(fā)展。由于結(jié)構(gòu)簡單，永磁同步電動機，其運行可靠，可實現(xiàn)高精度，高性能的動態(tài)，大范圍的速度和位置控制，越來越多的關(guān)注和設(shè)備DSP與單片機目前流行的具有比較強大的性能結(jié)構(gòu)大提高其處理速度和控制精度已在基于DSP的永磁同步電機的順序，其性能大大提高不僅是它具有良好的實時運算能力，還因為具有豐富的控制電路和電機周邊接口資源，使得簡化了硬件和軟件設(shè)計，并且控制系統(tǒng)所需體積較小。 數(shù)字交流伺服系統(tǒng)在當代許多高科技領(lǐng)域上都得到了比較廣泛的應用，永磁同步電機因其有著很多電勵磁電機無可比擬的優(yōu)點，比如效率高，功率因數(shù)高，啟動轉(zhuǎn)矩大，溫升低，抗過載能力強等所以其作為執(zhí)行機構(gòu)的交流伺服系統(tǒng)也逐漸成為伺服系統(tǒng)發(fā)展的主流，加上全數(shù)字化必將是未來伺服驅(qū)動技術(shù)發(fā)展的趨勢，因此研發(fā)高品質(zhì)的全數(shù)字化永磁同步電機伺服控制系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。采用新型高速微處理器和專用數(shù)字信號處理機（DSP)的伺服控制單元將全面代替以模擬電子器件為主的伺服控制單元，從而實現(xiàn)完全數(shù)字化的伺服系統(tǒng)。全數(shù)字化的實現(xiàn)，將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制，從而使在伺服系統(tǒng)中可以應用現(xiàn)代控制理論的先進算法成為可能。 永磁同步電機作為交流電機的一種克服了直流電機沒有直流電機的換向器和電刷等缺點和異步電動機相比，它由于不需要無功勵磁電流，因而效率高功率因數(shù)高力矩慣量比大定子電流和定子損耗減?。磺肄D(zhuǎn)子參數(shù)可測、控制性能好；和普通同步電機相比，永磁同步電機省去了勵磁裝置簡化了結(jié)構(gòu)提高了效率；更為重要的是近年來，永磁材料的研究取得了新的突破，特別是具有高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線等優(yōu)異性能的新型磁材料的出現(xiàn)和相應的工藝技術(shù)的發(fā)展使得永磁電機成本不斷降低，性能不斷提高?？朔诉^去永磁同步機成本高啟動困難等缺點。隨著計算機技術(shù)迅速發(fā)展，永磁電機控制系統(tǒng)的數(shù)字化實現(xiàn)已逐漸引起業(yè)內(nèi)人士的重視并出現(xiàn)了不少重要的研究成果特別是IT公司的TMS320C2000系列的DSP就提供了多種控制系統(tǒng)使用的外圍設(shè)備整合了DSP和微控制器的最佳特性，這類DSP特別適用于控制領(lǐng)域，使永磁同步電機的全數(shù)字控制成為可能。 本文綜述了國內(nèi)外永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，對永磁電機控制系統(tǒng)的設(shè)計具有指導意義。 第2章 系統(tǒng)整體設(shè)計方案 2.1本課題主要研究內(nèi)容 本課題主要是依托雷達伺服系統(tǒng)的需求，分析和研究了國內(nèi)外永磁同步電機伺服系統(tǒng)發(fā)展狀況，并在借鑒和吸收研究成果的基礎(chǔ)上，開展相關(guān)技術(shù)的研究，主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面： （1）以 DSP（TMS320F28335）處理器作為控制核心，以這個IGBT模塊作為功率轉(zhuǎn)換核心，包括DSP最小系統(tǒng)電路，一個電路接口，一個電路檢測，整流濾波電路，逆變器電路中，泵可放電電路，一個電路緩沖，驅(qū)動電路和保護電路執(zhí)行測試和研究，考慮到這個基礎(chǔ)的硬件電路實施方案的不同組件。 （2）根據(jù)測試方法選擇的主題，電路硬件設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計軟件的組合以在主程序執(zhí)行為核心，常規(guī)中斷服務為重心實現(xiàn)法規(guī)的PI，實現(xiàn)速度（位置）的采樣和計算，最近采樣和算術(shù)，矢量的變化，SVPWM算法，和PWM信號生成，通信的軟件設(shè)計。 （3）設(shè)計和構(gòu)建完善的永磁同步伺服電機平臺測試系統(tǒng)，這樣的設(shè)計文件由系統(tǒng)完成，進行試驗驗證詳細，準確性和合理性通過硬件測試系統(tǒng)和設(shè)計軟件的認證，并驗證系統(tǒng)實現(xiàn)必要的性能。 2.2整體設(shè)計方案 本設(shè)計主要包括數(shù)字控制電路、反饋電路、保護電路、逆變電路、驅(qū)動電路、控制電源電路等，控制板以DSP芯片（TMS320F28335）為控制核心；利用編碼器對電機轉(zhuǎn)速進行反饋，通過PID控制算法來控制IGBT導通的最終輸出波形PWM逆變器控制電路和關(guān)斷，實現(xiàn)了電機控制。