利用DSP控制直流無(wú)刷電機

　　直流無(wú)刷電機實(shí)際屬于永磁同步電機，一般轉子為永磁材料，隨定子磁場(chǎng)同步轉動(dòng)。這種電機結構簡(jiǎn)單，而且由于移去了物理電刷，使得電磁性能可靠，維護簡(jiǎn)單，從而被廣泛應用于辦公自動(dòng)化、家電等領(lǐng)域。直流無(wú)刷電機運行過(guò)程要進(jìn)行兩種控制，一種是轉速控制，也即控制提供給定子線(xiàn)圈的電流；另一種是換相控制，在轉子到達指定位置改變定子導通相，實(shí)現定子磁場(chǎng)改變，這種控制實(shí)際上實(shí)現了物理電刷的機制。因此這種電機需要有位置反饋機制，比如霍爾元件、光電碼盤(pán)，或者利用梯形反電動(dòng)勢特點(diǎn)進(jìn)行反電動(dòng)勢過(guò)零檢測等。利用光電編碼器的系統在軟件實(shí)現上更方便。電機速度控制也是根據位置反饋信號，計算出轉子速度，再利用PI或PID等控制方法，實(shí)時(shí)調整PWM占空比等來(lái)實(shí)現定子電流調節。因此，控制芯片要進(jìn)行較多的計算過(guò)程。當然也有專(zhuān)門(mén)的直流無(wú)刷電機控制芯片；但一般來(lái)說(shuō)，在大多數應用中，除了電機控制，總還需要做一些其他的控制和通信等事情，所以，選用帶PWM，同時(shí)又有較強數學(xué)運算功能的芯片也是一種很好的選擇。Motorola的數字信號處理器DSP568xx系列整合了通用數字信號處理器快速運算功能和單片機外圍豐富的特點(diǎn)，使得該系列特別適合于那些要求有較強的數據處理能力，同時(shí)又要有較多控制功能的應用中，對直流無(wú)刷電機的控制就是這一系列DSP的典型應用之一。

直流無(wú)刷電機結構和連接
　　三相直流無(wú)刷電機采用二二導通、三相六狀態(tài)PWM調制方式。電機定子繞組軸向示意圖如圖1所示。

　　當電流從A到B時(shí)，定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)為圖1中A－B方向，如果電機順時(shí)針運行，此時(shí)，永磁轉子磁場(chǎng)應位于III區，產(chǎn)生的扭矩最大。當轉子轉過(guò)III區和IV區的交界，到達IV區時(shí)，定子繞組電流應相應改變成為從A到C，即產(chǎn)生的磁場(chǎng)成為圖1中A－C方向。

　　這樣，定子磁場(chǎng)總超前轉子磁場(chǎng)約90，使轉子不斷的向前跟進(jìn)。實(shí)現這個(gè)過(guò)程的關(guān)鍵是取得轉子位置，積分編碼器就起這個(gè)作用，如它的三路輸出：PHASEA、PHASEB、PHASEC，在轉子分別位于圖1中的I到VI各區時(shí)，輸出信號相應為：011、001、101、100、110、010。這樣，通過(guò)捕捉積分編碼器任一路輸出上的跳變沿，讀取跳變沿后的積分編碼器輸出狀態(tài)，就可以確定轉子的新位置，實(shí)現定子繞組電流換向。同時(shí)，利用定時(shí)器檢測兩次換向之間的時(shí)間間隔，計算出電機運行的速度，再通過(guò)調整PWM信號的占空比，調整定子電流，實(shí)現調速。

DSP568xx中使用到的主要模塊
　　在Motorola的DSP568xx系列數字信號處理器的軟件開(kāi)發(fā)包中，給出了一個(gè)利用上述思路對直流無(wú)刷電機控制的應用程序：bldc_sensors。主要用到了DSP的脈寬調制PWM模塊、定時(shí)器模塊、相位檢測器DECODER模塊。

