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基于 D P的无刷直流电动机矢量控制系统 SVe t rCo t o y tm f u h e sDie t c o n r l se o s ls r c S Bl Cu r n o o s d On DS r e tM t rBa e P

刘成

沈

琪

刘志强上海 2 03 ) 0 15

(上海海事大学电气自化系动

摘要

根据系统控制对象的特点，从模块化及数字化的角度出发，选取以 L 20A为控制 F47

芯片，设计了一种基于 DP的正弦波无刷直流电动机矢量控制方案.按照模块化的思想，将系统 S 控制中的矢量运算通过 DP实现算法控制，最终完成以数字信号处理器为核心的正弦波无刷直流 S电动机矢量控制系统.实验结果表明这种控制系统满足了正弦波无刷直流电动机高性能伺服控制所需参数的准确性与实时性要求. 关键词正弦波无刷直流电动机 D P数字化处理矢量控制 SAbtat/ codn ocaatr t f Vc rC nrlSs m o peig teds no s c nacri t hrc ii o et o t y t,cm l n h ei r g esc o o e t g f Vc rC nrlyt L ae nL 20A R a￣n eVco ot l rh eiB e S et o t se o DCbsdo F 4 7 . eli t etr nr i m t yt P o o S m fB gh C oa t c h D bsdo e o ueie1Ep r ett ni i ts eytm如 lte e n vrctadra ae nt dl da. xei nai dc e s h m m o n a t s e h l mado eai n l d h f y e t eo te ih e omac ev ot lyt B DC i f, hg p r r ne rocn oss mO L m . h f s r e fKe wo d Bls l sDi c u rn oo, P dgtl o esn, e tr o t l y tm y r s uhe r t re t trDS, ii prc sig v co nr se s e C M a c os

中图分类号：T 0.文献标识码号：A文章编号：10.34 20) 403.4 M3 1 2 0585 (04 0—060

1引言 随着电机本体及其相关技术的迅速发展，新型电机不断涌现 .无刷直流电动机”“的概念已由最初“指”特

具有特定电子换向的直流电动机发展到“泛指”一切具备有刷直流电动机外部特性且没有电刷的永磁直流电动机 .无刷直流电动机系统按其绕组反电势 B MF的波形和电流的波形可分为两大类： E 方波无刷直流电动机和正弦波无刷直流电动机. 正弦波直流无刷电动机具有比方波无刷直流电动机及其它交流伺服电动机更加优越的性能 .随着新的控制理论及控制手段的应用，使得由正弦波无刷直流电动机作为执行元件构成的永磁交流伺服系统具有逐步占居现代电伺服驱动系统主流的趋势 .同时，随着工业生产方式的日益自动化和复杂

性能电伺服系统的正弦波无刷直流电动机伺服控制系统也就日渐成为广大科研人员竞相关注的“焦点”和研究的“热点”之一….

T 3 0 F 4 7具有高速数字信号处理器和 MS 2L 2 0A数字控制功能所必需的结构特点，同时还有单片电

机控制应用方案所需的外设功能.它的指令执行速度达到 4 MIS 0 P,几乎所有的指令都可在 2 n 5 s的单

周期内完成，其指令集不仅适合于完成算法控制及各类“信号处理”类算法，而且其片内带有的用于驱动控制及信号采集的外设也极大的改善了系统的集成度与可靠性 .其强大的处理能力为系统进行矢量控制运算及相关信号的处理奠定了良好的软硬件基础[ .

化，对现代电伺服系统提出了更高的驱动要求，尤其是一些特殊生产设备发展的需要，更是成为促进现代电伺服系统朝着“性能、智能化、柔性化、高 数字化”方向发展的“化剂”催 .因此，代表当前高3 6一

2基于 D P的双闭环矢量控制 S基于 DS的电动机双闭环矢量控制数字化模 P块包括响应说明、受控过程、计算单元、测量系统参数变量的传感器、AD等 .本文依靠了 L 2 0A/ F4 7机电设各 20 0 4年第 4期

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优良的集成性能，实现了数据采集、矢量运算和信号输出的合成，同时按照双闭环控制策略完成正弦

能过高，因此本系统根据计算，设置电流环处理周

期为 8u,速度环处理周期为 60s 0s 4u.21双闭环的中断处理 .