當系統(tǒng)工作在閉環(huán)狀態(tài)控制伺服，DSP芯片的實時發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號的采集和電流保護，根據(jù)該算法控制，以達到最佳性能所需的實際工作條件下，電源板驅(qū)動IGBT模塊為基礎(chǔ)，通過整流電路驅(qū)動一個三相交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源，然后將PWM控制電路波形以此來控制IGBT的開通和中斷，DC電源為電動機所需交流電源后所述。硬件系統(tǒng)分為控制電路和驅(qū)動電路的電源，設(shè)計充分考慮到了各種組件的適用性和擴展性的原則，將系統(tǒng)分為兩大部分，分別為控制硬件電路板和功率驅(qū)動電路。 第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖 硬件電路是永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它是系統(tǒng)安全、穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)。本章包括DSP系統(tǒng)的最小設(shè)計，電路測試，整流濾波電路，逆變器電路，驅(qū)動電路和保護電路，本設(shè)計采用TMS320F28335為控制核心，使擴展系統(tǒng)IS61LV51216選擇模塊，IGBT FP100R12KT4作為驅(qū)動全省主要整流橋和一個溫度傳感器，以提高系統(tǒng)的集成，此外，利用MAX3160 RS485和RS232接口實現(xiàn)選擇電路，也用作轉(zhuǎn)換元件AD2S1210位置的串行通信接口電路。在通過電路設(shè)計硬件電路的細節(jié)和計算分析，考慮到系統(tǒng)的可擴展性和通用性，硬件電路設(shè)計，通過一章調(diào)試和測試驗證的硬件電路設(shè)計的精度和效率。 永磁同步伺服電機系統(tǒng)集數(shù)字電路，模擬電路，驅(qū)動電路和實時控制軟件為一體，以實現(xiàn)永磁同步伺服電動機的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速和位置控制。硬件電路設(shè)計決策的系統(tǒng)規(guī)格，同時也決定系統(tǒng)的操作安全可靠性。 本章分別DSP芯片TMS320F28335模塊和IGBT為電路控制系統(tǒng)的核心展開對功率驅(qū)動器電路系統(tǒng)的設(shè)計，通過分析，在控制電路的外周的研究中以及控制電路的基礎(chǔ)上，主電路，短路檢測和電路防御，計算和選擇，以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計。硬件系統(tǒng)分為一控制電路和驅(qū)動電路的電源，設(shè)計中充分考慮到的各種組件，功能和應用的原理，其中分為控制面板硬件（控制電路）和汽車充電器（驅(qū)動電路）兩部分?？刂瓢錎SP芯片（TMS320F28335），為通過電路輸出RDC分解器激勵信號和反饋分解器信號的控制中心進行處理，以獲得轉(zhuǎn)子的最后位置的信息，多通道AD芯片電動機電樞電流信號是冠軍相結(jié)合的信息轉(zhuǎn)角位置，最終控制PWM波形輸出，在IGBT導通逆變器控制電路和關(guān)斷，實現(xiàn)了電機控制。當系統(tǒng)在閉環(huán)伺服控制的狀態(tài)的工作原理，DSP芯片實時采集電動機電樞電流信號與給定的信號速度分別與所述參考電流和速度，比較根據(jù)由所述算法需要的實際的工作條件的限制，以達到最佳性能。其系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖 3-1。 圖 3-1 系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖 3.2 DSP介紹 DSP 最小系統(tǒng)是控制板能否正常運行的基礎(chǔ)，也是能對 DSP 進行調(diào)試的最基本硬件電路，其可靠性和穩(wěn)定性直接影響整個永磁同步電機系統(tǒng)的安全可靠運行，最小系統(tǒng)主要包括了 TMS320F28335 芯片、電源電路、時鐘電路、復位電路和仿真接口電路 JTAG，其中 DSP 引腳圖如圖3-5所示。 圖3-2 DSP控制器引腳圖 TMS320F28335處理技能150MHz的高速處理速率，具有32位處理單元的浮點，六通道支持DMA ADC，McBSP的和EMIF，有多達18個通道的PWM輸出，包括更高準確度的PWM輸出，為6路IT所特有，16通道12位ADC。由于其單元浮點，用戶可以快速地寫控制算法，而無需耗費大量的時間和能量處理，相比前一代的DSC的分數(shù)的操作中，平均的性能提高了50％，并且定點的C28x控制器和兼容軟件，簡化了軟件開發(fā)，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。