　　PWM模塊共有六路輸出，分別用來(lái)控制三相的頂底共六個(gè)功率管。
　　模塊可以被配置成互補通道模式，即PWM0與PWM1為一對互補對，共三對互補對，如圖2所示?；パa對內的兩個(gè)信號可以在芯片內部被互相交換，如圖2中C相所示；也可以同時(shí)被屏蔽，使得輸出全為0，該相就關(guān)斷，如圖2中A相所示。

　　定時(shí)器模塊是最普通的外設，在這個(gè)應用中，使用了5個(gè)定時(shí)器模塊，它們分別是A0、A1、A2、A3和D0。前3個(gè)分別接積分編碼器的一路輸出，利用它們的輸入捕捉功能，產(chǎn)生中斷，在中斷子程序內檢測新的積分編碼器輸出狀態(tài)，實(shí)現換相。A3接的也是積分編碼器的一路輸出，它用來(lái)測量某路霍爾信號兩個(gè)跳變沿間的時(shí)間間隔，計算轉子速度。D0用來(lái)產(chǎn)生20ms間隔的節拍，周期性的對系統狀態(tài)進(jìn)行轉換和檢測。

　　相位檢測器DECODER模塊對于電機控制非常有用，它不僅能用于本文所說(shuō)的六狀態(tài)積分編碼器，還能用于轉子每轉一圈產(chǎn)生相當多數目脈沖的積分編碼器。該模塊框圖如圖3所示。

　　但在本應用中，只用到了它的干擾信號濾波器，即使用了積分編碼器的三路輸出經(jīng)過(guò)濾波后的值。六狀態(tài)積分編碼器的三個(gè)輸出PHASEA、PHASEB、PHASEC分別接到相位檢測器的PHASEA、PHASEB、INDEX三個(gè)輸入端上。

控制算法
　　對于無(wú)刷直流電機的控制，軟件上的內容是主體。
　　程序是一種前后臺結構，前臺是一個(gè)死循環(huán)，死循環(huán)內作兩個(gè)工作，一個(gè)是程序狀態(tài)轉換ApplicationStateMachine()，另一個(gè)是20ms時(shí)鐘節拍觸發(fā)的LED控制、直流電壓數字值讀取和速度控制等服務(wù)性工作ServiceLedISR()。程序中有一個(gè)全局變量ApplicationMode，取值可以是Init、Stopped、Running和Fault，用來(lái)指示系統的狀態(tài)。main()函數一開(kāi)始在初始化函數Initialize()中先把系統狀態(tài)設置為Init，然后在程序狀態(tài)機ApplicationStateMachine()里實(shí)現如圖4所示的轉換。

　　狀態(tài)之間轉換的各種條件均標在圖4的各個(gè)箭頭上。硬件上的其他事件：定時(shí)器A0、A1、A2的輸入捕捉，A3的輸入捕捉和溢出，D0的輸出比較以及加減速按鍵都是通過(guò)中斷的方式打入。所以整個(gè)軟件的結構如圖5所示。

　　系統一加電，程序進(jìn)入初始化函數Initialize()，在這個(gè)函數中，做了以下工作：
　　◆啟動(dòng)直流電壓ADC；
　　◆初始化Led，開(kāi)始20ms的周期時(shí)鐘中斷D0；
　　◆開(kāi)關(guān)狀態(tài)初始化；
　　◆PWM參數初始化；
　　◆捕捉積分編碼器跳變沿的定時(shí)器A0、A1、A2初始化；
　　◆相位檢測器初始化；
　　◆ApplicationMode = Init；
　　◆取得轉子位置，設好初始的導通相；
　　◆PI控制器初始化；
　　◆用于測量轉速的定時(shí)器A3的初始化。

　　從Initialize()返回后，立刻進(jìn)入前臺死循環(huán)。
在轉子運行過(guò)程中，定時(shí)器A0、A1、A2輸入捕捉的發(fā)生，標志著(zhù)轉子運行到了一個(gè)需要換相的位置。輸入捕捉事件觸發(fā)中斷ISRQTimer()，在這個(gè)中斷服務(wù)程序中，完成以下的工作：
　　◆從相位檢測器取得當前積分編碼器的三路輸出狀態(tài)；
　　◆根據當前積分編碼器輸出狀態(tài)，判斷轉子運轉方向；
　　◆并調整PWM模塊的交換和屏蔽，即定子電流換相。

