毕业设计——基于DSP无刷直流电动机调速系统的设计

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1、 1 0 引言 随着社会生产力的发展， 需要不断地开发各种新型电动机。 新技术新材料的不断涌现， 促进了电动机产品的不断推陈出新。早在本世纪 30 年代，就有人开始研制以电子换向来 代替电刷机械换向的无刷直流机，并取得了一定的成果。但由于当时的大功率电子器件仅 处于初级发展阶段，没能找到理想的电子换向元器件。1955 年,美国的 D. Harrison等人首 次申请了应用晶体管换向代替电动机机械换向的专利，这就是现代无刷直流机的雏形，但 由于电动机尚无起动转矩而不能产品化。而后又经过人们多年的努力，借助于霍尔元件来 实现换向的无刷直流机终于在 1962 年问世，从而开创了无刷直流机产品化的新纪

2、元。70 年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件，如 GTO, MOSFET, IGBT 等相继出现，为无刷直流机的广泛应用奠定了坚实的基础1。 无刷直流机保持着有刷直流电机的优良机械及控制特性，在电磁结构上和有刷直流电 机一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子上放置永久磁钢。无刷直流机的电枢绕组像交 流电机的绕组一样，采用多相形式，经由逆变器接到直流电源上，定子采用位置传感器实 现电子换相来代替有刷直流电机的电刷和换向器，各相逐次通电产生电流，定子磁场和转 子磁极主磁场相互作用产生转矩。和有刷直流电机相比，无刷直流机由于取消了电机的滑 动接触机构，因而消除了故障的

3、主要根源。转子上没有绕组，也就没有了励磁损耗，又由 于主磁场是恒定的，因此铁损也是极小的,因而进一步增加了工作的可靠性2。 对于无刷直流机的控制器，当前主要有专用集成电路(ASIC)控制器、微处理器(MCU) 和数字信号处理器(DSP)等三种方式。对于专用集成电路(ASIC-Application Specific Integrated Circuit)使用时灵活性较差，受到的限制过多。现在市面上的无刷直流机控制器大 多采用单片机来实现。应用较多的是 8096 系列产品，但单片机的处理能力有限，特别是 需要处理的数据量大、实时性和精度要求高时，单片机往往不再能满足要求。 因此，人们便自然地想到

4、了 DSP(数字信号处理器)。由于 DSP 可对输入输出数据进行 高速处理， 特别是 DSP 器件还提供了高度专业化的指令集， 提高了数字滤波器的运算速度， 这样使得它在控制器的规则实施、矢量控制和矩阵变换方面具有得天独厚的优势。若要无 刷直流机完成一些较复杂的控制功能，如电压电流双闭环调速、转子电流正弦波驱动，则 必须要用运动控制专用微处理器。运动控制专用微处理器种类很多，尤其以 TI 公司的 TMS320C24 系列将电机控制所需的外围功能电路集成在一个 DSP 芯片内， 其具有体积小、 2 结构紧凑、易于使用、可靠性高的特点，运算速度可达 2040MINPS，指令周期仅为几十 纳秒，与普通的 MCU 相比，运算及处理能力增强 1050 倍，确保了系统具有更优越的控 制性能。因此，采用 DSP 作为控制芯片将是今后的发展方向。另外，采用 DSP 的专用集 成块的另一优点就是，可以降低系统对传感器等外围器件的要求，通过复杂的算法可以达 到同样的控制性能。 3 1 无刷直流电动机 本文针对有刷直流电动机存在换向火花、机械换向困难、磨损严重等缺点，提出了采 用无刷直流机来代替