F2833x 150MHz的時鐘速率，在保持相同的情況下，新的浮點控制器的F2833x與以往主要的TI控制器的數(shù)字信號，50％的平均性能改善相比較。具有32位定點快速傅立葉變換（FFT）算法的復雜計算采用后性能提升顯著，不斷引進新技術(shù)后，相比于提高性能一倍以上， TMS320F28335熟悉信號處理器具有以下特性： （1）高性能靜態(tài)CMOS技術(shù) –多達18個脈寬調(diào)制(PWM)輸出 –1.9V/1.8V內(nèi)核，3.3VI/O設(shè)計 –高分辨率脈寬調(diào)制器(HRPWM)輸出 （2）高性能32位CPU（TMS320C28x） –高達6個事件捕捉輸入，單精度浮點單元（FPU）（只在F2833x上提供） –多達兩個正交編碼器接口 –16x16和32x32介質(zhì)訪問控制(MAC)運算 –高達8個32位定時器 （6個eCAP以及2個eQEP） –16x16雙MAC –高達9個32位定時器 –哈佛(Harvard)總線架構(gòu)（6個ePWM以及3個XINTCTR） –快速中斷響應和處理 （3）三個32位CPU定時器–統(tǒng)一存儲器編程模型 –高效代碼（使用C/C++和匯編語言） –多達2個控制器局域網(wǎng)(CAN)模塊?6通道DMA處理器 –高達2個McBSP模塊（可配置為SPI） （4）16位或32位外部接口(XINTF) –一個SPI模塊 –超過2M16地址范圍 （5）一個內(nèi)部集成電路(I2C)總線 （6）12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) –2x8通道輸入復用器128K16閃存，34K16SARAM –兩個采樣保持 –單一/同步轉(zhuǎn)換64K16閃存，26K16SARAM–內(nèi)部或者外部基準 –1Kx16一次性可編程(OTP)ROM?多達88個具有輸入濾波功能可單獨編程的多路復用 3.3 系統(tǒng)時鐘電路設(shè)計 主系統(tǒng)時鐘輸出信號由片上時鐘發(fā)生器，分頻或倍頻時鐘信號源ORA生成。時鐘發(fā)生器包括兩個獨立的元件，一個鎖相回路（PLL）和一個振蕩器。內(nèi)部振蕩器包括一個鎖相環(huán)（PLL），和一個振蕩器。鎖相環(huán)（PLL）可以使ORA時鐘信號的頻率是源時鐘頻率，相位和時間的倍數(shù)，其時鐘相位鎖定在源時鐘信號上。時鐘信號電路如圖 3-2 所示。 圖 3-3 時鐘電路信號 3.4 電源模塊設(shè)計 系統(tǒng)中的控制電源主要用到了+12V、-12V、+5V、+3.3V 和+1.9V，本系統(tǒng)的控制輸入電源為+24V，因此，系統(tǒng)中首先采用兩塊 DC/DC 電源模塊將+24V 轉(zhuǎn)換為12V 和+5V，模塊供電電源電路如圖 3-3所示。 而對于 TMS320F28335 所需的+3.3V 和+1.9V 電源，電源電路如圖 3-3所示。在系統(tǒng)設(shè)計時選用了 TI 公司的專用電源芯片TPS767D301，該電源芯片為5V 輸入，可輸出+3.3V 和+1.9V 兩路電源供 DSP 使用，CPU電源電路如圖 3-4和3-5所示。 圖 3-4 模塊供電電路原理圖 圖3-5 CPU供電電路原理圖 3.4 IGBT驅(qū)動模塊介紹 IGBT 驅(qū)動電路設(shè)計的好壞將直接影響到整個系統(tǒng)的可靠性，本系統(tǒng)門極 驅(qū)動電路的電路圖如圖3-6所示 圖 3-6 IGBT 驅(qū)動電路 本系統(tǒng)驅(qū)動電路設(shè)計時遵循了以下幾條原則： (1) 柵極驅(qū)動正偏壓脈沖應該在+12V?+ 15V，負偏壓應為-2V?-10V，實際應用在+15V?-9V之間選擇; (2) 驅(qū)動電源有足夠的功率，以防止IGBT損壞飽和，當前的選擇大功率開關(guān)電源5W; （3）采用手術(shù)（HCPL-0454）提供的驅(qū)動和控制隔離電路; （4）驅(qū)動器電阻功率盡可能低，選擇柵極電阻適中，保證VGS前柵極電壓邊沿國語陡峭，但減少了交叉時間，為了減少損失推移，我們不能使柵極關(guān)斷時間過長短太短將導致電壓尖峰的di / dt形成過高，所以從過壓損壞IGBT的，系統(tǒng)選擇的電阻的柵電極12; 摹POL（5）電路的駕駛和磁極S并聯(lián)二極管暫時抑制和電阻之間，以防止高壓電路尖峰門損壞，還能提高機體免疫力噪音電路的，最終還是要保護的目標IGBT。 3.5 系統(tǒng)功率驅(qū)動電路設(shè)計 系統(tǒng)主電路采用典型的交-直-交的形式，利用熱敏電阻器實現(xiàn)了緩上電功能。系統(tǒng)主電路如圖 3-7 所示。 圖3-7 系統(tǒng)主電路圖 3.5.1 整流電路 采用三相不可控的橋式整流方式，設(shè)計時，主要選擇整流橋整流二極管的額定電壓和額定電流。 整流二極管額定電壓計算如下： （3-1） 式中， —交流輸入電源線電壓。 —安全系數(shù)，一般取2-3。 整流二極管峰值電流計算如下： （3-2） 式中， —負載額定電流。 整流二極管額定電流計算如下： (3-3) 式中， —為安全系數(shù)，一般取2-3。 