利用DSP控制直流無刷電機(jī)

　　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。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)用于辦公自動化、家電等領(lǐng)域。直流無刷電機(jī)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，或者利用梯形反電動勢特點(diǎn)進(jìn)行反電動勢過零檢測等。利用光電編碼器的系統(tǒng)在軟件實(shí)現(xiàn)上更方便。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。Motorola的數(shù)字信號處理器DSP568xx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。

直流無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)和連接
　　三相直流無刷電機(jī)采用二二導(dǎo)通、三相六狀態(tài)PWM調(diào)制方式。電機(jī)定子繞組軸向示意圖如圖1所示。

　　當(dāng)電流從A到B時，定子繞組產(chǎn)生的磁場為圖1中A－B方向，如果電機(jī)順時針運(yùn)行，此時，永磁轉(zhuǎn)子磁場應(yīng)位于III區(qū)，產(chǎn)生的扭矩最大。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過III區(qū)和IV區(qū)的交界，到達(dá)IV區(qū)時，定子繞組電流應(yīng)相應(yīng)改變成為從A到C，即產(chǎn)生的磁場成為圖1中A－C方向。

　　這樣，定子磁場總超前轉(zhuǎn)子磁場約90°，使轉(zhuǎn)子不斷的向前跟進(jìn)。實(shí)現(xiàn)這個過程的關(guān)鍵是取得轉(zhuǎn)子位置，積分編碼器就起這個作用，如它的三路輸出：PHASEA、PHASEB、PHASEC，在轉(zhuǎn)子分別位于圖1中的I到VI各區(qū)時，輸出信號相應(yīng)為：011、001、101、100、110、010。這樣，通過捕捉積分編碼器任一路輸出上的跳變沿，讀取跳變沿后的積分編碼器輸出狀態(tài)，就可以確定轉(zhuǎn)子的新位置，實(shí)現(xiàn)定子繞組電流換向。同時，利用定時器檢測兩次換向之間的時間間隔，計(jì)算出電機(jī)運(yùn)行的速度，再通過調(diào)整PWM信號的占空比，調(diào)整定子電流，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

DSP568xx中使用到的主要模塊
　　在Motorola的DSP568xx系列數(shù)字信號處理器的軟件開發(fā)包中，給出了一個利用上述思路對直流無刷電機(jī)控制的應(yīng)用程序：bldc_sensors。主要用到了DSP的脈寬調(diào)制PWM模塊、定時器模塊、相位檢測器DECODER模塊。

　　PWM模塊共有六路輸出，分別用來控制三相的頂?shù)坠擦鶄€功率管。
　　模塊可以被配置成互補(bǔ)通道模式，即PWM0與PWM1為一對互補(bǔ)對，共三對互補(bǔ)對，如圖2所示?；パa(bǔ)對內(nèi)的兩個信號可以在芯片內(nèi)部被互相交換，如圖2中C相所示；也可以同時被屏蔽，使得輸出全為0，該相就關(guān)斷，如圖2中A相所示。

　　定時器模塊是最普通的外設(shè)，在這個應(yīng)用中，使用了5個定時器模塊，它們分別是A0、A1、A2、A3和D0。前3個分別接積分編碼器的一路輸出，利用它們的輸入捕捉功能，產(chǎn)生中斷，在中斷子程序內(nèi)檢測新的積分編碼器輸出狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)換相。A3接的也是積分編碼器的一路輸出，它用來測量某路霍爾信號兩個跳變沿間的時間間隔，計(jì)算轉(zhuǎn)子速度。D0用來產(chǎn)生20ms間隔的節(jié)拍，周期性的對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和檢測。

　　相位檢測器DECODER模塊對于電機(jī)控制非常有用，它不僅能用于本文所說的六狀態(tài)積分編碼器，還能用于轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生相當(dāng)多數(shù)目脈沖的積分編碼器。該模塊框圖如圖3所示。

　　但在本應(yīng)用中，只用到了它的干擾信號濾波器，即使用了積分編碼器的三路輸出經(jīng)過濾波后的值。六狀態(tài)積分編碼器的三個輸出PHASEA、PHASEB、PHASEC分別接到相位檢測器的PHASEA、PHASEB、INDEX三個輸入端上。

控制算法
　　對于無刷直流電機(jī)的控制，軟件上的內(nèi)容是主體。
　　程序是一種前后臺結(jié)構(gòu)，前臺是一個死循環(huán)，死循環(huán)內(nèi)作兩個工作，一個是程序狀態(tài)轉(zhuǎn)換ApplicationStateMachine()，另一個是20ms時鐘節(jié)拍觸發(fā)的LED控制、直流電壓數(shù)字值讀取和速度控制等服務(wù)性工作ServiceLedISR()。程序中有一個全局變量ApplicationMode，取值可以是Init、Stopped、Running和Fault，用來指示系統(tǒng)的狀態(tài)。main()函數(shù)一開始在初始化函數(shù)Initialize()中先把系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)置為Init，然后在程序狀態(tài)機(jī)ApplicationStateMachine()里實(shí)現(xiàn)如圖4所示的轉(zhuǎn)換。

