基于DSP的兩相無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

0 引 言
    稀土永磁無刷直流電機(jī)采用高性能的稀土永磁材料和非接觸換相技術(shù)，體積小，效率高，無電火花，工作可靠，同時(shí)又具有類似普通直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、精密儀器和工業(yè)控制自動(dòng)化等領(lǐng)域。無刷直流電機(jī)采用電子換相裝置，沒有機(jī)械電刷；采用永磁體轉(zhuǎn)子，沒有激磁損耗；發(fā)熱的電樞繞組置于外圍的定子上，散熱性好，效率高，過載能力強(qiáng)，無換相火花，在高轉(zhuǎn)速領(lǐng)域尤為適合，是高速電機(jī)的一個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向。
    目前，在一些特殊領(lǐng)域，對(duì)電機(jī)體積、連線數(shù)目以及可靠性等方面有著嚴(yán)格要求，在這些場(chǎng)合，無位置傳感器無刷直流電機(jī)(BLDCM)就成了理想的選擇。課題利用DSP，CPLD等數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)體積較小的高轉(zhuǎn)速、高可靠性電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用兩相無刷直流電機(jī)，以無位置傳感器方式，用電機(jī)繞組的反電勢(shì)作為信號(hào)，由CPLD生成電機(jī)換相時(shí)序，通過硬件啟動(dòng)和鎖相環(huán)跟蹤，實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷直流電機(jī)的穩(wěn)速控制。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)和電子控制線路簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等特點(diǎn)。

1 無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

以兩相導(dǎo)通、三相星形六狀態(tài)為例，無刷直流電機(jī)三相繞組的電壓平衡方程為：

式中：uA，uB，uC為定子相繞組電壓；eA，eB，eC為定子相繞組電動(dòng)勢(shì)；iA，iB，iC為定子相繞組電流；L為定子每相繞組自感；M為定子每?jī)上嗬@組間的互感；R為三相定子電阻；p為微分算子。
    由式(1)可以得到永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的等效電路模型，如圖l所示。

    定子繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：

  永磁無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為：
  

式中：Tn為電磁轉(zhuǎn)矩；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；B為阻尼系數(shù)；ω為電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

2 控制系統(tǒng)的控制策略和硬件組成
2．1 控制系統(tǒng)的控制策略
    系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，用數(shù)字器件構(gòu)成速度控制部分，電流環(huán)采用傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器。DSP作為中央控制器，發(fā)出各種指令，并構(gòu)成速度回路的PI調(diào)節(jié)器，可以進(jìn)行智能PID控制； CPLD一部分構(gòu)成鎖相環(huán)用以檢測(cè)輸入頻率與反饋頻率的誤差值，另一部分利用電樞反電勢(shì)產(chǎn)生逆變器的換相控制信號(hào)。系統(tǒng)的控制原理框圖如圖2所示。

2．2 控制系統(tǒng)的硬件組成
    無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件連接框圖如圖3所示，主要由無刷直流電機(jī)、逆變器、控制器和電源等組成。

    由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，達(dá)到19 500 r／min，所以采用運(yùn)算速度較快的大規(guī)模可編程邏輯器件(CPLD)進(jìn)行速度反饋和電機(jī)換相信號(hào)的處理，TMS320F2812(DSP)構(gòu)成速度控制器。電機(jī)的速度反饋量經(jīng)CPLD的內(nèi)置鎖相環(huán)74LS297處理，產(chǎn)生偏差量輸入DSP進(jìn)行速度回路校正，經(jīng)4通道、12位分辨率的D／A轉(zhuǎn)換器 DAC7724輸給電流控制器，經(jīng)電流校正后進(jìn)入逆變器，EPM7128S(CPLD)接收電機(jī)繞組的反電勢(shì)產(chǎn)生控制4組功放開關(guān)的導(dǎo)通信號(hào)。電機(jī)有A， B兩個(gè)繞組，兩個(gè)繞組依次正、反導(dǎo)通，按照A-B-A-B的順序連續(xù)給定子繞組通電，則轉(zhuǎn)子就以一定的轉(zhuǎn)速順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
    控制系統(tǒng)的DSP核心控制部分的硬件電路連接圖如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)軟件由DSP程序和CPLD程序兩部分組成。進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，先進(jìn)行系統(tǒng)分析，將整個(gè)程序按功能需求劃分子模塊。考慮到控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，采用中斷方式編程，整個(gè)DSP軟件系統(tǒng)由一個(gè)主程序和若干中斷服務(wù)程序組成。
    主程序的作用主要是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括對(duì)DSP本身寄存器、中斷、定時(shí)器、GPIO等進(jìn)行初始化。初始化DSP，使其內(nèi)部產(chǎn)生工作時(shí)鐘；初始化DSP 內(nèi)部模塊；禁止全局中斷，初始化中斷向量表，根據(jù)需要對(duì)中斷進(jìn)行設(shè)置；打開全局中斷，進(jìn)入循環(huán)等待主程序，等待內(nèi)部和外部中斷信號(hào)。中斷子程序完成轉(zhuǎn)速環(huán)的校正控制任務(wù)。DSP中斷子程序的流程圖如圖5所示。

    CPLD部分完成電機(jī)的換相處理和速度反饋控制功能，采用圖形化設(shè)計(jì)和VHDL語(yǔ)言混合設(shè)計(jì)完成時(shí)序部分的編寫。CPLD接收電機(jī)繞組反電勢(shì)，經(jīng)片內(nèi)邏輯電路處理，形成4路逆變器的導(dǎo)通控制信號(hào)，用以控制電機(jī)繞組的加電順序；通過CPLD內(nèi)置的數(shù)字鎖相環(huán)74LS297進(jìn)行鎖相處理，完成對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的恒定控制。利用CPLD將鎖相環(huán)和換相處理電路封裝在一起，形成一個(gè)完整的速度反饋控制模塊。CPLD部分程序流程圖如圖6所示。

4 控制系統(tǒng)仿真及其結(jié)果比較分析
    在進(jìn)行了VHDL描述和編譯后，就可應(yīng)用EDA軟件進(jìn)行時(shí)序功能仿真。功能仿真是在QuartusⅡ軟件開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行的，時(shí)序仿真波形如圖7所示。

    對(duì)速度控制器進(jìn)行仿真，采用Matlab仿真軟件進(jìn)行，得到的模擬系統(tǒng)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖8所示。

    采用雙線性變換法將連續(xù)系統(tǒng)離散化，得到的數(shù)字系統(tǒng)速度響應(yīng)曲線如圖9所示。

    圖中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度；r為電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)。
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的數(shù)字系統(tǒng)的速度響應(yīng)指標(biāo)：上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量等均獲得了改善，系統(tǒng)有著較好的快速性和穩(wěn)定性。

5 結(jié) 語(yǔ)
    在分析無刷直流電機(jī)運(yùn)行原理的基礎(chǔ)上，提出了基于TMS320F2812的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)解決方案，充分利用DSP的強(qiáng)大功能，使系統(tǒng)獲得較高的控制精度和動(dòng)靜態(tài)特性。將鎖相速度控制應(yīng)用于無刷直流電機(jī)系統(tǒng)，將模擬和數(shù)字系統(tǒng)的仿真結(jié)果加以比較和分析，證明本系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制，改善了電機(jī)的調(diào)速性能。