3.5.2 濾波電路 電路輸出的直流電壓整流器有著豐富的脈沖成分，并通過脈動產(chǎn)生的電流脈沖引起的直流電壓的逆變器電路和變化負荷，因此，整流電路的輸出應該被添加到一個濾波器電路，一般采用電解電容器一方面起到作為過濾器，它也可以作為能量存儲。但在設(shè)計中主要考慮的電解電容器的壓力和體積。: (3-4) 式中， —交流輸入電源線電壓。 —為安全系數(shù)（輸入電壓波動等因素引起）,通常取2-3。 根據(jù)結(jié)果和整體結(jié)構(gòu)和布局，我們使用串并聯(lián)方式獲得等于560?F900V電容器電容的壓力且選擇4560 UF450V電解電容器，除了考慮電解容器的情況下的串聯(lián)和并聯(lián)，濾波電路也需要增加平衡電阻R1 = R2 =為30kΩ，除了打在電容平衡的電壓，電容器提供一個路徑放電回關(guān)系圖呈現(xiàn)的電路的某些系統(tǒng)的主電路如圖3-7。 3.5.3 逆變電路 逆變器電路是驅(qū)動電源電路的核心，它的主要作用是控制PWM信號控制轉(zhuǎn)換為永磁同步電動機頻率的交流電壓（或電流）所需的直流電壓（或電流）。在逆變電路設(shè)計，關(guān)鍵是功率器件的合理選擇。 IGBT是阻抗MOSFET的高輸入，速度快的開關(guān)，電源驅(qū)動電壓低，良好的熱穩(wěn)定性和GTR通態(tài)壓降，高密度載體等于一體，功率變換電路廣泛使用和IPM是IGBT驅(qū)動器電路和保護電路，檢測電路集成具有體積小，易于使用和發(fā)展的重點，但較低的工作溫度模塊中可以IPM模塊只能達到-20℃，而-40℃可滿足軍事任務的要求，因此系統(tǒng)選擇，因為設(shè)備的IGBT逆變器電路的功率，選擇額定電壓和額定電流是主要考慮因素。 本系統(tǒng)設(shè)計的IGBT模塊額定電壓為1200V，該模塊包含七只功率管，用于逆變電路功率管額定電流為100A，可用于泄放電路功率管額定電流為50A，此外，該模塊還集成三相整流橋電路（額定電流為 50A）及過熱檢測熱敏電阻，選用該模塊利于系統(tǒng)整體布局，也減少了元器件數(shù)量，提高了系統(tǒng)的集成度。 3.5.4 緩上電電路 由于濾波電容能量儲存器在三相電源AC的作用即刻接通，如果不采取限制環(huán)路電流，大電流浪涌發(fā)生時，為了防止橋式整流器和供電電路故障或損壞系統(tǒng)設(shè)計慢電路，如圖中MF72-5D30M熱敏電阻系列三相電力線的電路圖中，當電源接通時在圖3-7主系統(tǒng)電路中所示，電容器是由熱敏電阻充電，一旦電流流過通過熱敏電阻的增加，熱敏電阻溫度升高時，電阻急劇下降，最后的效果相當于短路。 3.6.5 泵能泄放電路 當電動機（包括負載）在高速旋轉(zhuǎn)突然減速或停止，這將是一個現(xiàn)象“泵出”，如果不是泵浦抑制電壓，以壓力泵送增大沿，可以導致逆變器電路和整流電路濾波器電容器和其它裝置具有過壓的損害，所以，該系統(tǒng)可以被設(shè)計為泵泄放電路。泵可以辭退電路的滯后電路，采樣電路的輸入電壓總線當電壓總線達到700V，滯后電路生產(chǎn)低，控制系統(tǒng)，排放控制信號主管電源電路V7搭載泄放電阻下載完整而當母線電壓低于640V時，高遲滯電路生產(chǎn)，放電電路停止放電。3.6 系統(tǒng)檢測與保護電路設(shè)計 3.6.1電流檢測與電流保護 系統(tǒng)需要電動機電樞電流，回路電流來實現(xiàn)閉環(huán)控制的精確檢測。此外，該系統(tǒng)也停止當前樣品，用于過電流保護。該方法包括：檢測一個電流取樣電阻，電流傳感器采樣，采樣和其他電流互感器，考慮美國Honeywell公司CSNE151-100電流傳感器，0.5％的電流傳感器的精度，比響應時間線性更多更好0.2％的所選擇的系統(tǒng)是小于1μs的，高達150kHz的帶寬，-40℃?+ 85℃的工作溫度范圍。采樣濾波器流量傳感器電路后，然后將它們發(fā)送到控制和保護電路，電流檢測電路如圖3-8所示。 圖3-8 電流檢測電路 該系統(tǒng)使用一個比較值的過電流使匹配接收信號電流保護和過電流信號被發(fā)送到CPU進行處理，在過流時間的情況下阻斷PWM母線電流樣本的保護，保衛(wèi)逆變器電路的作用IGBT模塊。本系統(tǒng)過流保護值設(shè)置為65A。電路如圖3-9所示。 圖3-9 保護電路 3.6.2 角度位置（速度）檢測 在系統(tǒng)中需要精準的檢測電機轉(zhuǎn)子的角度位置（速度），目前常用的檢測方法分別有光電編碼盤（絕對式和增量式）、旋轉(zhuǎn)變壓器及無位置傳感器位置檢測等方法，本系統(tǒng)采用光電增量型旋轉(zhuǎn)編碼器檢測方法，選用歐姆龍編碼器E6B2-CWZ6C模塊。 第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 4.1 軟件總體結(jié)構(gòu) 當確定了硬件系統(tǒng)和設(shè)計后，系統(tǒng)的性能和可靠性在很大程度上取決于系統(tǒng)軟件的優(yōu)點，對于硬件電路相對來說，控制軟件更加靈活，易于實現(xiàn)靈活的設(shè)計，具有高可靠性和通用性，合理的控制方式，控制策略和良好的控制算法將顯著提高控制系統(tǒng)的性能。 