若不是因为其相濡以沫,变幻莫测,进退两难,
忽远忽近,惨淡经营,山穷水尽,柳暗花明,又怎能称之为爱。

基于DSP28035高速永磁无刷直流电机控制系统(六)

4 系统软件设计

该系统所需达到的控制功能:分为起动和切换到基于旋转坐标的无位置传感器闭环控制以及调压调速两部分。其中基于坐标变化法的无位置传感器技术又包括逻辑换相判断和转速估计两部分。本系统采用开环起动,加速过程中有位置反馈,确保了起动的可靠性。当电机转速达到设定转速后,控制方式切换到旋转坐标法下运行。在无位置运行下,对三个交错并联的buck电路进行斩波控制实现调压调速。

系统主要完成以下功能:

(1) 实现电机电流闭环启动,该部分主要包括转子初始位置检测、加速以及切换到无位置传感器技术三个过程。

(2) 采集三相端电压,经坐标变换后的过零点来模拟换相信号,控制三相逆变桥实现换向。

(3) 正交坐标变换估算速度,进而计算出β值实时反馈,实现位置信号相位误差校正,同时实现转速闭环控制。

(4) 实现速度、母线电压、母线电流的闭环控制,实现调压调速功能。

系统软件设计以系统实现的功能为依据分为:主程序、无位置启动子程序、转速估计子程序、坐标变换无位置传感器技术子程序、调压调速子程序。下面就各功能模块进行详细介绍。

4.1 主程序

主程序流程图如图4.1所示。程序初始化后,Buck电路输出固定占空比的电压,判断电压是否大于U_th,如果大于则进入无位置启动子程序,再判断转速是否大于N_th,如果大于则切换到坐标变换无位置闭环运行程序。

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图4.1 主程序流程图

4.2无位置启动子程序

无位置闭环启动程序作为独立的软件包给出。包含的零初始位置检测、转子位置闭环加速、切换至无位置运行。

本系统应用了CPU定时器0的周期中断。起动阶段首先进行初始位置检测,检测到转子位置后实施加速,同时开启切换判断。若切换条件满足,起动结束;否则,继续加速直至切换条件满足。

图4.2为初始位置检测子程序。定时器0的周期寄存器用来设置脉冲和续流时间。在一个周期中断里施加一个检测电压矢量,在接下来的中断通过ADC采样直流母线电流,并实施续流,这样往复循环六次,即可得到六个不同的电流值,比较六个电流的大小就可以获得转子的初始位置。程序末尾通过置flag_speedup为1来启动位置闭环加速程序。

图4.3为位置闭环加速子程序。在得到转子初始位置后,就可以施加第一个加速电压矢量,让电机加速,加速时间仍然由定时器0的周期中断产生。初始位置检测结束后,切换判断与加速程序同时开启。在加速阶段,每次进入周期中断后,首先判断flag_speedup标志位。如果flag_speedup为1,说明加速需要继续进行;否则,加速结束。每次加速电压矢量维持时间结束后,需要进行位置检测。此时,由于预先知道上一个位置信号,因此只需施加两个检测电压矢量就能获得转子所在新的区间。通过比较两个检测电压矢量对应的电流大小来确定转子是否转至下一区间。若转子已转至下一区间,就相应调整加速电压矢量,否则继续施加原来的加速电压矢量。

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图4.2 初始位置检测                 图4.3 位置闭环加速

图4.4 为切换判断子程序。在加速过程中,利用坐标变换法实时计算电机转速。当电机转速达到设定1000rpm时,断开全桥逆变器的所有开关管,为切换做准备;同时复位flag_speedup、置位flag_switch,用以屏蔽加速程序,并开启无位置闭环控制程序。

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       图4.4 启动切换            图4.5 旋转坐标法速度估算

4.3 转速估计子程序

速度估算算法需要对静止三相坐标轴进行两次坐标旋转,而且旋转得到的两个坐标系互差wps_clip_image-19397。在这两个坐标系下分别计算其电量,利用正切函数的单调性就可以计算出电机转子电角度。将此转角对时间微分求得电机电角速度,这样就不难得到电机的机械转速。该速度可以用于切换判断和转速闭环。图4.6为旋转坐标法速度估算程序流程。

4.4 坐标变换无位置传感器技术子程序

图4.7为旋转坐标法位置估计程序流程,旋转坐标变换无位置运行模式下,首先,用 ADC模块采样经过滤波后的三相端电压。然后,根据旋转坐标法估计出的转速计算硬件滤波器的滞后角,可以确定不同转速下旋转坐标的角度β。根据可控角β,实时补偿由一阶RC低通滤波器造成的位置信号相位上的误差,进而达到较宽转速工况下准确换相。最后,根据坐标旋转后的三相端电压计算出在新坐标系上的电量,并进行过零判断。在Timer0中断中实时查表换相。图4.8为无位置换相逻辑。

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图4.6 旋转坐标法位置估计         图4.7 无位置换相逻辑

4.5调压调速子程序

电机切换至无位置运行时,开始闭环调速,调速系统为三环控制系统,包括速度外环、电压中环、电流内环、位置校正环等环节,其原理框图如图4.8所示。

对于转速外环,将速度估算模块求出的实际值与给定值作差,经过PI调节器,并对 PI的输出结果进行限幅处理,得到电压环的参考Uref;同理,将此参考值与直流母线电压采样值比较得误差,设计PI调节器,计算出电流内环的参考Iref;同理,将此参考值与3路电感电流采样值比较得误差,设计PI调节器,计算出Epwm模块的比较寄存器值。程序流程图如下所示:

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图4.8速度电压电流三环调速系统

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