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DSP在无刷直流电机控制系统仿真中的应用精
第18卷增刊2系
统仿真学报©Vol.18Suppl.2
2006年8月JournalofSystemSimulationAug.,2006
DSP在无刷直流电机控制系统仿真中的应用
张庆荣,刘平,杨春帆
(北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京100083)
摘要:
给出了一种应用于无刷直流电机控制系统的数字信号处理器(DSP)的模型。
根据实际DSP应用中各种重要的硬件功能、控制方法,以及各种环境干扰和非线性因素,在Simulink环境中构建了整个DSP模型,包括CAP模块、AD采样模块、PWM产生模块和控制模块。
通过使用Simulink模型优化技术,如CMEXS-函数和子系统封装技术,提高了DSP模型的仿真精度和速度。
结合无刷直流电机模型和三相逆变桥模型仿真所得到的结果表明,该模型能够较为准确地描述出无刷直流电机用DSP控制器的工作特性,对无刷直流电机的DSP数字控制系统的设计和实现均具有重要的实用价值。
关键词:
数字信号处理器(DSP);无刷直流电机(BLDC);仿真建模
中图分类号:
TP391文献标识码:
A文章编号:
1004-731X(2006)S2-0817-04
ApplicationofDSPinSimulationofBLDCControlSystem
ZHANGQing-rong,LIUPing,YANGChun-fan
(SchoolofInstrumentationandOpto-electricsEngineering,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beijing100083,China)
Abstract:
Anoveldigitalsignalprocessor(DSP)modelforsimulationofBLDCmotorcontrolsystemwasproposed.Accordingtovarioushardwarefunctions,controlmethodsandenvironmentdisturbancesandnon-linearityinrealDSPcontrolsystem,thewholemodelwasconstructedinSimulink,whichconsistsofCAPblock,ADsamplingblock,PWMgenerationblockandcontrolblock.Besides,severalSimulinkoptimizationaltechnologies,suchasCMEXS-functionandSubSystemMask,wereappliedtoimprovethesimulationspeedandprecisionofDSPsystemmodel.ByassociatingDSPcontrolmodelwithBLDCmodelandthree-phaseinvertermodel,thesimulationresultsshowthattheproposedmodelcandescribetheworkingconditionsofcontrolsystemexactlyandhasimportantpracticaleffectivenessfordesignandrealizationofDSPdigitalcontrolsystemforBLDCmotor.
Keywords:
DigitalSignalProcessor(DSP);BrushlessDCmotor(BLDC);simulationandmodeling
没有对DSP进行模块化,这使得BLDC控制系统模型不准确,仿真时和
DSP相关的各种参数需要分开设置。
另外,在实际电机系统中,是利用霍尔位置信号测量电机速度,因此采样周期是变化的,低速时采样周期要长,会影响速度调节器的输出。
而目前BLDC控制系统模型中,对速度信号的获取普遍是直接将机械运动方程计算出的速度值作为数字控制输入,这会造成仿真结果与真实结果的误差。
本文在Simulink环境中构建了DSP模型,考虑了实际系统中存在的各种扰动和非线性因素,结合无刷直流电机等模型构成BLDC数字控制系统模型,通过对仿真结果进行分析,验证了DSP仿真模型的正确性和有效性。
