基于DSP的三相無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)

1 概述

無(wú)刷直流電機(jī)是隨著電力電子器件及新型材料發(fā)展而迅速成熟起來(lái)的一種新型機(jī)電一體化電機(jī)，它既具有交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電機(jī)那樣良好的調(diào)速特性而無(wú)由于機(jī)械式換向器帶來(lái)的問(wèn)題，還具有運(yùn)行轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、效率高、相對(duì)成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于各種調(diào)速驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。以往的無(wú)刷直流電機(jī)多由單片機(jī)附加許多種接口設(shè)備構(gòu)成.不僅復(fù)雜，而且速度也受到限制,難于實(shí)現(xiàn)從位置環(huán)到速度、電流環(huán)的全數(shù)字控制，也不方便擴(kuò)展。而應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)實(shí)現(xiàn)的電機(jī)伺服系統(tǒng)卻可以只用一片DSP就可以替代單片機(jī)和各種接口, 擴(kuò)展方便，可以實(shí)現(xiàn)位置、速度和電流環(huán)的全數(shù)字化控制。

本文采用TI公司推出的240XDSP作為無(wú)刷直流電機(jī)全數(shù)字控制核心，組成的伺服系統(tǒng)只需要很少的系統(tǒng)元件。TMS320Ｆ240X是美國(guó)ＴI公司推出的高性能16位數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，是專(zhuān)門(mén)為電機(jī)的數(shù)字化控制而設(shè)計(jì)的。這種DSP包括一個(gè)定點(diǎn)DSP內(nèi)核及一系列微控制器外圍電路，將數(shù)字信號(hào)處理的運(yùn)算能力與面向電機(jī)的高效控制能力集于一體，可以實(shí)現(xiàn)用軟件取代模擬器件，方便地修改控制策略，修正控制參數(shù)，兼具故障檢測(cè)、自診斷和與上位機(jī)通信等功能。

2 硬件介紹

TMS320LF2407A的內(nèi)核是TMS320C2XX(圖1)，內(nèi)部采用了哈佛結(jié)構(gòu)，流水線作業(yè)，在20MHz的時(shí)鐘頻率下，指令周期僅為50ns，且多數(shù)指令都能在一個(gè)指令周期內(nèi)完成。其中央算術(shù)邏輯部分包括32位中央算術(shù)邏輯單元(CALU)，32位累加器，CALU的輸入/輸出數(shù)據(jù)定標(biāo)移位器，16位×16位乘法器，乘積定標(biāo)移位器，數(shù)據(jù)地址發(fā)生邏輯(包括8個(gè)輔助寄存器和1個(gè)輔助寄存器算術(shù)單元(ARAU)，程序地址發(fā)生邏輯。當(dāng)處理器連續(xù)工作時(shí)，還能同時(shí)執(zhí)行：a、經(jīng)由串行口的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送；b、內(nèi)部定時(shí)器減數(shù)；c、產(chǎn)生三相脈寬調(diào)制(PWM)波形；d、采集4個(gè)模擬信號(hào)；e、看門(mén)狗定時(shí)器減數(shù)。它還包含有其它系列的ＤＳＰ芯片所沒(méi)有的雙10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、基于ＰＷＭ控制的管理器(6個(gè)比較單元、12路ＰＷＭ輸出、2路光電編碼器接口的編碼單元)。其ＰＷＭ波形生成單元包含可編程死區(qū)控制，可輸出非對(duì)稱(chēng)ＰＷＭ波形、對(duì)稱(chēng)ＰＷＭ波形和空間矢量ＰＷＭ波形。LF2407是x240x系列DSP中唯一能夠擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，也是其中控制功能最強(qiáng)、片上設(shè)施最完備的一個(gè)型號(hào)，廣泛的用于代碼開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)仿真以及實(shí)際系統(tǒng)中。

圖1 TMS320Lx240x系列DSP控制器總體結(jié)構(gòu)

3 DSP控制流程

圖2是用TMS320LF2407A實(shí)現(xiàn)三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的控制和驅(qū)動(dòng)電路。本設(shè)計(jì)采用TMS320LF2407A微控制器為系統(tǒng)控制器核心，以功率MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管為功率變換元件，任意時(shí)刻電機(jī)只有兩相導(dǎo)通來(lái)控制換流元件，采用PWM方式來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。在這里，三個(gè)位置間隔120O分布的霍爾傳感器H1，H2，H3經(jīng)整形隔離電路后分別與TMS320LF2407A的三個(gè)捕捉引腳CAP1，CAP2，CAP3相連，通過(guò)產(chǎn)生捕捉中斷來(lái)給出換相時(shí)刻，同時(shí)給出位置信息。

圖2 用TMS320LF2407A實(shí)現(xiàn)三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的控制和驅(qū)動(dòng)

　
從理論上來(lái)看，直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩控制主要依據(jù)如下的轉(zhuǎn)矩和反電動(dòng)勢(shì)工程計(jì)算方程

