基于DSP的無刷直流電機控制器設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：介紹了無刷直流電機的工作原理和控制方式，并提出了一種基于DSP技術(shù)無刷直流電機控制器設(shè)計方案，DSP將CPU、PWM波發(fā)生單元和數(shù)據(jù)采集單元等外設(shè)都集成在一片DSP上，提高了系統(tǒng)集成度和抗干擾性，并使得系統(tǒng)的升級更加容易。實驗表明，基于DSP的無刷直流電機控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能良好，達到了一般伺服系統(tǒng)的性能要求。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機；DSP技術(shù)；伺服系統(tǒng)

    隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展，需要不斷地開發(fā)各種新型電動機。新技術(shù)新材料的不斷涌現(xiàn)，促進了電動機產(chǎn)品的不斷推陳出新。無刷直流電機保持著有刷直流電機的優(yōu)良機械及控制特性，在電磁結(jié)構(gòu)上和有刷直流電機一樣，但它的電樞繞組放在定子上，轉(zhuǎn)子上放置永久磁鋼。定子采用位置傳感器實現(xiàn)電子換相來代替有刷直流電機的電刷和換向器，各相逐次通電產(chǎn)生電流，定子磁場和轉(zhuǎn)子磁極主磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。和有刷直流電機相比，無刷直流電機由于取消了電機的滑動接觸機構(gòu)，因而消除了故障的主要根源。轉(zhuǎn)子上沒有繞組，也就沒有了勵磁損耗，又由于主磁場是恒定的，因此鐵損也是極小的，因而進一步增加了工作的可靠性。

1 無刷直流電機控制原理
    無刷直流電機由電動機主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。
    控制電路對轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測的信號進行邏輯變換后產(chǎn)生脈寬調(diào)制PWM信號，經(jīng)過驅(qū)動電路放大送至逆變器各功率開關(guān)管，從而控制電動機各相繞組按一定順序工作，在電機氣隙中產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場。下面以兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無刷直流電動機為例來說明其工作原理。無刷直流電機主回路原理圖如圖1所示。

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    當(dāng)轉(zhuǎn)子稀土永磁體位于圖2(a)所示位置時，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出磁極位置信號，經(jīng)過控制電路邏輯變換后驅(qū)動逆變器，使功率開關(guān)管V1、V6導(dǎo)通。即繞組A、B通電，A進B出。電樞繞組在空間的合成磁勢Fa如圖2(a)所示。此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用拖動轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動。電流流通路徑為：電源正極→V1管→A相繞組→B相繞組→V6管→電源負(fù)極。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60°電角度，到達圖2(b)中位置時，位置傳感器輸出信號經(jīng)邏輯變換后使開關(guān)管V6截止，V2導(dǎo)通，此時V1仍導(dǎo)通。則繞組A、C通電，A進C出，電樞繞組在空間合成磁場如圖2(b)中Fa。此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用使轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時針方向轉(zhuǎn)動。電流流通路徑為：電源正極→V1管→A相繞組→C相繞組→V2管→電源負(fù)極，依此類推。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時針每轉(zhuǎn)過60°電角度時，功率開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯為3V2→V3V4→V5V4→V5V6→V1V6→V1V2→V3V2→……，則轉(zhuǎn)子磁場始終受到定子合成磁場的作用并沿順時針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動。本設(shè)計中的無刷直流電機是一臺額定功率為1．5 kW，額定轉(zhuǎn)速為4 000 r／min的無刷直流電機，供電為270 V直流，根據(jù)電機本身特性進行系統(tǒng)及各模塊設(shè)計。

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2 系統(tǒng)構(gòu)成
    圖3為系統(tǒng)構(gòu)成框圖?？刂破鞑捎酶咝阅艿臄?shù)字信號處理器TMS320F2812作為控制核心，電流采樣及位置檢測采用了芯片內(nèi)置模塊，實現(xiàn)了高度的集成化；以高精度霍爾傳感器作為系統(tǒng)位置反饋元件；以高精度檢測電阻作為電流反饋元件；構(gòu)成數(shù)字化速度和電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)?？紤]到電機PWM驅(qū)動信號的載波頻率比較高，功率模塊選擇了MOSFET開關(guān)管。

    由圖4可以看到這是一個典型的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，包括一個速度調(diào)節(jié)環(huán)和一個電流調(diào)節(jié)環(huán)。首先根據(jù)檢測到的轉(zhuǎn)子位置信號，計算得到電動機的當(dāng)前轉(zhuǎn)動速度，然后與速度參考值比較得到速度偏差值，經(jīng)過一個PID控制器后得到相應(yīng)的電流參考值。該電流參考值與實際的電動機的電流反饋值進行比較，偏差的值經(jīng)PID調(diào)節(jié)后將生成的PWM信號加到電動機的功率驅(qū)動主回路上。通過控制功率管的開通順序和時間，可改變電動機定子繞組中的電流大小和繞組的導(dǎo)通順序，從而實現(xiàn)對直流無刷電動機轉(zhuǎn)速的控制。

3 系統(tǒng)各模塊實現(xiàn)
3．1 電流的檢測和計算
    電流的檢測是采用精度較高的檢測電阻來實現(xiàn)的，將檢測電阻串聯(lián)接到直流母線中。電阻值的選擇考慮了當(dāng)過流發(fā)生時能輸出的最大電壓。
    每—個周期對電流采樣一次。本設(shè)計中PWM周期為50μs，則電流的采樣頻率為20 kHz。開關(guān)管采用PWM控制，載波為三角波。在PWM周期的“開”的瞬間，電流上升并不穩(wěn)定也不易采樣。所以電流采樣時刻應(yīng)該是在PWM周期的“開”的中部，如圖5中的箭頭即為電流采樣肘刻。電流采樣通過DSP定時器采用連續(xù)增減計數(shù)方式的周期匹配事件啟動ADC轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)。

