基于dsPIC30F6010的無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)

摘要：研究了基于dsPIC30F6010的無刷直流電動(dòng)機(jī)有位置傳感器法和反電勢過零檢測法兩大調(diào)速系統(tǒng)。完成了硬件和軟件的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了測試。試驗(yàn)結(jié)果表明，電機(jī)起動(dòng)穩(wěn)定快速、正常，運(yùn)轉(zhuǎn)良好，具有較寬的調(diào)速范圍，精度高，滿足了無刷直流電動(dòng)機(jī)高性能伺服控制的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性的要求。
關(guān)鍵詞：無刷直流電動(dòng)機(jī)；dsPIC30F6010；有位置傳感器法；反電勢

    無刷直流電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電一體化產(chǎn)品，由于其既具備交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備有刷直流電機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了有刷直流電機(jī)由于機(jī)械電刷和換向器的存在所帶來的噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等弊病，并且制造成本低，簡化了電機(jī)的維修，使得它在工業(yè)上的應(yīng)用也越來越廣泛。本文涉及的系統(tǒng)以dsPIC30F6010為核心的數(shù)字信號控制器(Digital Signal ControlIer，DSC)為基礎(chǔ)，迎合了控制領(lǐng)域的數(shù)字化和智能化的趨勢。目前在控制上較多應(yīng)用以DSP作為控制器，傳統(tǒng)的DSP用做數(shù)字信號處理，使其在滿足系統(tǒng)快速性和實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)上兼顧控制能力。而dsPIC30F6010作為一款為控制領(lǐng)域應(yīng)用的數(shù)字信號控制器，是一款性價(jià)比優(yōu)越的控制器(略低于DSP)，保證控制要求的前提下加快了運(yùn)算速度。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1．1 控制器dsPIC30F6010簡介
    dsPIC30F6010為16位(數(shù)據(jù))改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，是一款專為電機(jī)控制應(yīng)用設(shè)計(jì)的80引腳的DSC。它運(yùn)算靈活，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)(內(nèi)部有兩個(gè)40位的累加器)，指令集靈活并且支持小數(shù)運(yùn)算。該DSC內(nèi)部包含4M×24位的數(shù)據(jù)RAM、4 KB的E2PROM和32 KB的FLASH程序存儲(chǔ)空間，便于構(gòu)成最小的控制系統(tǒng)。該DSC擁有豐富的外設(shè)，適合各種電機(jī)的數(shù)字控制，其中專門設(shè)計(jì)了8路死區(qū)時(shí)間可編程的PWM輸出通道(可控制四相電機(jī))和5個(gè)16位計(jì)時(shí)器，可以直接用于控制電機(jī)；具有的4個(gè)16位的輸入捕捉和輸出比較功能，可以方便地捕獲電機(jī)位置傳感器信號；16通道10位A ／D轉(zhuǎn)換器可用于處理電機(jī)速度反饋、電壓、電流等模擬信號的采用，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的各種控制功能；專為編碼器設(shè)計(jì)的QEI編碼器接口；而且它具備故障檢測接口，可以很好的對電路進(jìn)行保護(hù)。
1．2 驅(qū)動(dòng)電路
    智能功率模塊(Intelligent Power Modulation)不但提供一定的功率輸出，并且具有邏輯、控制、傳感、檢測、保護(hù)和自診斷等功能。它內(nèi)含驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路，可實(shí)現(xiàn)過流、短路、欠壓和過壓等保護(hù)。由于采用了隔離技術(shù)，散熱更均勻，體積更加緊湊。如果與單片控制芯片結(jié)合則可以實(shí)現(xiàn)兩片式集成化控制系統(tǒng)。故成為當(dāng)今電機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)者首先考慮的選擇，可提高系統(tǒng)可靠性，大幅度降低開發(fā)時(shí)間和費(fèi)用。
    本文采用的是以三菱公司生產(chǎn)的第三代單電源供電智能功率模塊(IPM)PS21563為核心組成的驅(qū)動(dòng)電路。并設(shè)計(jì)了其外圍電路：光耦電路、自舉電路、短路保護(hù)電路。
1．3 有位置傳感器法硬件系統(tǒng)
    給定轉(zhuǎn)速與速度反饋量形成偏差，經(jīng)速度PI調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流參考值，它與電流反饋值的偏差經(jīng)電流PI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。以下為如何根據(jù)位置參數(shù)確定速度以及電流檢測的方法：
    (1)位置檢測與速度反饋值的計(jì)算。圖1為無刷直流電動(dòng)機(jī)三個(gè)空間上相差120°霍爾信號的電平變化圖形。每一個(gè)霍爾傳感器都產(chǎn)生180°脈寬的輸出信號。從圖1中可以看出只要任意一階段電平變化就到了換相時(shí)刻，檢測到三個(gè)霍爾信號的電平狀態(tài)(這里稱之為換相控制字)即可給相對應(yīng)的開關(guān)管打開或關(guān)閉。

    (2)電流的測量。采樣電流的檢測一般是由采樣電阻或電流傳感器經(jīng)濾波放大后送入控制器進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，把數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量。在本試驗(yàn)中采用0．03 Ω采樣電阻來進(jìn)行試驗(yàn)。
    有位置傳感器法無刷直流電動(dòng)機(jī)硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

