dsPIC30F6010的直流無(wú)刷電機控制系統

摘要：基于dsPIC30F6010微處理器設計了無(wú)刷直流電動(dòng)機有位置傳感器法和反電勢過(guò)零檢測法的調速系統。根據無(wú)刷直流電動(dòng)機的特點(diǎn)和所用控制芯片的功能，分別提出了有位置傳感器法和無(wú)位置傳感器法的控制方案。從試驗測試結果來(lái)看，電機啟動(dòng)穩定快速、正常，運轉良好，具有較寬的調速范圍等，反電動(dòng)勢過(guò)零檢測法補償圖形符合要求。

引言

無(wú)刷直流電動(dòng)機作為機電一體化產(chǎn)品，既具備交流電動(dòng)機的結構簡(jiǎn)單、運行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備有刷直流電機的運行效率高、元勵磁損耗以及調速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，它克服了有刷直流電機由于機械電刷和換向器的存在所帶來(lái)的噪聲、火花、無(wú)線(xiàn)電干擾以及壽命短等弊病，并且制造成本低，簡(jiǎn)化了電機的維修，因此在工業(yè)上(特別是微特電機領(lǐng)域)，以及在小功率、高轉速的調速領(lǐng)域的應用越來(lái)越廣泛。

基于dsPIC30F6010微處理器的無(wú)刷直流電機控制系統，分析了永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機的工作原理，并建立數學(xué)模型，然后根據原理和模型制定出無(wú)刷直流電動(dòng)機的調速系統方案，并仿真得到理論上的PI參數。根據調速系統方案，在MPLAB系統開(kāi)發(fā)平臺上運用匯編語(yǔ)言分別用電機自帶的位置傳感器和反電動(dòng)勢過(guò)零檢測法兩種方法進(jìn)行編程、調試，實(shí)現無(wú)刷直流電動(dòng)機的數字控制。

1 無(wú)刷直流電動(dòng)機數學(xué)模型

式中：ua，ub，uc表示電機三相相電壓;ea，eb，ec表示電機各相反電勢;ia，ib，ic表示電機三相相電流;La，Lb，Lc表示電機三相繞組的自感;R、Lσ為每相繞組電阻和電感;ω為轉子電角速度;θ為轉子電角度;un為定子繞組中性點(diǎn)電壓;t為時(shí)間量。

由于每相繞組漏電感等效為常數，即dLσ/dt=0，所以可將式(1)～(3)整理成下式：

式中：Te為電機的電磁轉矩;ω為電機轉子的機械角速度，可以看出其轉矩方程與普通直流電機方程相似，轉矩隨著(zhù)電流幅值的增大而增大。

給任意兩相無(wú)刷直流電動(dòng)機通電，假設無(wú)轉矩脈動(dòng)，相電流與之對應的感應電動(dòng)勢平頂部分完全重合，則發(fā)現任意兩相相電流大小相等，方向相反，不通電相相電流為零，通過(guò)式(5)得出電磁功率和電磁轉矩，分別表示如下：

式中：TL為負載轉矩;B為阻尼系數;J為轉動(dòng)慣量。

2 系統控制方案

由于受IGBT等器件的功率限制，PWM調速只能應用在中、小功率情況下，電機為小功率電機，用PWM改變電樞端電壓進(jìn)行調速。

理想元刷直流電動(dòng)機的感應電動(dòng)勢和電磁轉矩公式如下：

其中：Np為通電導體數;1為轉子鐵心長(cháng)度;r為轉子半徑;is為定子電流。無(wú)刷直流電動(dòng)機調速原理框圖如圖1所示。

2.1 有位置傳感器法

給定轉速與速度反饋量形成偏差，經(jīng)速度PI調節后產(chǎn)生電流參考值，與電流反饋值的偏差經(jīng)電流PI調節后形成PWM占空比的控制量，實(shí)現電動(dòng)機的速度控制。

2.2 反電勢過(guò)零檢測法

三相無(wú)刷直流電動(dòng)機每轉過(guò)60°需要換相一次，而轉過(guò)一周需要6個(gè)換相點(diǎn)。無(wú)刷直流電機在任意6個(gè)換相階段，只有兩相通電并且通電電流方向相反，第三相不通電，相電流為零。假設其為斷開(kāi)相，則可列出方程：

3 控制系統硬件結構設計

dsPIC30F6010為16位(數據)改進(jìn)的哈佛結構，是一款專(zhuān)為電機控制應用設計的80引腳的DSC，運算靈活，數據處理能力強(內部有兩個(gè)40位的累加器)，指令集靈活并且支持小數運算。

