基于dsPIC30F3010的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合、體積縮小與節(jié)約成本等諸多問(wèn)題，采用反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)了基于dsPIC30F3010芯片的無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)。分析了dsPIC30F3010外圍電路，逆變及其驅(qū)動(dòng)電路。反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路，電流采樣與過(guò)流保護(hù)電路，開(kāi)發(fā)了主程序和中速事件處理程序，并給出了電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)端電壓的波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)能夠控制電機(jī)順利起動(dòng)，而且實(shí)現(xiàn)了電機(jī)正確的換相和正常運(yùn)行，證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī)；反電動(dòng)勢(shì)(BEMF)；無(wú)位置傳感器；數(shù)字信號(hào)控制器

    無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)是隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一種新型電動(dòng)機(jī)，具有可靠性高，易維護(hù)等一系列優(yōu)點(diǎn)，在家用電器和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。就其基本結(jié)構(gòu)而言，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)可以認(rèn)為是一個(gè)由電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路以及電子開(kāi)關(guān)電路三者共同組成的“電動(dòng)系統(tǒng)”。
    無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電子開(kāi)關(guān)線路是用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)定子上各相繞組通電的順序和時(shí)間的，主要由功率邏輯開(kāi)關(guān)單元和位置傳感器信號(hào)處理單元兩個(gè)部分組成。功率邏輯開(kāi)關(guān)單元是控制電路的核心，其功能是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子上各相繞組，以便使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。而各相繞組導(dǎo)通的順序和時(shí)間主要取決于來(lái)自轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。但轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路所產(chǎn)生的信號(hào)一般不能直接用來(lái)控制功率邏輯開(kāi)關(guān)單元，往往需要經(jīng)過(guò)一定邏輯處理(功率放大)后才能去控制邏輯開(kāi)關(guān)單元。
    無(wú)刷直流電機(jī)的無(wú)位置傳感器控制的難點(diǎn)在于轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的檢測(cè)。國(guó)內(nèi)外研究人員提出了諸多方法，典型的方法有：反電動(dòng)勢(shì)法、三次諧波檢測(cè)法、電感檢測(cè)法和擴(kuò)展卡爾曼濾波法等。三次諧波檢測(cè)法在高速時(shí)能夠準(zhǔn)確快速地估計(jì)轉(zhuǎn)子位置，但是當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速低于某個(gè)值時(shí)，檢測(cè)到的三次諧波嚴(yán)重畸變，不能準(zhǔn)確估計(jì)轉(zhuǎn)子的位置。電感檢測(cè)法需要對(duì)繞組電感進(jìn)行不斷的實(shí)時(shí)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)難度較大。擴(kuò)展卡爾曼濾波器法計(jì)算繁瑣，對(duì)微機(jī)性能要求較高，實(shí)現(xiàn)較麻煩。反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法通過(guò)檢測(cè)各相反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，延遲30°電角度，獲得相應(yīng)的換相時(shí)刻，該方法雖然存在低速時(shí)難以得到有效的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，由RC濾波電路引起的過(guò)零點(diǎn)相移等缺點(diǎn)，但該方法是目前技術(shù)最成熟，實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單，應(yīng)用最廣泛的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法。
    普遍采用的控制方案為基于DSP的控制和基于專用集成電路的控制等，受芯片功能、速度和結(jié)構(gòu)的限制，硬件設(shè)計(jì)中往往需要較多的外圍電路，導(dǎo)致裝置的整體集成度不高，硬件開(kāi)發(fā)相對(duì)復(fù)雜。本文采用反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)了基于dsPIC30F3010芯片的無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)，將高性能16位單片機(jī)的控制特點(diǎn)和DSP高速運(yùn)算的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了合適的單芯片、單指令流的解決方案，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行性能良好。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    本無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)的硬件以美國(guó)微芯公司(Microchip)生產(chǎn)的數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC30F3010為核心控制器。dsPIC 30F3010具有6路10位A／D、專門針對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)的6路PWM模塊、5路16位定時(shí)器、24 kB Flash程序存儲(chǔ)器以及1 kB RAM。dsPIC30F系列器件采用功能強(qiáng)大的16位架構(gòu)，無(wú)縫集成了單片機(jī)(MCU)的控制功能和數(shù)字信號(hào)處理器的計(jì)算能力。因此是以高速、重復(fù)計(jì)算和控制為基礎(chǔ)的應(yīng)用的理想選擇。
1．1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)硬件電路由主電路、驅(qū)動(dòng)電路、過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路、采樣電路、各種保護(hù)電路組成。dsPIC30F3010控制器首先通過(guò)反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法獲得轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置發(fā)出相應(yīng)的控制字來(lái)改變PWM信號(hào)的當(dāng)前值，從而改變直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中功率管的導(dǎo)通順序，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。然后系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置和間隔時(shí)間測(cè)出電機(jī)轉(zhuǎn)速。將檢測(cè)到的各相的電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)降壓后輸入到DSC的A／D轉(zhuǎn)換器，其值與經(jīng)速度調(diào)節(jié)后產(chǎn)生的電流參考值比較，形成PWM占空比的控制量，來(lái)改變直流無(wú)刷電機(jī)電樞電流，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的?？刂葡到y(tǒng)中采用全橋PWM調(diào)節(jié)方式，通過(guò)改變PWM控制脈沖的占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸入無(wú)刷直流電機(jī)的平均直流電壓，以達(dá)到調(diào)速的目的。整個(gè)系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