本章結(jié)合速度TMS320F28335，控制精度，充分發(fā)揮其要求更有利的電機控制整體設(shè)計，調(diào)度功能記錄和良好的環(huán)境，以設(shè)計完整的控制系統(tǒng)軟件，并充分考慮了設(shè)計空間設(shè)計和可操作性，控制并嘗試提高系統(tǒng)的性能和功能。在設(shè)計過程中遵循模塊化設(shè)計，主要項目為中心，重心中斷服務例程中心和檢查SVPWM，電流和電壓的采樣率（位）計算，控制器等程序分析和設(shè)計。 這個系統(tǒng)DSP（TMS320F28335）為核心的控制系統(tǒng)中，DSP承擔的大多數(shù)設(shè)計軟件，充分分析本系統(tǒng)的實施所需的軟件的功能的早期階段的任務和計算機控制的主要實現(xiàn)速度閉環(huán)并計算環(huán)路電流和計算，SVPWM算法，PWM生成信號，信號處理和系統(tǒng)保護功能，使所有的軟件可分為主程序和中斷例程服務兩部分，整個系統(tǒng)的軟件總體結(jié)構(gòu)如圖 4-1 所示。 圖4-1 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu) 主程序負責DSP和各種功能模塊，如定時器，GPIO等的初始化完成，并中斷服務程序被分成中斷計時器機動力中斷保護。每次系統(tǒng)上電或時間復位，先進行程序初始化，DSP內(nèi)部各功能模塊的工作來設(shè)置和檢測初始狀態(tài)，然后破開，系統(tǒng)將執(zhí)行主程序，主流程執(zhí)行方案提供中斷服務程序完成后，系統(tǒng)會執(zhí)行滿足條件立即終止服務程序。在這個系統(tǒng)中，驅(qū)動電源保護方案中斷具有最高優(yōu)先級的中斷服務程序。 4.2 主程序 主程序主要完成系統(tǒng)初始化和實現(xiàn)循環(huán)等待中斷功能。系統(tǒng)在上電或復位后，程序會執(zhí)行初始化子程序，主要完成對時鐘模塊、看門狗模塊、PWM 模塊、I/O、SCI、CAN、定時計數(shù)器以及中斷等的初始化，還完成相關(guān)參數(shù)變量初始值設(shè)置。系統(tǒng)主程序流程圖如圖 4-2 所示。 圖4-2 系統(tǒng)主程序流程圖 4.3 中斷服務程序 當所有的初始化完成后，系統(tǒng)進入循環(huán)等待狀態(tài)，然后運行控制軟件程序服務中斷當中斷到來時，執(zhí)行相應的程序中斷服務，其中包括一個定時器中斷驅(qū)動的削減國防預算的能量。 4.3.1 定時器中斷程序 定時器中斷服務程序是領(lǐng)先的系統(tǒng)設(shè)計軟件，間隔定時器中斷由PWM頻率決定，為10kHz的PWM系統(tǒng)的頻率，周期為100μs計時器中斷，定時器中斷服務程序，以實現(xiàn)以下功能：速度模塊，主旋翼來計算實際速度和速度誤差通過調(diào)節(jié)速度計算，調(diào)節(jié)器算法，得到一個交軸電流指令。 電流模塊，主要對定子電流信息進行讀取，并計算直軸和交軸電流誤差，通過電流調(diào)節(jié)器得到直軸和交軸電壓的給定。 SVPWM 模塊，主要得到 PWM 控制脈沖的占空比，并對 PWM 輸出寄存器定時計算和更新。定時器中斷服務程序流程圖如圖4-3。 圖4-3 定時器中斷服務程序流程圖 4.3.2 功率驅(qū)動保護中斷程序 當硬件電路的保護時，DSP將保護引腳TZ1接收信號設(shè)為低電平，從而產(chǎn)生驅(qū)動電源保護中斷控制器停止工作和生產(chǎn)計數(shù)器和控制PWM脈沖，如圖所示。保護驅(qū)動電源的中斷服務程序流程，主傳動斷電保護如下： 中斷過流，過電流，一般是由于同一橋臂伸直，或由隔離降低電機電樞。過電壓中斷：總線過壓，一般是由于交流輸入電壓過高或泵能排出電路出現(xiàn)故障，在發(fā)動機停止并且所述泵可通過反應而引起。功率驅(qū)動保護中斷程序流程圖如圖4-4所示。 圖4-4 功率驅(qū)動保護中斷程序流程圖 4.3.3 SVPWM產(chǎn)生程序 這里只介紹在 DSP 中的軟件實現(xiàn)。程序采用了七段式生成方案，根據(jù)系統(tǒng)及 IGBT 模塊的參數(shù)要求，PWM 的載波頻率按 10kHz 設(shè)定，且死區(qū)時間為 4s。使TMS320F28335 的定時器1工作在連續(xù)的增減計數(shù)模式，通過計算得到來產(chǎn)生 SVPWM。 4.3.4 電流和電壓采樣程序 在第 3 章已經(jīng)介紹了電流和電壓檢測，檢測得到的電流和電壓采樣信號均 為10V 范圍，系統(tǒng)中通過DSP控制器實現(xiàn) A/D 的轉(zhuǎn)換DSP，ADC模塊有12位的數(shù)據(jù)采集芯片，具有串行和并行模式下，適用于各種數(shù)字信號處理器的接口，它包括一個多路轉(zhuǎn)換器，采樣保持放大器，+2.5V基準電壓源，ADC12的高速度和高速接口電路，具有八個模擬通道，每個通道具有過壓保護。 