波无刷电动机速度、转矩的快速响应 .电机双闭环控制原理如图 1所示，

速度环为控

L 2 0A内核提供一个不可屏蔽的中断 N F 47 MI和 6个按优先级获得服务的可屏蔽中断

制系统外环，负责对参考转速与实测转速进行比较，

再通过速度调节器对转速差进行 P调节， I得到电流环调节所需要的电流参考值，对电流参考值与实测电流之差进行 P I调节，生成矢量控制所需要的电

I 1 NT .有的硬件中断线都被赋予各自相应 NT…I 6所的中断级 .中断中，可屏蔽中断 NMI在不和可屏蔽中断 I 1 N 6可由用户编程使用 .而对于每一 NT…IT级中断，L 2 0 A片内又有不同 F 47 的中断源与其衔接，并能根据中断优先级的高

压，完成双闭环控制 .在双闭环矢量控制系统中，了实现电流/为转矩

调节的快速性，通常设置电流环的调节频率高于速度环 .但是，电流环调节由于受程序量、处理器处

低确定不同中断源被 DS P响应的顺序：具有高优先级的源的中断会被 D P首先响应【 S 2】.

理速度及逆变桥功率器件开关速度的制约，频率不

图中：/df、/e 'r S

一一电动机给定转速与实测转速：

f、i￣ Se q: f 6、

一一速度调节器得到的 (- )坐标系下电流给定值； dq轴 一一采样获得的电机两相电流值；一一

电动机转子电角度值 .

图 l双闭环矢量控制原理框图

本文根据双闭环处理的周期，确定使用 L 2 0A事件管理器中的定时器 1为双闭环处理 F4 7作的时基，同时将双闭环的处理程序置于该定时器的下溢中断服务程序之中.由于定时器 1的下溢中断处于第 2级可屏蔽中断源 I 2中 .因此设置中断 NT

完成 8 u的 DS 0s P电流环配置 . 速度环处于控制系统的外环，且周期为电流环

的 8倍 .由于 D P控制系统还将包括过电流保护中 S断 P PNT D I、外部中断 XI NT,为了尽量减少处理器

的中断使用量，防止中断过多引起系统混乱，本文将速度环的处理放于电流环内，过计数变量控制，通 实现每处理八次电流环进行一次速度环处理，达到速度环与电流环工作周期的预设定值 .

屏蔽寄存器 I为 0 0( MR 1二进制数 )由于电流环；的时钟周期为 8 u,且以 L 2 0 A的 4 M主频为

0s F4 7 0

计数时钟，因此通过定时器 1的时钟控制寄存器 T C N将定时器的工作模式设定为对称模式，周 1O其期寄存器 T P 1R值为 10 .通过以上设定即可初步 60机电设备 20 0 4年第 4期

2速度环调节 . 2由正弦波无刷电动机本体参数可知，其额定转一 3 7—

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速为 30 r i.则可通过公式 ( )得到电机在最 00/ n m 1大允许转速下的运行频率为 10 z 2H .—

号在每次电流环计算过程中的实时性与精确性 .

6 _二厂= 0 _ —

p

() 1

3矢量控制系统实验结果系统控制对象，正弦波无刷直流电动机运行参数如下：

式中：电机极对数为 2;最大转速 , l 3 0 ( mi . 6 0r n / )

额定电压——20 2V:额定电流——35 . A;额定转速最大电流

由于电机转角信号由霍尔传感器得出，因此 通过测频法计算速度环的转速，即通过公式 ( )计 2

—— 30rnr oO/ i: II—— 1A: O——5 0 . oW

算电机实际转速 .=

S e)t r ( ￣ td O

r 7、

功率

式中：乃，乃一时间：

速度环周期的起始时间与终止

经过数字离散化后，上式变为：

(鼍 J -D} ) S= P E E式中：附厂 E间隔的转子位置电角度值 .

(D) ( J.、}… 3 -。, ){T

速度环周期，即为 6 0s 4u:

(, (xTPE) ) T+ s D——以速度环周期为时间 E一

;

+} 一

÷÷

{:

经过以上处理获得电机实际转速后，将其与通

+

’

过人机接口设窟的电机参考转速 进行比较，勋获得转速误差 e E (,为电流环调节做准备. SE k PD)

1…

L _ _Li…

一

一一

i一0

T… 7一十

一… 一 _

7j

P (= (一 ( (= .∞ r册七 七七 J D. J 4 ) ) )} .、2电流环调节 . 3由矢量控制基本原理可知，电流环中矢量变换所需的电机相电流的采样频率必须等于或大于电流环的调节频率，且通常为电流环频率的 1 O至 2, O倍 即电机相电流及电机转角位置的测量采样频率最高}

