基于ADMCF340的永磁無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：隨著直流無刷電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性提出了更高的要求。以DSP芯片ADMCF340為控制核心，設(shè)計(jì)了永磁無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)，并給出了部分硬件電路圖和控制軟件流程圖。該系統(tǒng)利用DSP芯片的快速運(yùn)算功能和面向電機(jī)控制的專用外圍設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了電流、速度的全數(shù)字雙閉環(huán)控制。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，實(shí)時(shí)性良好，為永磁無刷直流電機(jī)的廣泛應(yīng)用提供了一定的理論參考依據(jù)和工程實(shí)際方法。
關(guān)鍵詞：永磁無刷直流電機(jī)；DSP控制器；ADMCF340芯片；電機(jī)控制

0 引言
    直流無刷電機(jī)實(shí)際屬于永磁同步電機(jī)，一般轉(zhuǎn)子為永磁材料，隨定子磁場同步轉(zhuǎn)動(dòng)。這種電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，而且由于移去了物理電刷，使得電磁性能可靠，維護(hù)簡單，從而被廣泛應(yīng)用于辦公自動(dòng)化、家電等領(lǐng)域。直流無刷電機(jī)的運(yùn)行過程要進(jìn)行兩種控制，一種是轉(zhuǎn)速控制，也即控制提供給定子線圈的電流；另一種是換相控制，在轉(zhuǎn)子到達(dá)指定位置改變定子導(dǎo)通相，實(shí)現(xiàn)定子磁場改變，這種控制實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了物理電刷的機(jī)制。因此這種電機(jī)需要有位置反饋機(jī)制，比如霍爾元件、光電碼盤，或利用梯形反電動(dòng)勢特點(diǎn)進(jìn)行反電動(dòng)勢過零檢測等。電機(jī)速度控制也是根據(jù)位置反饋信號，計(jì)算出轉(zhuǎn)子速度，再利用PI或PID等控制方法，實(shí)時(shí)調(diào)整PWM占空比等來實(shí)現(xiàn)定子電流調(diào)節(jié)。因此，控制芯片要進(jìn)行較多的計(jì)算過程。當(dāng)然也有專門的直流無刷電機(jī)控制芯片，但一般來說，在大多數(shù)應(yīng)用中，除了電機(jī)控制，總還需要做一些其他的控制和通信等事情，所以，選用帶PWM、同時(shí)又有較強(qiáng)數(shù)學(xué)運(yùn)算功能的芯片也是一種很好的選擇。
    ADI的數(shù)字信號處理器ADMCF34X系列整合了通用數(shù)字信號處理器快速運(yùn)算功能和單片機(jī)外圍豐富的特點(diǎn)，使得該系列特別適合于那些要求有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，同時(shí)又要有較多控制功能的應(yīng)用中，對直流無刷電機(jī)的控制就是這一系列DSP的典型應(yīng)用之一。

1 ADMCF340芯片簡介
    ADMCF340集成了一個(gè)20 MIPS定點(diǎn)DSP內(nèi)核和一整套外部接口。其中的DSP是完全與ADSP-2100系列數(shù)字信號處理器兼容的，這為熟悉ADSP-2100系列的用戶使用該控制器帶來了便利。
    ADMCF340包括一個(gè)三相16位基于中心點(diǎn)脈寬調(diào)制(PWM)發(fā)生器，可編程脈寬調(diào)制，脈沖分辨率達(dá)50 ns，可編程窄脈沖檢測，最低開關(guān)頻率可至153 Hz，雙／單脈沖工作時(shí)間更新方式控制，死區(qū)可編程控制器；13個(gè)模擬輸入通道，高達(dá)12位的分辨率；3個(gè)雙極性模擬電流Isense輸入引腳，并具有可編程采樣和保持放大器以及過電流保護(hù)；兩個(gè)可用于模擬量輸出的輔助PWM輸出通道；25個(gè)引腳數(shù)字輸入／輸出I／O口，均可獨(dú)立配置成中斷源輸入，可用于捕捉直流無刷電機(jī)的換相。

2 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
    對BLDC電機(jī)的控制可分為兩個(gè)分立的過程。
第一，保持轉(zhuǎn)子和定子磁場同步；第二，控制定子的電流值。這兩個(gè)過程都要經(jīng)過逆變器實(shí)現(xiàn)。磁場同步信號來自于位置傳感器，根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置DSP處理器決定適當(dāng)?shù)木w管的導(dǎo)通。
    電流控制一般采用PWM模式，根據(jù)電流誤差信號調(diào)節(jié)PWM信號的占空比。因此，電流值和電流的變化率都可以被控制。電流取樣電路僅用一只串聯(lián)取樣電阻即可完成。如圖1所示，其阻值由電機(jī)的最大電流決定，即分壓電阻上的最大壓降不超過0．5 V。圖1中RC電路有兩個(gè)作用，一是濾掉換相噪聲，二是濾掉斬波噪聲。

3 控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)
    對于直流無刷電機(jī)的控制，軟件上的內(nèi)容是主體。本文中三相直流無刷電機(jī)采用PID算法實(shí)現(xiàn)全數(shù)字雙閉環(huán)控制。即給定轉(zhuǎn)速與速度反饋量形成偏差，即速度調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流參考量，它與電流反饋量的偏差經(jīng)電流調(diào)節(jié)后形成PWM占空比的控制量，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的速度控制，如圖2所示。

    軟件主要包括兩個(gè)模塊，初始化模塊和運(yùn)行模塊。初始化模塊只在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行，運(yùn)行模塊式一個(gè)等待循環(huán)，等待PWM中斷和換相中斷。等待循環(huán)中也可寫入用戶控制程序?？傮w結(jié)構(gòu)如圖3所示。每一個(gè)PWM周期都產(chǎn)生中斷請求，并讀取1次A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。中斷服務(wù)流程如圖4所示。由變量PWM_count進(jìn)行中斷計(jì)數(shù)。每四個(gè)中斷進(jìn)行1次PWM脈寬調(diào)節(jié)。PWM中斷服務(wù)程序執(zhí)行需要30個(gè)CPU周期，大約1．5μs。

    直流無刷電機(jī)的換相由捕捉中斷子程序完成。在捕捉中斷子程序中完成了速度計(jì)算、讀取換相控制字和換相操作。

4 結(jié)語
    ADI的數(shù)字信號處理器ADMCF34X系列憑借著較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和強(qiáng)大豐富的外圍，尤其是25個(gè)可獨(dú)立配置成I／O口或中斷的PIO口、PWM調(diào)制以及13路12位ADC等模塊，非常適用于直流無刷電機(jī)控制這樣的實(shí)時(shí)應(yīng)用中。后臺(tái)方式控制算法的反應(yīng)速度快，代碼量少，在直流無刷電機(jī)等控制過程不很復(fù)雜，但對于實(shí)時(shí)性要求較高的場合，有比較好的特性。