1.4μs時間取樣，模數(shù)轉(zhuǎn)換時間為1.6μs，當只有一個信號采樣信道，采樣率高達500kbps，從采樣八通道信號，62.5kbps的采樣率，消耗低功率可以是串行或并行，也可以選擇一個范圍的輸入信號的它非常適合于電機控制，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和測試設(shè)備等應用。在本系統(tǒng)設(shè)計中，ADC設(shè)置為并行讀取模式，通過軟件方式選擇采樣通道和讀取輸出結(jié)果，并且考慮到 IGBT 開關(guān)對電流和電壓采樣會產(chǎn)生干擾，在軟件中設(shè)計了低通濾波器，濾除系統(tǒng)的高頻干擾信號。電流電壓采樣程序流程圖如圖4-5所示。 圖4-5 電流電壓采樣程序流程圖 4.3.5 速度計算程序 在第3章已經(jīng)介紹了速度（位置）的檢測方法，已經(jīng)提到編碼器處理芯片AM26LS32，而在電路設(shè)計中采用了串行讀取方式，速度計算程序如圖4-6所示。 圖4-6 速度計算程序流程圖 4.4 PID調(diào)節(jié)及參數(shù)整定過程 試湊法就是通過是湊比例、積分和微分的參數(shù)關(guān)系來達到系統(tǒng)穩(wěn)定輸出溫濕度信號的效果，進行閉環(huán)試驗，然后觀察該系統(tǒng)的響應曲線，再根據(jù)每個控制參數(shù)對該系統(tǒng)響應的一些影響，進行反復的試湊參數(shù)，達到對系統(tǒng)滿意的響應，最后得到PID系統(tǒng)控制的參數(shù)，試湊法不是盲目的方法，是在控制理論指導的前提下進行的，在該課題中，當溫濕度出現(xiàn)明顯變化時，此時先是湊P參數(shù)，如果由于P參數(shù)調(diào)節(jié)過度造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，反正震蕩，及溫濕度輸出信號處于波動狀態(tài)，此時需要引入積分環(huán)節(jié)，即開始是湊I參數(shù)。以下是是試湊法的一些具體實施過程。 （1）整定系統(tǒng)的比例部分，把比例系數(shù)P由小變到大，同時觀察系統(tǒng)溫度變化的響應，直到能夠獲取超調(diào)量小而且反應快的響應曲線，如果系統(tǒng)的靜差量小到該系統(tǒng)允許范圍內(nèi)，響應曲線則符合要求，那么只選用比例控制就可以，由此確定系統(tǒng)的比例系數(shù)P。 （2）如果溫濕度在比例控制前提下靜差滿足不了設(shè)計的要求，則需要加入一個積分環(huán)節(jié)，系統(tǒng)參數(shù)整定時要先置積分時間量I為一個較大的值，并且將第一步整定后得到的比例系數(shù)P略微縮?。ɡ缈s小到原值的0.8倍），然后縮小系統(tǒng)的積分時間，這樣使得該系統(tǒng)溫濕度調(diào)節(jié)信號能夠準確輸出的基礎(chǔ)上，靜差可以得到有效消除，在該過程中可以根據(jù)響應曲線來反復改變積分時間和比例系數(shù)，以得到滿意的控制效果完成系統(tǒng)的整定參數(shù)。 4.5 PID控制算法 PID 控制器由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成。其輸入e(t)與輸出u(t)的關(guān)系為： 4.8 式中積分的上下限分別是0 和t 。因此它的傳遞函為: G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TIs)+TDs) 4.9 其中kp為比例系數(shù)； TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù) 比例KP 用來控制當前，誤差值和一個表示比例的負常數(shù)P相乘，然后同預定量相加，P只有在系統(tǒng)誤差和控制器輸出成比例時才成立，KP可以快速的跟蹤變化量，及時的產(chǎn)生與之相關(guān)的調(diào)節(jié)作用。但是是有差調(diào)節(jié)，無法消除靜態(tài)誤差。積分KI用來控制以前的量，誤差量是過去的一段時間內(nèi)的誤差和，再乘一個負常數(shù)I后和預定值相加，預定值的平均誤差和系統(tǒng)輸出結(jié)果由I從過去的平均誤差量來獲取。只有一個簡單的比例的系統(tǒng)會產(chǎn)生振蕩，而且在預定值上下會來回變化，因此系統(tǒng)無法消除其多余的糾正，通過加上負的平均誤差比例值，平均的系統(tǒng)誤差量就會總是減少。因此最終這個PID控制器的回路系統(tǒng)會在其預定值附近定下來。 微分KD用來控制將來，計算系統(tǒng)誤差的一階導，并且乘以一個負常數(shù)D，然后與預定值相加，這個導數(shù)值的控制會對該系統(tǒng)的改變作出相應的反應，導數(shù)結(jié)果越大，那么該控制系統(tǒng)對輸出結(jié)果作出的反應就越快速。這個參數(shù)D也是PID成為可預測控制器的原因。參數(shù)D對減少控制器短期內(nèi)的改變有很大的幫助。在一些實際中，速度較緩慢的系統(tǒng)可不需要參數(shù)D。 