基于DSP的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1. 引言

　　無刷直流電機(jī)利用電子換向器取代了傳統(tǒng)直流電機(jī)中的機(jī)械電刷和機(jī)械換向器，因此不僅保留了直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率高和調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)，又具有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。由于不受機(jī)械換向限制，易于做到大容量、高轉(zhuǎn)速，目前在航天、軍工、數(shù)控、冶金、醫(yī)療器械等領(lǐng)域已得到大量應(yīng)用。TMSF2812 DSP是TI公司新推出的基于TMS320C2xx內(nèi)核的定點(diǎn)數(shù)字信號處理器。器件上集成了多種先進(jìn)的外設(shè)，具有靈活、可靠的控制和通信模塊,完全可以采用單芯片實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制系統(tǒng)的控制和通信功能，使得電機(jī)控制系統(tǒng)簡單化、模塊化，為電機(jī)及其他運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)提供了良好的平臺。本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于TI公司TMS320F2812 DSP芯片的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，功能完善。

2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示，可以看出基本上包括一個(gè)以TMS320F2812 DSP為核心的DSP控制板，一塊配套的功率驅(qū)動(dòng)板和一臺無刷直流電機(jī)。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

　　2.1控制部分硬件設(shè)計(jì)

　　控制板部分以TMS320F2812為核心，加上一部分外圍電路及接口構(gòu)成。實(shí)現(xiàn)的主要功能是控制指令的接收和執(zhí)行，速度信號的接收和計(jì)算處理，電流采樣信號接收和轉(zhuǎn)換，速度閉環(huán)和電流閉環(huán)控制算法的執(zhí)行等。

　　對電機(jī)的控制主要使用F2812片上的兩個(gè)電機(jī)控制專用外設(shè)——EVA和EVB。利用通用定時(shí)器T1配合PWM發(fā)生器來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)功率器件所需的六路PWM信號，通過GPIO接口將三路電機(jī)霍爾傳感器信號輸入捕獲單元，從而獲取三個(gè)轉(zhuǎn)子的位置，進(jìn)而控制電機(jī)的換相和進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算。兩個(gè)12位AD模塊對相電流信號Iphase和輸入的速度調(diào)節(jié)電壓信號Vref進(jìn)行轉(zhuǎn)換和存儲，分別作為電流環(huán)的反饋信號和速度環(huán)的參考信號。通過片上的通用輸入輸出接口（GPIO），實(shí)現(xiàn)與功率驅(qū)動(dòng)部分的連接，輸出啟動(dòng)停止信號，正反轉(zhuǎn)信號，緊急制動(dòng)信號等，同時(shí)接收輸入的保護(hù)信號，故障信號等。通過片上的SCI模塊實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通信，接收上位機(jī)的控制指令。

　　控制部分硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制板電路框圖

2.2功率驅(qū)動(dòng)部分硬件設(shè)計(jì)

　　功率驅(qū)動(dòng)部分的硬件電路，主要由前置驅(qū)動(dòng)芯片和六個(gè)功率MOSEFET管組成，實(shí)現(xiàn)對控制部分傳送過來的換相信息的處理和PWM信號的隔離放大，控制功率MOSFET管的導(dǎo)通和關(guān)斷，以此來控制電機(jī)的工作狀態(tài)和速度。除此之外，還有電源電路，電流檢測電路，過流保護(hù)和緊急制動(dòng)電路等輔助電路，以及與電機(jī)和控制板的接口電路。

　　前置驅(qū)動(dòng)芯片采用的是IR公司的MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片IR2131，具有集成度高、可靠性好、速度快、過流欠壓保護(hù)、調(diào)試方便等特點(diǎn)。IR2131 內(nèi)部設(shè)計(jì)有過流、過壓及欠壓保護(hù)。

　　功率驅(qū)動(dòng)電路采用24V供電，驅(qū)動(dòng)電路與電機(jī)的連接采用三相全橋方式，電機(jī)工作在三相六狀態(tài)模式下。以任一時(shí)刻電機(jī)只有兩相導(dǎo)通的方式來控制換流元件。PWM調(diào)制的方式是軟斬波方式，即導(dǎo)通時(shí)下橋臂功率管始終保持開狀態(tài)，上橋臂功率管的開關(guān)由PWM信號決定。功率開關(guān)管采用HITACHI公司的集成功率開關(guān)器件6AM15，其內(nèi)部集成3個(gè)N型MOSFET管和P型MOSFET管，構(gòu)成三相全橋功率開關(guān)電路。與采用六個(gè)分立MOSFET管相比，有利于提高集成度，減少電路板面積，增加可靠性。每個(gè)MOSFET管自帶超快恢復(fù)二極管，在MOSFET管關(guān)閉期間起反向續(xù)流作用。