引言随着电力电子、集成电路、电机控制理论和永磁材料的快速发展,无刷直流电机(BLDC)在工业控制、精密仪器制造和航天航空等领域得以迅速推广。
由于数字控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大提高,以单片机为控制核的全数字化BLDC控制系统已逐步取代传统的模拟器件控制系统。
以数字信号处理器(DSP)为控制器构成的BLDC控制系统相对于单片机或微机具有更高的精度和速度,而且存储量大,具有逻辑控制功能和各种中断处理功能,丰富的数字输入输出口、通信口、专用电机控制PWM输出口,各种控制硬件集成在同一芯片中。
基于以上的优点,目前DSP广泛应用于BLDC的控制中[1]。
在Simulink中对无刷直流电机控制系统进行仿真建模,国内外已进行了广泛的研究。
在文献[2-4]中提出将无刷直流电机和数字控制系统模块分开,实现了电机控制系统模型。
以上这些文献中,是将电机电流和转速的控制功能、电机位置信号的获取功能、PWM信号的输出功能给分离开来,而
1DSP硬件结构及电机控制系统
本文基于TI公司DSPTMS320LF2407的运动控制专用芯片,建立仿真模型。
建模过程中需要关注DSP的以下一些特点:
(1)极高的工作频率。
40MIPS的执行速度使得指令周期缩短到25ns,从而大大提高了控制器的实时控制能力。
(2)两个事件管理器模块EVA和EVB,每个包括:
两个16位通用定时器;12个16位的脉宽调制(PWM)通道。
它们能够实现三相反相器控制、对称和非对称的PWM波形;六个CAP捕获单元;16通道A/D转换器。
事件管理器模块
收稿日期:
2006-04-05修回日期:
2006-06-09
作者简介:
张庆荣(1950-),男,山东济南人,副教授,研究方向为测试计量技术与仪器;刘平(1982-),男,江西南昌人,硕士生,研究方向为电机控制、仪器测试计量;杨春帆(1982-),男,内蒙古通辽人,硕士生,研究方向为电机控制、仪器测试计量。
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统仿真学报Aug.,2006
尤其适用于控制无刷直流电机及其逆变器。
(3)10位A/D转换器最小转换时间为500ns。
实际的DSP电机数字控制系统实现采用TI公司的DSPTMS320LF2407作为主控制器,IR2130作为三相逆变桥的驱动芯片,MOSFET管IRF3710组成三相逆变桥。
系统框图如图1所示。
图2DSP系统结构仿真模型
定的时间S-函数将电机转速值转化为DSP中的内存值后输
出给控制模块,作为速度调节环的输入。
使用CMEXS-函数[6]实现以上功能,不仅执行速度加快,而且由于结合了C
语言的优势,使得模块的功能更容易实现。
在CMEX文件中,使用宏函数staticvoidmdlInitializeSizes(SimStruct*S)进行初始化,定义一个SimStruct数据结
构。
然后再使用宏函数对输入输出进行设置。
初始化中定义有1个信号输入,1个转速输出,通过ssSetInputPortWidth和
ssSetOutputPortWidth等宏函数来实现。
在staticvoidmdlOutputs(SimStruct*S,int_Ttid)子函数中,输出不同时刻的反电动势信号,以及霍尔和使能信号。
CAP模块如图3所示。
图1DSP无刷直流电机控制系统框图
DSP控制系统采用转速、电流双闭环数字串级控制。
主环为速度环,副环为电流环。
DSP根据霍尔信号计算出电机速度反馈值,与给定的转速值进行比较后,进行PI增量式调节,输出电流环的给定值。
为避免输出参考电流值过大,应对最大值进行限制。
使用DSP中的一路AD通道对电源输出电流进行采样后,进入电流环进行PI增量式调节,改变DSP输出的
PWM占空比,以达到调节电流的目的。
为防止电机绕组中电流过大,要设置一个PWM占空比的最大值。
DSP输出的六路PWM信号经功率放大后,输出至三相逆变桥,用于无刷直流电机的换相和控制。
三个霍尔位置信号经电平转换后,直接输入DSP事件管理器中的三个捕获CAP端口,DSP根据霍尔位置信号的跳变沿进入程序中断,进行BLDC的换相和计算当前转速。
图3CAP模块
2.2AD采样模块
AD采样模块如图4所示。
DSP对电源输出电流进行AD采样,与电流参考值比较后经电流调节器对输出的PWM占空比进行调制。