1．2 dsPIC30F3010外圍電路的設(shè)計(jì)
    圖2為控制芯片dsPIC30F3010及其外圍電路圖。圖中上接的是復(fù)位電路，S1是復(fù)位按鈕，通過(guò)上拉電阻R2，這樣VPP／MCLR引腳可置低電平來(lái)復(fù)位PIC單片機(jī)；S2為啟停按鈕，控制電機(jī)啟停；SW1為調(diào)試／編程開(kāi)關(guān)，閉合SW1即可切換到MPLAB ICD時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線進(jìn)行編程；HA，HB，HC為三相電壓反饋；VBUS、IMOTOR接口分別是電機(jī)母線電壓與電流的輸入接口；在電路上通過(guò)一個(gè)可調(diào)電阻串一個(gè)電阻到地的方式，作為給定轉(zhuǎn)速的設(shè)置。其中所串的小電阻，讓AD無(wú)法讀到0這么低的值，規(guī)避了給定轉(zhuǎn)速下限的問(wèn)題。用RB3／AN3、RB4／AN4、RB5／AN5實(shí)現(xiàn)電機(jī)端電壓檢測(cè)，得到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)。PWM1L／YPWM1H、PWM2L／PWM2H、PWM3L／PWM3H分別是A、B、C三相逆變橋電路上、下橋臂開(kāi)關(guān)信號(hào)接口，采用PWM模塊控制6個(gè)MOSFET通斷，實(shí)現(xiàn)換相。

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1．3 逆變及其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
    逆變及驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。主電路采用三相橋式逆變電路，由控制部分產(chǎn)生六路的PWM脈沖，分別送到三片IR2101的2、3管腳，經(jīng)IR21 01內(nèi)部處理產(chǎn)生兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)一個(gè)橋臂的兩個(gè)功率MOS管。C15是自舉電容，為上橋臂功率管驅(qū)動(dòng)的懸浮電源存儲(chǔ)能量，D1的作用防止上橋臂導(dǎo)通時(shí)的直流母線電壓到IR2101的電源上而使器件損壞，因此應(yīng)有足夠的反向耐壓，當(dāng)然由于D1與C15串聯(lián)，為了滿足主電路功率管開(kāi)關(guān)頻率的要求，D1應(yīng)選快速恢復(fù)二極管，而且自舉電容容量取決于被驅(qū)動(dòng)功率器件的開(kāi)關(guān)頻率、占空比以及充電回路電阻，必須保證電容充電到足夠的電壓。在本電路中，自舉電容選的是2．2μF的電解電容。R30、R31、R32和R33作為限流電阻，防止驅(qū)動(dòng)信號(hào)電流過(guò)大，損壞器件。