　　所以說(shuō)，定子電流的換相，是在緊隨著(zhù)積分編碼器輸出跳變沿的中斷服務(wù)子程序中完成的。在判斷轉子運轉方向的時(shí)候，使用了一個(gè)常數組：DIRECTION_TABLE[8] = {0, 5, 3, 1, 6, 4, 2, 0}。這個(gè)數組元素的下標和元素的值對應轉子在順時(shí)針運轉情況下，當前編碼器狀態(tài)和下一個(gè)編碼器狀態(tài)（見(jiàn)圖1）。比如，當前編碼器輸出011，轉子磁場(chǎng)位于I區，那么順時(shí)針運轉時(shí)，下一個(gè)編碼器狀態(tài)應為001，這正好對應于上述數組中，下標為011的元素值為001。這樣，通過(guò)比較以編碼器上一個(gè)狀態(tài)作為下標的數組元素值與當前狀態(tài)是否相同，就可以判斷轉子運轉方向。在實(shí)現定子電流換相時(shí)，也以當前狀態(tài)為下標，從專(zhuān)門(mén)數組中取得PWM模塊通道交換與屏蔽所需的參數。在本應用中，將三對PWM互補通道對的參數設成一致，通過(guò)屏蔽某一相，交換另外一相，實(shí)現定子繞組電流狀態(tài)的控制，如在圖2中，A相被屏蔽，B相頂功率管開(kāi)關(guān)占空比為70％，而將C相兩個(gè)PWM通道交換，C相的底功率管開(kāi)關(guān)占空比就由原來(lái)的30％成為70％，從而使電流由B相流入定子繞組而從C相流出，確定定子繞組B－>C的電流狀態(tài)。

　　積分編碼器的某一路輸出，比如PHASEC的跳變，還觸發(fā)了定時(shí)器A3的輸入捕捉中斷。在輸入捕捉中斷中，取得各個(gè)跳變沿之間的時(shí)間間隔，用來(lái)計算轉子速度。定時(shí)器A3的溢出中斷，也是為取得各個(gè)跳變沿之間的時(shí)間間隔服務(wù)。

　　在Initialize()函數中調用的LedInit()函數內部已經(jīng)將定時(shí)器D0進(jìn)行了初始化，所以從那時(shí)開(kāi)始，定時(shí)器D0開(kāi)始運行，每20ms產(chǎn)生一個(gè)中斷，觸發(fā)中斷服務(wù)子程序LedISR()的運行。在LedISR()中，只是設了一個(gè)標志位bLedISROccurred為真。但這會(huì )使得死循環(huán)內ServiceLedISR()函數的具體內容被執行，而不是直接返回。ServiceLedISR()函數的具體代碼完成以下工作：
　　◆Led閃爍周期計算和控制；
　　◆UpButton、DownButton按鍵延時(shí)控制；
　　◆從ADC讀取直流電壓值并重啟ADC；
　　◆取得一路積分編碼器的跳變沿間隔并計算速度，進(jìn)行速度控制。

　　所以，轉子運轉的速度控制是在幾乎每20ms周期的ServiceLedISR()內完成。

　　加減速按鍵也觸發(fā)中斷，在中斷服務(wù)子程序內，調用相應函數，實(shí)現系統設定速度的改變。

結束語(yǔ)
　　Motorola的數字信號處理器DSP568xx系列憑借著(zhù)較強的數據處理能力和強大豐富的外圍，尤其是相位檢測器、脈寬調制等模塊，非常適用于直流無(wú)刷電機控制這樣的實(shí)時(shí)應用中。前后臺方式的控制算法，反應速度快，代碼量少，在直流無(wú)刷電機等控制過(guò)程不很復雜，但對于實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合，有比較好的特性。