而电源输出电流会由于PWM的调制作用产生纹波,如直接进行采样会影响DSP中电流数字调节器的控制效果,因此必须在DSP中对AD采样电流值进行数字平均滤波,以消除纹波对电流控制的影响。
仿真模块中同时考虑了电流随机噪声对AD采样的影响,并把采样结果转换为DSP中存放AD结果的寄存器值。
2DSP仿真模型
在Simlink环境中采用子系统封装技术构建了DSP模型。
模型包括CAP模块,用于捕获三个霍尔信号跳变沿,并计算电机转速;AD采样模块,用于对电源输出电流进行采样;控制模块,用于实现转速、电流双环控制;PWM产生模块,用于输出六路PWM信号。
整个DSP仿真模型如图2
所示。
2.1CAP模块
CAP模块对BLDC模型输出的三个霍尔位置信号进行处理。
将三个霍尔信号直接输出作为PWM产生模块的换相逻辑信号。
并将一路霍尔信号作为S-函数的输入。
每隔一
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图4AD采样模块
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等:
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2.3控制模块
根据BLDC数字控制方法,构建出的控制模块如图5所示。
根据图1中系统模型,实现了电流转速双闭环数字控制。
模块采用Simulink中的DISCRETEPICONTROLED模块。
仿真前通过子系统封装对话框设定转速和电流数字调节周期、PI系数和最大饱和输出值等,并将各种参数设定为DSP中相应的内存值或寄存器值。
如图6所示。
另外,除本文中双闭环PI数字控制模块外,如要实现诸如模糊控制、自适应等控制、或构建速度观测器,可以采用S-函数的方法实现控制模块。
图7PWM产生模块
三相逆变桥模型直接采用MOSFET模块和直流电源模块,输出BLDC的三相电压信号。
并采用电流测量模块输出电源电流给DSP控制模块。
由DSP模块和BLDC模块构成的控制系统模型如图8所示。
并对系统进行了仿真,DSP模块和BLDC模块各个仿真参数如表1所示。
仿真时对A相电流进行了观测,结果如图9(a)所示,DSP模块输出PWM逻辑信号如图9(b)所示。
仿真结果证明了本文所提出的DSP仿真模型的正确性和有效性。
图5控制模块
图6DSP参数设置对话框
图8DSP无刷直流电机控制系统模型表1无刷直流电机模型仿真参数
电机参数
极对数8相电感0.002mH相电阻0.4Ω反电动势系数0.0023V/rpm阻尼系数2.87e-5N·m·s转动惯量0.0956kg·m2
PWM频率20KHz
控制参数
速度比例4速度积分16电流比例1电流积分6速度参考5000rpm速度环周期0.10485s电流环周期2e-4s
2.4PWM产生模块
根据CAP模块输出的三个换相逻辑信号,以及控制模块输出的PWM占空比信号,PWM产生模块输出六个PWM信号用于BLDC的换相和控制。
采样上侧功率管调制的方式,其中PWM1、PWM3和PWM5用于上侧功率管的调制,PWM2、PWM4和PWM6用于控制下侧功率管的通断。
构建出的PWM产生模块,如图7所示。
4结论
本文提出了一种基于DSP仿真模块的,无刷直流电机数字控制系统模型。
仿真结果表明:
DSP模块工作情况与实际情况非常吻合,能较准确地反映出采用DSP控制BLDC时的工作特性,在仿真环境中具体化了DSP各个功能模块,并能灵活地设置系统仿真参数,为将DSP更好地应用于BLDC的控制提供了一个良好的仿真平台。
3BLDC控制系统仿真
采用文献[5]提出的建模方法,并使用Simulink的子系统封装技术,实现了BLDC模型。
并使模型中输出反电动势和三相绕组电流的S-函数能根据电机位置输出三个霍尔位置信号HA、HB和HC。
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4结论
仿真结果说明:
(1)在高速采样条件下,连续广义预测控制(CGPC)能够在全空间范围内实现对导弹纵向飞行通道的高精度控制,并且控制量比较平稳,有效地克服了离散控制方法在高速采样条件下出现的控制抖动问题。
(2)对于临界最小相位系统,采用增量CGPC能够实现有效的控制。
(3)在全空间大空域、参数变化范围大的情况下,根据高度采用模型切换控制具有较高的鲁棒性。
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