由于溫度控制加熱裝置是一個具有大的延遲的執(zhí)行機構(gòu)，所以在PID 控制中不能加入積 分環(huán)節(jié)。否則會導致控制器調(diào)節(jié)輸出效果震蕩。所以該溫度控制采用PD控制。同時加入一個一階慣性 環(huán)節(jié)，構(gòu)成不完全微分，給調(diào)節(jié)單元一個超前的調(diào)節(jié)。實際使用中，為了減少計算時間，將位置式PID轉(zhuǎn)化為增量式。 PID調(diào)節(jié)溫濕度的具體程序如下所示。 　void pid_tune(struct _pid *pid, float p_gain, float i_gain, float d_gain, int dead_band) 　　{ 　　 pid->pgain = p_gain; 　　 pid->igain = i_gain; 　　 pid->dgain = d_gain; 　　 pid->deadband = dead_band; 　　 pid->integral= integral_val; 　　 pid->last_error=0; 　　} 總結(jié) 自畢業(yè)設(shè)計開題以來，通過不斷查找資料，設(shè)計機構(gòu)方案，編寫程序，分析問題，最后終于完成了該篇論文，定下了現(xiàn)在這個方案。在此份技術(shù)報告中，主要介紹了課題設(shè)計的基本思路，包括自動控制理論，電機逆變驅(qū)動電路，以及最重要的控制算法等內(nèi)容。 在電路方面，仔細查閱各個芯片的技術(shù)文檔，對各個模塊進行設(shè)計，保證電源模塊、最小系統(tǒng)模塊、傳感器模塊、電機逆變及IGBT驅(qū)動模塊等穩(wěn)定的運行，對其中的部分模塊進行了升級。最后以報告中所提到的形式?jīng)Q定了最終的電路圖。 在控制算法方面，查閱了有關(guān)欠驅(qū)動系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、倒立擺系統(tǒng)等算法的相關(guān)資料，學習自動控制原理。最后根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗以及數(shù)據(jù)積累，最終確定了基于非線性欠驅(qū)動系統(tǒng)的控制算法，加入了動態(tài)模糊PID的速度修正，并在軟件中抑制系統(tǒng)零點自激振蕩方面有了顯著的效果。 經(jīng)過畢業(yè)設(shè)計這段時間，我受益匪淺，收獲了很多課本上學不到的知識，提升了自己分析問題和解決問題的能力，在歷時幾個月的充分準備之后，我有信心順利通過答辯。我的知識還不夠豐富，考慮問題也不夠全面，但是這份技術(shù)報告作為我在杜麗敏老師指導下幾個月辛勤汗水來的結(jié)晶，隨著該論文的完成，這份經(jīng)驗將永伴我們一生，成為我們最珍貴的回憶。 致謝 在杜麗敏老師的親切關(guān)懷和耐心指導下我順利的完成了本次的淪文，無論是從一開始的定題，收集資料再到撰寫論文，修改最終定稿，我的導師杜麗敏女士都給了我無私的幫助在此向杜麗敏老師表示我誠摯的感謝，同時感謝所有的所有同學以及我的任課老師在這四年里給我的指導和幫助，是他們讓我更好的接收和掌握了專業(yè)課知識，讓我知道如何去學習，在此表示由衷的感謝。 時光荏苒，大學生活即將結(jié)束我們也將走向社會開始新的征程，此次畢業(yè)論文是個值得回味的學習體驗，感謝我親愛的室友和同學要不是在你們的幫助下我也不能解決一個又一個的困難這么順利的玩成這次畢業(yè)論文，在此感謝我親愛的室友和同學們希望你們畢業(yè)后前程似錦。 通過寫畢業(yè)論文，自己系統(tǒng)的總結(jié)了大學四年所學的知識，將書本知識和實踐相結(jié)合，這次撰寫畢業(yè)論文也意味著大學生活即將結(jié)束馬上又要開始新的學習和生活。 杜麗敏老師是個十分負責任的老師，每天工作之余也不忘找我們到自動化教研室開會給我們講解論文查看我們，論文進度。杜麗敏老師每天工作都十分忙但是他對工作卻一點也不含糊，杜老師這種對工作一絲不茍的態(tài)度值得我們每個即將畢業(yè)走向工作崗位的同學習，杜麗敏老師確實是個優(yōu)秀的老師，一個老師的責任不但是傳道授業(yè)解惑，更是教會他的學生們?nèi)绾巫鋈巳绾稳Υ约旱纳詈蜕磉叺呐笥?。即將走向工作崗位的我認為這次的畢業(yè)論文經(jīng)歷是個值得我以后回憶的一次經(jīng)歷因為這次畢業(yè)論文我收獲了友情，還學會了對學術(shù)知識一定要本著一絲不茍的態(tài)度去做，最后再次感謝我們的杜老師在這個炎熱的夏天給了我們幫助使我們不會在炎熱的夏天感到煩躁，感到畢業(yè)論文帶來的壓力，謝謝杜麗敏老師我保證以后走向工作崗位一定將你這種兢兢業(yè)業(yè)的工作態(tài)度和一絲不茍的學術(shù)態(tài)度傳承下去發(fā)揚光大。在臨近畢業(yè)時i能夠經(jīng)歷一次這么有意義的經(jīng)歷，我感覺我的大學生活已經(jīng)圓滿了，感謝大學生活中幫助我的老師和同學們，希望我們都前程似錦擁有一個美好的明天，不忘初衷，方得始終。 