    圖中A、B、C代表無刷直流電動(dòng)機(jī)定子繞組三相，V1～V6為功率開關(guān)管，由IPM提供。其中整形隔離電路由光耦TLP521對三個(gè)霍爾信號進(jìn)行隔離處理。濾波放大電路主要采用放大器LM324N。
1．4 反電勢過零檢測法硬件系統(tǒng)
    反電勢法的基本原理就是在忽略永磁無刷直流電機(jī)電樞反應(yīng)影響的前提下，通過檢測“斷開相”(逆變橋上下功率器件皆處于關(guān)斷的那一相)的反電勢過零點(diǎn)，來依次得到轉(zhuǎn)子的六個(gè)關(guān)鍵位置信號，并以此作為參考依據(jù)，輪流觸發(fā)導(dǎo)通六個(gè)功率管，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。三相無刷直流電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)過60°電角度需要換相一次，而轉(zhuǎn)過一周需要6個(gè)換相點(diǎn)。每一個(gè)過零點(diǎn)延遲30°電角度即為換相點(diǎn)，那么只要找到感應(yīng)電動(dòng)勢過零點(diǎn)，再將其延遲30°電角度即可找到換相點(diǎn)。
    反電勢過零檢測法無刷直流電動(dòng)機(jī)硬件系統(tǒng)框圖如圖3所示。

    從圖2，圖3中可以看出，反電勢法與有位置法硬件上的不同是檢測位置信號的不同。它是由相電壓檢測電路取代位置傳感器和測量電路。采用廉價(jià)的分壓電阻和濾波電容組成相電壓測量電路。電流信號和各相電壓信號經(jīng)過放大后，分別與控制器的AN3，AN4，AN5，AN7連接。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)主要采用MPLAB IDE 7．40作為開發(fā)環(huán)境。MPLAB IDE是一種在PC機(jī)上運(yùn)行的軟件，用來為Microchip單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用程序。軟件設(shè)計(jì)根據(jù)前面介紹的控制策略，硬件系統(tǒng)進(jìn)行編程、調(diào)試，主要完成以下功能：PWM信號的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)子位置檢測、故障引腳的使能、速度和電流的計(jì)算等。
2．1 有位置傳感器程序總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件部分由主程序、A／D中斷服務(wù)子程序(其中包括速度調(diào)節(jié)子程序和電流調(diào)節(jié)子程序)、電平變化中斷子程序以及故障引腳子程序和中斷陷阱組成。圖4是A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷服務(wù)子程序流程圖。

2．2 反電動(dòng)勢過零檢測法程序總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    主要進(jìn)行了速度調(diào)節(jié)、感應(yīng)電動(dòng)勢、換相時(shí)刻等的電機(jī)參數(shù)的計(jì)算。設(shè)計(jì)了主循環(huán)程序和A／D轉(zhuǎn)換程序。圖5是主循環(huán)程序流程圖。

3 系統(tǒng)測試
    本試驗(yàn)所用電機(jī)為珠海運(yùn)控電機(jī)公司生產(chǎn)的方波驅(qū)動(dòng)的三相無刷直流電動(dòng)機(jī)。電機(jī)內(nèi)置的霍爾位置傳感器采用的是SS40系列的SS41霍尼韋爾開關(guān)量位置傳感器。其相關(guān)參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)速3 000 r／min，額定轉(zhuǎn)矩0．22 N·m，轉(zhuǎn)矩系數(shù)0．052 2 N·m／A，額定電源電壓24 V，額定功率70 W，額定電流5．18 A，5對極，三相繞組電阻0．488 Ω，三相繞組自感1．19 mH，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1．68×10-5kg·m2，電勢系數(shù)0．048 2 Vs／rad，電氣時(shí)間常數(shù)2．44 ms，機(jī)械時(shí)間常數(shù)0．338 ms。
    進(jìn)行了開環(huán)實(shí)驗(yàn)和閉環(huán)實(shí)驗(yàn)。在閉環(huán)實(shí)驗(yàn)中，通過將存儲(chǔ)空間中3 000個(gè)點(diǎn)的值整理成圖形得到速度曲線如圖6，圖7所示，其橫軸為時(shí)間，縱軸為轉(zhuǎn)速。圖6可視為一個(gè)二階系統(tǒng)，從中可以看出，采用雙比例調(diào)節(jié)時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)正常、系統(tǒng)超調(diào)量小、轉(zhuǎn)速精度較高。圖7同樣可視為一個(gè)二階系統(tǒng)，從圖中可以看出，采用PI調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)平穩(wěn)、系統(tǒng)超調(diào)量小、轉(zhuǎn)速精度高。

    對無刷直流電動(dòng)機(jī)做了補(bǔ)償，利用4通道數(shù)字示波器觀測并調(diào)整換相點(diǎn)與感應(yīng)電動(dòng)勢波形換相點(diǎn)的誤差，并與霍爾傳感器做比較。
    在反電動(dòng)勢過零檢測法中，在補(bǔ)償前圖像如圖8所示，補(bǔ)償后圖像如圖9所示，通過兩者對比可發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)償后圖像某一相感應(yīng)電動(dòng)勢與換相符號之間更為合理，換相點(diǎn)更為精確。其中黃線表示感應(yīng)電動(dòng)勢波形，藍(lán)線表示采樣換相信號，紫線表示霍爾信號電平變化。

4 結(jié)論
    采用dsPIC30F6010專用電機(jī)控制芯片，其硬件結(jié)構(gòu)簡單、控制能力強(qiáng)、軟件實(shí)現(xiàn)方便、控制精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的算法，升級空間較大，其高速的執(zhí)行性能和豐富的內(nèi)置資源很好的滿足了高性能無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，在電機(jī)控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。開環(huán)環(huán)境下可以很迅速的達(dá)到速度要求。在閉環(huán)控制中啟動(dòng)、運(yùn)行良好，反應(yīng)速度快。