    圖3中僅為聯(lián)接電動(dòng)機(jī)A相繞組橋臂的驅(qū)動(dòng)電路。同理，聯(lián)接另外兩相繞組的橋臂驅(qū)動(dòng)電路類似。
1．4 反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)
    無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，忽略電機(jī)電樞反應(yīng)，通過(guò)檢測(cè)關(guān)斷相反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)來(lái)獲得永磁轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵位置信號(hào)，從而可以控制繞組電流的切換，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。
    由無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)知，反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)與轉(zhuǎn)子位置有對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)對(duì)定子繞組上反電動(dòng)勢(shì)的檢測(cè)得到過(guò)零點(diǎn)，就可以得到轉(zhuǎn)子位置信息。在PWM導(dǎo)通期間，懸空繞組的端電壓等于反電勢(shì)與1／2電源電壓的疊加，檢測(cè)處于不通電相繞組的端電壓，其值等于電源電壓的一半時(shí)為反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信號(hào)。如果能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)到反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)信號(hào)，即可判斷出轉(zhuǎn)子的位置，經(jīng)過(guò)π／6電弧度延時(shí)處理后，可確定出換相時(shí)刻，再根據(jù)功率管的導(dǎo)通順序觸發(fā)相應(yīng)的功率管以實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的換相，保證電機(jī)按固定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

    假設(shè)速度大于零，則每個(gè)電周期中某相的BEMF為零的位置只有兩個(gè)，如圖4所示，通過(guò)過(guò)零點(diǎn)時(shí)BEMF的斜率來(lái)區(qū)分這些位置。每一段對(duì)應(yīng)電周期中的一個(gè)60°部分(共有6個(gè)相等的60°部分)。換相發(fā)生在每一段的邊界處，因此需要檢測(cè)段的邊界。BEMF過(guò)零點(diǎn)和需要換相的位置之間有30°的偏移，必須對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，以確保電機(jī)平穩(wěn)高效運(yùn)轉(zhuǎn)。[!--empirenews.page--]

    三相反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路圖如圖5所示。圖中畫(huà)出了3個(gè)檢測(cè)通道，分別是U、V、W三相反電動(dòng)勢(shì)的檢測(cè)，其電路原理其實(shí)是簡(jiǎn)單的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，主要是為了將較高的信號(hào)電壓降低，滿足單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換輸入要求。3相電壓經(jīng)過(guò)22 kΩ與2．4 Ω電阻的分壓后，再經(jīng)過(guò)300 Ω電阻進(jìn)入AN3，AN4，AN5這3個(gè)AD管腳，用AN3、AN4、AN5實(shí)現(xiàn)電機(jī)端電壓檢測(cè)，得到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)。在PWM開(kāi)通期間，檢測(cè)處于不通電相繞組的端電壓，其值等于電源電壓的一半時(shí)為反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信號(hào)。
1．5 電流采樣與過(guò)流保護(hù)電路
    電流采樣與過(guò)流保護(hù)電路如圖6所示。為了獲得電機(jī)的電流反饋信息，在DC母線負(fù)電壓與地之間連接了一個(gè)低阻值的電流檢測(cè)電阻(25 mΩ)。由此電阻產(chǎn)生的電壓被一個(gè)外部運(yùn)放(MCP6002)放大并反饋到ADC輸入(RB1)。