參考文獻 [1] 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[15] 李燁，永磁同步電機電機伺服系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及應用前景[J].微電機,2001(4):30-32 附錄1 //==================================================== //PID.h文件 //==================================================== #ifndef PID_H #define PID_H #include "C28x_FPU_FastRTS.h" #define PID_DEBUG 1 //條件編譯的判別條件 //----------------------------------------------------------------------------- //定義PID計算用到的結(jié)構(gòu)體對象類型，在創(chuàng)建多個實例時，只需將變量聲明為PID_FUNC類型即可 //----------------------------------------------------------------------------- typedef struct { float Give; //輸入：系統(tǒng)待調(diào)節(jié)量的給定值 float Feedback; //輸入：系統(tǒng)待調(diào)節(jié)量的反饋值 //PID調(diào)節(jié)器部分 float Kp; //輸入：對應式（15-53）中的Kp float Ti; //輸入：對應式（15-53）中的Ti float Td; //輸入：對應式（15-53）中的Td float T; //輸入：離散化系統(tǒng)的采樣周期 float a0; //輸入：對應式（15-58）中的a0 float a1; //輸入：對應式（15-58）中的a1 float a2; //輸入：對應式（15-58）中的a2 float Ek; //中間變量：對應式（15-58）中的e(k) float Ek_1; //中間變量：對應式（15-58）中的e(k-1) float Ek_2; //中間變量：對應式（15-58）中的e(k-2) float OutMax; //輸入：PID調(diào)節(jié)器的最大輸出限幅 float OutMin; //輸入：PID調(diào)節(jié)器的最小輸出限幅 float Output; //輸出：PID調(diào)節(jié)器的輸出，對應式（15-58）中的u(k) float LastOutput; //中間變量：PID上一周期的輸出值，對應式（15-58）中的u(k-1) void (*calc)(); // 函數(shù)指針：指向計算過程 } PID_FUNC; //----------------------------------------------------------------------------- //聲明PID_FUNC_handle為CLARKE指針類型 //----------------------------------------------------------------------------- typedef PID_FUNC *PID_FUNC_handle; //----------------------------------------------------------------------------- //定義PID調(diào)節(jié)器的初始值 //----------------------------------------------------------------------------- #define PID_FUNC_DEFAULTS {0,0, \ 0,0,0,\ 0.0002, \ 0,0,0, \ 0,0,0, \ 0,0,0,0 \ (void (*)(Uint32))PIDfunc_calc } //----------------------------------------------------------------------------- // 函數(shù)聲明 //----------------------------------------------------------------------------- void PIDfunc_calc(PID_FUNC_handle); #endif //============================================================== //End of file. //============================================================== //============================================================== //PID.c文件 //==============