3．2 位置檢測和速度計算
    無刷直流電機需要不斷地對三相無刷直流電動機進行換向。掌握好恰當(dāng)?shù)膿Q相時刻可以減小轉(zhuǎn)矩的波動。因此位置檢測是非常重要的。同時通過位置檢測信號計算出當(dāng)前電機的速度數(shù)據(jù)。
    位置信號是通過3個霍爾傳感器得到的。每一個霍爾傳感器都會產(chǎn)生180°脈寬的輸出信號，3個霍爾傳感器的輸出信號有120°相位差。通過將DSP設(shè)置為雙沿觸發(fā)捕捉中斷功能，就可以獲得這6個時刻。通過將DSP的捕捉口CAP1～CAP3設(shè)置為I／O口、并檢測該口的電平狀態(tài)，就可以知道每個霍爾傳感器的電平狀態(tài)從而得到當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置。
    利用位置信號來計算電機當(dāng)前的轉(zhuǎn)速。電機每個機械轉(zhuǎn)有六次換相，也就是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60°機械角就有一次換相。通過DSP的定時器測得兩次換相的時間間隔，就可以計算出兩次換相間隔期間的平均角速度。
3．3 其他系統(tǒng)模塊的設(shè)計
    本系統(tǒng)中電機的轉(zhuǎn)速設(shè)置有兩種方式，一種是采用電位計分壓的方式，由于DSP2812的A／D模塊的電壓采樣范圍是0～3．3 V，所以電位計供電也為3．3 V。另外一種方法是采用DSP2812內(nèi)置的SCI模塊與上位機PC端進行通訊，通訊方式采用RS485通訊總線。RS485總線采用差分傳輸，抗干擾能力強、傳輸距離遠。電流設(shè)置也采用DSP2812的A／D模塊采樣電位計分壓的方式。
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4 軟件系統(tǒng)設(shè)計
    TMS320F2812是由德州儀器公司生產(chǎn)的，指令處理速度高達150MIPS的數(shù)字信號處理器，專門為工業(yè)自動化及自動化控制等應(yīng)用而設(shè)計。軟件系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計，在TI專用集成開發(fā)環(huán)境CCS中由C語言編寫完成。
    軟件系統(tǒng)的設(shè)計主要包括兩部分：轉(zhuǎn)速計算程序和無刷電機的雙閉環(huán)控制程序。轉(zhuǎn)速計算程序主要實現(xiàn)速度參數(shù)計算和換相操作。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60°機械角都觸發(fā)一次捕捉中斷。當(dāng)進入捕捉中斷后，首先計算速度參數(shù)，然后將CAP管腳設(shè)置為I／O狀態(tài)。進入I／O狀態(tài)后就可以讀出當(dāng)前電機轉(zhuǎn)子的位置狀態(tài)。根據(jù)電機轉(zhuǎn)子的位置狀態(tài)進行換相后恢復(fù)CAP模塊的捕捉功能。捕捉中斷子程序框圖如圖6(a)所示。雙閉環(huán)控制程序在A／D中斷子程序中實現(xiàn)。通過定時器周期匹配事件啟動ADC轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后進入A／D中斷。進入中斷后首先判斷是否進行速度調(diào)節(jié)。如果需要調(diào)節(jié)，則將當(dāng)前電機轉(zhuǎn)速參數(shù)值與電機轉(zhuǎn)速參考值進行比較，兩者的差值經(jīng)過PID運算后得出電流參考值；如果不需要調(diào)節(jié)則保持之前的電流參考值不變。然后讀取A／D轉(zhuǎn)換值，將它與電流參考值進行比較，兩者的差值經(jīng)過PID運算后得出PWM波的占空比。最后在根據(jù)調(diào)節(jié)結(jié)果改變占空比后恢復(fù)現(xiàn)場退出A／D中斷子程序。A／D中斷子程序框圖如圖6(b)所示。

5 實驗結(jié)果
    試驗樣機為稀土永磁無刷直流電動機，轉(zhuǎn)子為一對極，定子電樞繞組采用星形接法。PWM頻率的選取要考慮電機性能及功率管效率等方面。頻率越高，電機噪聲越小，但會增加功率管的損耗；頻率低時，功率管損耗減小，但噪聲會增大。綜合考慮，本系統(tǒng)中PWM頻率選定為20 kHz。圖7為DSP輸出的對稱PWM波。

    實驗結(jié)果表明，無刷直流電機在1000～4000 r／min范圍內(nèi)可以平穩(wěn)調(diào)速，電機的啟動時間以及最大啟動電流均滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。

6 結(jié)論
    文中是基于TMS320F2812DSP的無刷直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計，充分利用DSP豐富的片內(nèi)資源及高效的數(shù)據(jù)處理能力，可以大大簡化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。文中所設(shè)計與實現(xiàn)的無刷直流電機控制系統(tǒng)應(yīng)用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)對電機實際系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)。對電流環(huán)和速度環(huán)使用PID調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了具有超調(diào)量小、響應(yīng)速度快特點的無刷直流電機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。