基于dsPIC30F3010的無(wú)刷直流電動(dòng)機控制系統設計

摘要：針對電機應用場(chǎng)合、體積縮小與節約成本等諸多問(wèn)題，采用反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)檢測方法，設計了基于dsPIC30F3010芯片的無(wú)刷直流電機無(wú)位置傳感器控制系統。分析了dsPIC30F3010外圍電路，逆變及其驅動(dòng)電路。反電動(dòng)勢檢測電路，電流采樣與過(guò)流保護電路，開(kāi)發(fā)了主程序和中速事件處理程序，并給出了電機正常運行時(shí)端電壓的波形。實(shí)驗結果表明系統能夠控制電機順利起動(dòng)，而且實(shí)現了電機正確的換相和正常運行，證明了系統設計的可行性。
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機；反電動(dòng)勢(BEMF)；無(wú)位置傳感器；數字信號控制器

無(wú)刷直流電動(dòng)機(BLDCM)是隨著(zhù)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，具有可靠性高，易維護等一系列優(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用。就其基本結構而言，無(wú)刷直流電動(dòng)機可以認為是一個(gè)由電機本體、轉子位置檢測電路以及電子開(kāi)關(guān)電路三者共同組成的“電動(dòng)系統”。
無(wú)刷直流電動(dòng)機電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路是用來(lái)控制電動(dòng)機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)機定子上各相繞組，以便使電動(dòng)機產(chǎn)生持續不斷的轉矩。而各相繞組導通的順序和時(shí)間主要取決于來(lái)自轉子位置檢測電路的轉子位置信號。但轉子位置檢測電路所產(chǎn)生的信號一般不能直接用來(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)刷直流電機的無(wú)位置傳感器控制的難點(diǎn)在于轉子位置信號的檢測。國內外研究人員提出了諸多方法，典型的方法有：反電動(dòng)勢法、三次諧波檢測法、電感檢測法和擴展卡爾曼濾波法等。三次諧波檢測法在高速時(shí)能夠準確快速地估計轉子位置，但是當電機的轉速低于某個(gè)值時(shí)，檢測到的三次諧波嚴重畸變，不能準確估計轉子的位置。電感檢測法需要對繞組電感進(jìn)行不斷的實(shí)時(shí)檢測，實(shí)現難度較大。擴展卡爾曼濾波器法計算繁瑣，對微機性能要求較高，實(shí)現較麻煩。反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)檢測法通過(guò)檢測各相反電動(dòng)勢的過(guò)零點(diǎn)，延遲30°電角度，獲得相應的換相時(shí)刻，該方法雖然存在低速時(shí)難以得到有效的轉子位置信號，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)現最簡(jiǎn)單，應用最廣泛的轉子位置檢測方法。
普遍采用的控制方案為基于DSP的控制和基于專(zhuān)用集成電路的控制等，受芯片功能、速度和結構的限制，硬件設計中往往需要較多的外圍電路，導致裝置的整體集成度不高，硬件開(kāi)發(fā)相對復雜。本文采用反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)檢測方法，設計了基于dsPIC30F3010芯片的無(wú)刷直流電機無(wú)位置傳感器控制系統，將高性能16位單片機的控制特點(diǎn)和DSP高速運算的優(yōu)點(diǎn)相結合，為嵌入式系統設計提供了合適的單芯片、單指令流的解決方案，其結構簡(jiǎn)單，運行性能良好。

1 系統硬件設計
本無(wú)刷直流電動(dòng)機無(wú)位置傳感器控制系統的硬件以美國微芯公司(Microchip)生產(chǎn)的數字信號控制器dsPIC30F3010為核心控制器。dsPIC 30F3010具有6路10位A／D、專(zhuān)門(mén)針對電機設計的6路PWM模塊、5路16位定時(shí)器、24 kB Flash程序存儲器以及1 kB RAM。dsPIC30F系列器件采用功能強大的16位架構，無(wú)縫集成了單片機(MCU)的控制功能和數字信號處理器的計算能力。因此是以高速、重復計算和控制為基礎的應用的理想選擇。
1．1 系統硬件總體設計
系統硬件電路由主電路、驅動(dòng)電路、過(guò)零點(diǎn)檢測電路、采樣電路、各種保護電路組成。dsPIC30F3010控制器首先通過(guò)反電動(dòng)勢檢測法獲得轉子的位置信號，并根據轉子的位置發(fā)出相應的控制字來(lái)改變PWM信號的當前值，從而改變直流電動(dòng)機驅動(dòng)電路中功率管的導通順序，實(shí)現對電動(dòng)機轉速的控制。然后系統根據轉子的位置和間隔時(shí)間測出電機轉速。將檢測到的各相的電流轉換成電壓信號降壓后輸入到DSC的A／D轉換器，其值與經(jīng)速度調節后產(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)刷電機電樞電流，從而達到控制電機轉速的目的?？刂葡到y中采用全橋PWM調節方式，通過(guò)改變PWM控制脈沖的占空比來(lái)調節輸入無(wú)刷直流電機的平均直流電壓，以達到調速的目的。整個(gè)系統硬件框圖如圖1所示。

1．2 dsPIC30F3010外圍電路的設計
圖2為控制芯片dsPIC30F3010及其外圍電路圖。圖中上接的是復位電路，S1是復位按鈕，通過(guò)上拉電阻R2，這樣VPP／MCLR引腳可置低電平來(lái)復位PIC單片機；S2為啟停按鈕，控制電機啟停；SW1為調試／編程開(kāi)關(guān)，閉合SW1即可切換到MPLAB ICD時(shí)鐘線(xiàn)和數據線(xiàn)進(jìn)行編程；HA，HB，HC為三相電壓反饋；VBUS、IMOTOR接口分別是電機母線(xiàn)電壓與電流的輸入接口；在電路上通過(guò)一個(gè)可調電阻串一個(gè)電阻到地的方式，作為給定轉速的設置。其中所串的小電阻，讓AD無(wú)法讀到0這么低的值，規避了給定轉速下限的問(wèn)題。用RB3／AN3、RB4／AN4、RB5／AN5實(shí)現電機端電壓檢測，得到反電動(dòng)勢過(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)信號接口，采用PWM模塊控制6個(gè)MOSFET通斷，實(shí)現換相。