其中，N為直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)定子每相線圈數(shù)， 為轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)度，r為轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑，B為轉(zhuǎn)子的磁通密度， 為電動(dòng)機(jī)的角速度，i為相電流，L為相感抗， 為轉(zhuǎn)子的位置，R為相阻抗。

從方程可以看到，反電動(dòng)勢(shì)與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成比例，而轉(zhuǎn)矩與相電流也幾乎勢(shì)成比例的。根據(jù)這些特點(diǎn)，在方案中采用了圖3所示的控制策略。給定轉(zhuǎn)速與速度反饋形成偏差，經(jīng)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。電流的反饋是通過(guò)檢測(cè)電阻上的壓降來(lái)實(shí)現(xiàn)的。速度反饋是通過(guò)霍爾傳感器輸出的位置量，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的。位置傳感器輸出的位置量還用于控制換相。

圖3 三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的速度和電流控制

　
4 軟件控制

系統(tǒng)采用PWM控制算法，電機(jī)輸入直流電流且每一時(shí)刻只有兩個(gè)功率管導(dǎo)通，從2407來(lái)的PWM控制信號(hào)直接連至驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器的輸出再連至功率MOSFET管的控制極。2407的CPU時(shí)鐘頻率是20MHz，PWM頻率是20kHz。

4.1相電流檢測(cè)

TMS320LF2407A接受到電阻上放大的壓降信號(hào)后，經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換后得到電流信號(hào)。在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，A/D模塊向CPU發(fā)送一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，等待CPU處理。每隔50us，DSP控制器對(duì)相電流進(jìn)行采樣，從而實(shí)現(xiàn)20kHz的電流調(diào)節(jié)環(huán)。根據(jù)電流誤差，PID控制器在每個(gè)PWM周期開(kāi)始時(shí)對(duì)PWM脈沖的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4.2轉(zhuǎn)子位置和速度檢測(cè)

掌握好恰當(dāng)?shù)膿Q相時(shí)刻，可以減小轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。位置檢測(cè)不但用于換相控制，而且還用于產(chǎn)生速度控制量。

位置信號(hào)是通過(guò)3個(gè)霍爾傳感器得到的。他們的輸出信號(hào)相差1200。每個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)有6次換相，通過(guò)將DSP設(shè)置為雙沿觸發(fā)捕捉中斷功能，可以獲得正確的換相時(shí)刻。通過(guò)將DSP的捕捉口CAP1～CAP3設(shè)置為I/O口，并檢測(cè)該口的電平狀態(tài)，來(lái)的到具體的捕捉中斷。

位置信號(hào)還可以用于產(chǎn)生速度控制量。只要測(cè)得兩次換相的時(shí)間間隔 ，就可以根據(jù)下式計(jì)算出兩次換相時(shí)間的平均角速度。

兩次換相的時(shí)間間隔可以通過(guò)捕捉中斷發(fā)生時(shí)讀定時(shí)器2的T2CNT寄存器的值來(lái)獲得。

4.3電流和速度調(diào)節(jié)

相電流的調(diào)節(jié)可以通過(guò)調(diào)節(jié)載頻為20kHz的PWM信號(hào)的脈沖寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

Ierror="Iref" － Imea
cyclenew=cycleold+IerrorK

如果cyclenew>=Timer_period, 那么cyclenew=Timer_period

如果cyclenew>Timer_period，那么cyclenew＝0

其中Iref—用戶想要的參考電流；

Imea——實(shí)際測(cè)得的相電流；

Ierror——要調(diào)節(jié)的相電流誤差；

速度調(diào)節(jié)采用PI算法，以獲得最佳的動(dòng)態(tài)效果。計(jì)算公式如下：

式中Iref－速度調(diào)節(jié)輸出；
ek －第k次速度偏差；
Kp －速度比例系數(shù)；
Ki －速度積分系數(shù)；
T －速度調(diào)節(jié)周期；

試驗(yàn)證明能產(chǎn)生很好的三相PWM控制波形。圖5為產(chǎn)生的PWM波形。

圖5 利用DSP控制三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的PWM波形

前面所敘述的系統(tǒng)初始化、位置信號(hào)檢測(cè)、PWM信號(hào)輸出等軟件模塊，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本的具有位置傳感器的三相直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)。然而為了建立一個(gè)更完善的系統(tǒng)，還需要增加一些功能模塊，如調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制模塊、保存系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)記錄模塊等，TMS320LF2407與pc機(jī)之間采用的通訊是采用RS－485進(jìn)行半雙工的接口電路。由于pc機(jī)提供的是RS233接口，需要RS－32和RS－85間進(jìn)行接口轉(zhuǎn)換。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文作者創(chuàng)新點(diǎn):將工業(yè)控制中普遍使用的PI算法在DSP上實(shí)現(xiàn)PWM波形輸出，由于單片機(jī)自身性能的限制，已難以滿足高速度，高精確的電機(jī)控制要求，而用DSP則很好的實(shí)現(xiàn)用于直流無(wú)刷電機(jī)控制的PWM波形輸出。