    dsPIC30／33的電機(jī)控制系列MCU，都有一個(gè)FLTA腳，當(dāng)?shù)玫降碗娖捷敵鰰r(shí)，可以關(guān)斷PWM的有效輸出，使之成為無(wú)效。這是一個(gè)硬件處理的機(jī)制，因此可以快速處理故障事件，以實(shí)現(xiàn)安全操作。通過(guò)與電流反饋電路相連接的比較器電路(U6)可以獲得故障輸入信號(hào)，且比較器門限值可通過(guò)電位器POT2進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)包括DSC事件管理器初始化程序、電機(jī)起動(dòng)程序、換相子程序、中斷服務(wù)程序、速度環(huán)和電流環(huán)的控制程序等。主要實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的開(kāi)環(huán)啟動(dòng)、過(guò)零檢測(cè)、換相、以及轉(zhuǎn)速和電流閉環(huán)控制等。軟件設(shè)計(jì)是在Microchip公司的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境MPLAB IDE中完成的，控制程序用C30語(yǔ)言編寫。
    主程序是一個(gè)死循環(huán)結(jié)構(gòu)，用來(lái)完成dsPIC30F3010初始化、看門狗程序和中速事件處理程序。軟件結(jié)構(gòu)是以主程序?yàn)橹鳎ㄟ^(guò)函數(shù)調(diào)用和全局變量與子程序進(jìn)行參數(shù)傳遞。中速事件處理程序每10 ms循環(huán)一次，包括電機(jī)啟動(dòng)、速度控制、電流A／D轉(zhuǎn)換及循環(huán)調(diào)用中斷服務(wù)子程序等，是整個(gè)系統(tǒng)最重要的程序。主程序流程，中速事件處理程序流程分別如圖7、8所示。

    軟件設(shè)計(jì)需注意以下4個(gè)問(wèn)題：1)使用電機(jī)控制PWM模塊的特殊事件觸發(fā)器來(lái)啟動(dòng)A／D信號(hào)轉(zhuǎn)換，可以使A／D轉(zhuǎn)換與PWM時(shí)基同步。2)應(yīng)舍棄換相后的最初幾個(gè)反電勢(shì)采樣點(diǎn)，這樣很容易避開(kāi)相繞組的去磁問(wèn)題，因?yàn)閾Q相后繞組電流不會(huì)立即為零，要經(jīng)過(guò)一個(gè)續(xù)流過(guò)程下降為零。3)不對(duì)端電壓波形用硬件進(jìn)行明顯濾波，而是由軟件根據(jù)PWM波形仔細(xì)地選取信號(hào)采樣點(diǎn)，可排除互耦PWM于關(guān)噪聲和不連續(xù)電流問(wèn)題。4)使用QEI計(jì)數(shù)器記錄連續(xù)監(jiān)測(cè)到兩個(gè)端電壓過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間，除以2即為30°電角度的時(shí)間，把此時(shí)間裝載到定時(shí)器2中，定時(shí)器2經(jīng)過(guò)30°電角度時(shí)間觸發(fā)中斷，調(diào)用換相子程序進(jìn)行電子換相。
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3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    以42BLF02型24 V，52 W，最大電流9．4 A，額定轉(zhuǎn)速為4 000 rpm的三相八極無(wú)刷直流電機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)方式。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)其中兩相端電壓波形分別如圖9、10所示。

    在硬件和軟件分別調(diào)試成功后，基于dsPIC30F3010芯片的無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)能夠控制電機(jī)順利起動(dòng)，并且很好地實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)電機(jī)的正確換相，保證了無(wú)刷直流電機(jī)正常運(yùn)行。整套方案是切實(shí)可行的，試驗(yàn)結(jié)果也是比較理想的。
    電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)端電壓波形如圖10所示，從圖中可以看出端電壓波形是較好的梯形波，與理論上的端電壓波形一致。在箭頭所指的60°電角度區(qū)間，該相繞組處于懸空狀態(tài)，而另兩相繞組處于工作狀態(tài)。由理論分析可知，在相不導(dǎo)通時(shí)，相端電勢(shì)等于相反電動(dòng)勢(shì)與1／2電源電壓的疊加，從圖中可以看出，在相不導(dǎo)通時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零出現(xiàn)在相不導(dǎo)通時(shí)的中間位置，且有12 V的偏移量，與理論分析完全相同。

4 結(jié)論
    本系統(tǒng)在無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)的軟硬件方面都采取了簡(jiǎn)約的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，采用上述控制技術(shù)，電機(jī)系統(tǒng)起動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)振動(dòng)和失步現(xiàn)象。與采用單片機(jī)的同類系統(tǒng)相比，DSC控制系統(tǒng)能夠達(dá)到相當(dāng)?shù)墓δ芘c控制精度，而成本更低，簡(jiǎn)化了硬件的設(shè)計(jì)，是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器的理想選擇。