　　功率驅(qū)動(dòng)部分電路框圖如圖3所示。

圖3 功率主回路電路框圖

3. 系統(tǒng)控制策略及軟件設(shè)計(jì)

　　3.1系統(tǒng)控制策略

　　由無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可知，其轉(zhuǎn)速基本上跟電壓成正比，轉(zhuǎn)矩基本上和相電流成正比。為了達(dá)到控制精度和動(dòng)態(tài)性能，本系統(tǒng)選用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉壞調(diào)速系統(tǒng)。電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，速度環(huán)采用遇限削弱積分的積分分離PI控制算法。它具有良好的起動(dòng)和抗干擾性能，可以滿足本系統(tǒng)的需要?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流閉環(huán)控制系統(tǒng)

　　在此控制方案中，霍爾傳感器的信號加到TMS320F2812的捕獲單元端。將捕獲端設(shè)置為I/O 口，然后采集捕獲單元的電位情況。根據(jù)捕獲單元的電位情況可以判斷電機(jī)處于那個(gè)區(qū)間。根據(jù)兩次捕獲的時(shí)間可以計(jì)算出電機(jī)運(yùn)行速度。此速度作為速度參考值的反饋量，然后經(jīng)過速度PI 調(diào)節(jié)后可以得到參考電流Iref。另外通過電流檢測電路可以得到相電流Iphase信號,此信號通過A/D轉(zhuǎn)換后作為參考電流Iref的反饋量，經(jīng)過電流PI 調(diào)節(jié)后，得到的輸出量調(diào)節(jié)輸出的PWM信號的占空比,用此PWM信號接到驅(qū)動(dòng)端.這樣可以根據(jù)電機(jī)運(yùn)行的情況而調(diào)節(jié)MOSFET 管的導(dǎo)通時(shí)間達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

　　3.2 軟件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)系統(tǒng)的控制策略，可以得出整個(gè)控制系統(tǒng)軟件由主程序和INT3中斷服務(wù)子程序所組成。流程圖如圖5所示 。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

　　軟件采用模塊化設(shè)計(jì)。在主程序中，執(zhí)行初始化模塊，主要完成系統(tǒng)時(shí)鐘、看門狗、GPIO、T3中斷、事件管理器的各個(gè)控制寄存器及其中斷等的設(shè)置，以及軟件中個(gè)變量的初始化。執(zhí)行完初始化后，系統(tǒng)經(jīng)入循環(huán)等待T3中斷。

　　在INT3中斷服務(wù)程序中，主要執(zhí)行以下幾個(gè)模塊：

　?。?）A/D轉(zhuǎn)換模塊：利用DSP內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換單元完成相電流的A/D轉(zhuǎn)換。

　　（2）換相控制模塊：利用捕獲的三個(gè)霍爾傳感器的狀態(tài)，根據(jù)換相邏輯控制功率MOSFET管的換相。

　　（3）PWM波形發(fā)生模塊：主要是通過設(shè)置DSP內(nèi)部事件管理器模塊的PWM波形發(fā)生器，將通用定時(shí)器T1設(shè)置成連續(xù)升序計(jì)數(shù)模式，對應(yīng)20kHz的PWM頻率，計(jì)數(shù)周期設(shè)成50μs。然后根據(jù)電流環(huán)輸出的占空比對三個(gè)全比較單元的比較寄存器值進(jìn)行刷新。同時(shí)，通過查表法，獲得當(dāng)前換相指針?biāo)鶎?yīng)的ACTR（全比較動(dòng)作控制寄存器）值，并送到ACTR寄存器，完成對PWM1～PWM6引腳狀態(tài)的定義。

　?。?）數(shù)字PID模塊：改模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID算法，對轉(zhuǎn)速誤差和電流誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算，控制PWM信號的占空比。

4.結(jié)論：

　　為了驗(yàn)證和分析控制系統(tǒng)的性能，我們采用了一臺Maxon精密電動(dòng)機(jī)公司研制的稀土永磁無刷直流電機(jī)作為樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。該樣機(jī)額定功率150W，額定轉(zhuǎn)速10000n/s。結(jié)果表明采用TMS320F2812實(shí)現(xiàn)無刷直流機(jī)控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律以提高系統(tǒng)性能。采用方波和PWM方式利于減少力矩波動(dòng)改善低速性能，能夠取得良好的控制精度、動(dòng)態(tài)性能和較寬的調(diào)速范圍，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。同時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，具有較高的使用價(jià)值。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用新型高性能DSP器件TMS320F2812為基礎(chǔ)構(gòu)成無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。采用轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)調(diào)速策略，速度環(huán)采用遇限削弱積分的積分分離PI控制算法。采用了集成功率元件6AM15作為功率開關(guān)器件。