+

+

十

{

将达到 20 H .由于 L

2 0 A内部外设带有两路 0k z F 471通道的 1位 AD采样保持器，因此可以满足电 6 O/ 机相电流的采样处理.通过线形电流霍尔传感器对相电流进行采样 .f‘

{

十十

l l

To姐 0￡{ i。 mV ' sⅢ f 0 8

图 2 D P输出的 S P S V WM调制波以及经R C滤波后的正弦波图

L 2 0A通过控制寄存器 A C R 1及 F47 DTL

A c R 2片 1位 AD设置为连续采样模式， D T L‘ 0祷/即 D P每 6 u进行一次 A D采样，并将 1 S .s 6/ O位采样值存入结果寄存器 A C IO中. D FF由于 A C IO D FF 为二级缓冲存储模式，在每次电流环计算开始时读取 A FF所得的采样值即可认为是当前时刻电 DC IO机的相电流值 . 在矢量控制中，电机转子的位置在 P R A K及反 P R运算中至关重要 .因此需要保证转角位置信 A K一

本文实现的双闭环矢量控制相关实验数据波形如下所示，中坐标横轴为时间变量 t纵轴为电压其，变量 V.电机开环稳态运行时，DS P的 P WM端口 输出的 P WM波形如图 2所示，且通过 R C滤波网络可以清楚的看到 S WM调制输出相位相差 10 VP 2。的两相正弦波. 系统在施加恒负载的情况下，电机启动电流波机电设备 20 0 4年第 4期

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形如图 3 A,图 3 B所示 .电机从 0/ n加速到稳定 r mi的 12 r n 4 5/、从 0/ n加速到稳定的 1 5 r i mi r mi 9 0/ n分 m

本文通过设计的硬件电路控制系统成功地完成了正弦波无刷直流电动机的双闭环矢量控制.运用 SP V WM调制方法能够较好的减小励磁电流中的谐波分量，同时增大逆变器的电压输出能力.

别用时 7 s 84 .启动过程的相电流波形显示出 .与 . 2 s对系统施加恒负载时，系统具有良好的控制能力， 启动时间较空载启动时间稍短 .

4结论 -通过对正弦波无刷直流电动机矢量控制系统的研究，本文得出以下结论：

()用矢量控制理论能够很好地应用于正弦 1采波无刷直流电动机的驱动控制 .实验验证，系统实现的电动机转速、电流双闭环的控制策略较好的达到了电动机高性能伺服控制的要求，

并使系统具有较宽的调速比及优良的动态响应特性 .

( 2 )通过运用数字信号处理器 T 30 F4 7 MS2 L 2 0A,本文实现了软件 S P V WM调制，图 3闭环恒负载启动波形 (4 5 mn A 12f i)

获得了很好的调制效果，并为矢量控制的最终实现奠定了良好的软、硬件基础 .

5参考文献}一

【 1】张琛 .直流无刷电动机原理及应用 .北京：机械工业出版社，19 . 96▲ - L u^■—■‘【 . - hu● . ● .

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作者简介：刘成男上海海事大学电子电力与电力传 动专业硕士研究生 .研究方向：电机的数字化控制 .;;=;: ;:;;;:;;;=;===;;;;==:;;;;;;;::=;;;;:=

图3 B闭环恒负载启动波形 (90 mn 15f i)=::=::=::=::=::=::=::=::=::=::=:;=

新型变压器问世由新疆维吾尔自治区特变电工衡阳变压器有限公司自行设计制造的我国第一台 50 0KV级变压器于

20年 4月问世。该产品通过了中国机械工业联合会、国家电力公司等单位的鉴定，其产品技术性能达到 03了国内先进水平。 新疆特变电工公司与湖南衡阳现代电气设备集团在 20进行了重组， 00年成立了特变电工衡阳变压器有

限公司。2 0年该公司投资 1 6亿元，按 70 V级变压器的制造能力，对制造车间和试验大厅进行了全 01 . 6 5K面技术改造，建立了全封闭、全空调恒温恒湿无尘净化生产车间，引进并消化了国内外同行业的先进技术， 招聘了国内外顶尖电工专家 2多名， 0使公司从硬件到软件、从技术到人才各方面在全国同行

业中都处于领先地位，完全具备了 7 0 V以下级变压器研制的能力，并成功研制出我国第一台 50 V级变压器。 5K 0K 转摘自《国环境报》中机电设备 20 0 4年第 4期一 3 9—