　　狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的各種條件均標(biāo)在圖4的各個箭頭上。硬件上的其他事件：定時器A0、A1、A2的輸入捕捉，A3的輸入捕捉和溢出，D0的輸出比較以及加減速按鍵都是通過中斷的方式打入。所以整個軟件的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　系統(tǒng)一加電，程序進(jìn)入初始化函數(shù)Initialize()，在這個函數(shù)中，做了以下工作：
　　◆啟動直流電壓ADC；
　　◆初始化Led，開始20ms的周期時鐘中斷D0；
　　◆開關(guān)狀態(tài)初始化；
　　◆PWM參數(shù)初始化；
　　◆捕捉積分編碼器跳變沿的定時器A0、A1、A2初始化；
　　◆相位檢測器初始化；
　　◆ApplicationMode = Init；
　　◆取得轉(zhuǎn)子位置，設(shè)好初始的導(dǎo)通相；
　　◆PI控制器初始化；
　　◆用于測量轉(zhuǎn)速的定時器A3的初始化。

　　從Initialize()返回后，立刻進(jìn)入前臺死循環(huán)。
在轉(zhuǎn)子運(yùn)行過程中，定時器A0、A1、A2輸入捕捉的發(fā)生，標(biāo)志著轉(zhuǎn)子運(yùn)行到了一個需要換相的位置。輸入捕捉事件觸發(fā)中斷ISRQTimer()，在這個中斷服務(wù)程序中，完成以下的工作：
　　◆從相位檢測器取得當(dāng)前積分編碼器的三路輸出狀態(tài)；
　　◆根據(jù)當(dāng)前積分編碼器輸出狀態(tài)，判斷轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)方向；
　　◆并調(diào)整PWM模塊的交換和屏蔽，即定子電流換相。

　　所以說，定子電流的換相，是在緊隨著積分編碼器輸出跳變沿的中斷服務(wù)子程序中完成的。在判斷轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)方向的時候，使用了一個常數(shù)組：DIRECTION_TABLE[8] = {0, 5, 3, 1, 6, 4, 2, 0}。這個數(shù)組元素的下標(biāo)和元素的值對應(yīng)轉(zhuǎn)子在順時針運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，當(dāng)前編碼器狀態(tài)和下一個編碼器狀態(tài)（見圖1）。比如，當(dāng)前編碼器輸出011，轉(zhuǎn)子磁場位于I區(qū)，那么順時針運(yùn)轉(zhuǎn)時，下一個編碼器狀態(tài)應(yīng)為001，這正好對應(yīng)于上述數(shù)組中，下標(biāo)為011的元素值為001。這樣，通過比較以編碼器上一個狀態(tài)作為下標(biāo)的數(shù)組元素值與當(dāng)前狀態(tài)是否相同，就可以判斷轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)方向。在實(shí)現(xiàn)定子電流換相時，也以當(dāng)前狀態(tài)為下標(biāo)，從專門數(shù)組中取得PWM模塊通道交換與屏蔽所需的參數(shù)。在本應(yīng)用中，將三對PWM互補(bǔ)通道對的參數(shù)設(shè)成一致，通過屏蔽某一相，交換另外一相，實(shí)現(xiàn)定子繞組電流狀態(tài)的控制，如在圖2中，A相被屏蔽，B相頂功率管開關(guān)占空比為70％，而將C相兩個PWM通道交換，C相的底功率管開關(guān)占空比就由原來的30％成為70％，從而使電流由B相流入定子繞組而從C相流出，確定定子繞組B－>C的電流狀態(tài)。

　　積分編碼器的某一路輸出，比如PHASEC的跳變，還觸發(fā)了定時器A3的輸入捕捉中斷。在輸入捕捉中斷中，取得各個跳變沿之間的時間間隔，用來計(jì)算轉(zhuǎn)子速度。定時器A3的溢出中斷，也是為取得各個跳變沿之間的時間間隔服務(wù)。

　　在Initialize()函數(shù)中調(diào)用的LedInit()函數(shù)內(nèi)部已經(jīng)將定時器D0進(jìn)行了初始化，所以從那時開始，定時器D0開始運(yùn)行，每20ms產(chǎn)生一個中斷，觸發(fā)中斷服務(wù)子程序LedISR()的運(yùn)行。在LedISR()中，只是設(shè)了一個標(biāo)志位bLedISROccurred為真。但這會使得死循環(huán)內(nèi)ServiceLedISR()函數(shù)的具體內(nèi)容被執(zhí)行，而不是直接返回。ServiceLedISR()函數(shù)的具體代碼完成以下工作：
　　◆Led閃爍周期計(jì)算和控制；
　　◆UpButton、DownButton按鍵延時控制；
　　◆從ADC讀取直流電壓值并重啟ADC；
　　◆取得一路積分編碼器的跳變沿間隔并計(jì)算速度，進(jìn)行速度控制。

　　所以，轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)的速度控制是在幾乎每20ms周期的ServiceLedISR()內(nèi)完成。

　　加減速按鍵也觸發(fā)中斷，在中斷服務(wù)子程序內(nèi)，調(diào)用相應(yīng)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)定速度的改變。

結(jié)束語
　　Motorola的數(shù)字信號處理器DSP568xx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，尤其是相位檢測器、脈寬調(diào)制等模塊，非常適用于直流無刷電機(jī)控制這樣的實(shí)時應(yīng)用中。前后臺方式的控制算法，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)時性要求較高的場合，有比較好的特性。