3.1 有位置傳感器法硬件系統

有位置傳感器法無(wú)刷直流電動(dòng)機硬件系統框圖如圖2所示。

3.2 反電勢過(guò)零檢測法硬件系統

反電勢過(guò)零檢測法無(wú)刷直流電動(dòng)機硬件系統框圖如圖3所示。

4 控制系統的軟件設計

4.1 有位置傳感器程序總體結構設計

軟件設計主要采用MPLAB IDE 7.40作為開(kāi)發(fā)環(huán)境。整個(gè)控制系統的軟件部分由主程序、A/D中斷服務(wù)子程序(其中包括速度調節子程序和電流調節子程序)、電平變化中斷子程序以及故障引腳子程序和中斷陷阱組成。

主程序主要完成控制器系統時(shí)鐘模塊的初始化(為計算兩相換相時(shí)間)、中斷的設置、電機的初始位置檢測，之后主程序進(jìn)入循環(huán)等待，直到觸發(fā)中斷跳入中斷子程序。主程序流程圖如圖4所示。

4.2 反電動(dòng)勢過(guò)零檢測法程序總體結構設計

主循環(huán)程序框圖如圖5所示。

5 實(shí)驗研究

實(shí)驗所用電機為方波驅動(dòng)的三相無(wú)刷直流電動(dòng)機。電機內置的霍爾位置傳感器采用SS41霍尼韋爾開(kāi)關(guān)量位置傳感器。相關(guān)參數如下：額定轉速3000 rpm、額定轉矩0.22 N·m、轉矩系數0.0522Nm/A、額定電源電壓24 V、額定功率70 W、額定電流5.18 A、5對極、三相繞組電阻0.488 Ω、三相繞組自感1.19 mH、電勢系數0.0482 Vs/rad、電氣時(shí)間常數2.44 ms、機械時(shí)間常數0.338 ms。

5.1 無(wú)刷直流電動(dòng)機的開(kāi)環(huán)試驗

分別測量6組數據，并記錄下轉速和與之對應的占空比，表1為一定占空比情況下電機所對應的轉速。從試驗現象可以看出，電機在空載或輕載條件下，系統能夠快速、穩定地達到設定轉速，調速范圍寬。其中，電機轉速在有位置傳感器條件下達到了100～2 850 r/min，整個(gè)系統能很好地實(shí)現電機的啟動(dòng)、轉動(dòng)、停止、反轉等功能。在反電動(dòng)勢過(guò)零檢測法中，電機由于受到感應電動(dòng)勢檢測困難的影響，啟動(dòng)速度在730 r/min以下時(shí)，會(huì )造成電機轉動(dòng)不連續或停止，但是在800 r/min以上時(shí)運行良好，與有位置傳感器在轉速上相比較，要比有位置傳感器更快。

一方面可能是試驗所用電機的霍爾信號安裝工藝與感應電動(dòng)勢之間存在差異，另一方面可能是電機自身電磁干擾、高頻PWM信號對位置反饋信號電路的干擾等影響了位置反饋的精度造成的。這更加證實(shí)了無(wú)位置傳感器應用在無(wú)刷直流電動(dòng)機上的優(yōu)越性。

5.2 無(wú)刷直流電動(dòng)機兩種方法的閉環(huán)試驗

圖6可視為二階系統，從啟動(dòng)到電機穩定運行共經(jīng)過(guò)3 000個(gè)速度采樣點(diǎn)，每一次速度調節需6.4 ms。電機啟動(dòng)時(shí)間為t=1 s，上升時(shí)間tr=3.03 s，峰值時(shí)間為tp=3.10 s，最大超調量Mp=8%，調整時(shí)間為ts=8.22 s，延遲時(shí)間為td=2.48 s，在調整時(shí)間內響應曲線(xiàn)的振蕩次數為3次。開(kāi)始的預定位時(shí)間為1 s，后突然換相，使得圖中0～4.5 s處振蕩頻繁且啟動(dòng)調整時(shí)間長(cháng)，屬于正?，F象。采用雙比例調節時(shí)，電機啟動(dòng)正常、系統超調量小、轉速精度較高。

圖7同樣可視為二階系統，每一次速度調節需要10 ms，經(jīng)過(guò)3000采樣點(diǎn)后可知電機橫軸單位1代表30 s，其中電機定位時(shí)間為1 s。電機啟動(dòng)時(shí)間為t=3 s，上升時(shí)間tr=2.11 s，峰值時(shí)間為tp=2.50 s，最大超調量Mp=5%，調整時(shí)間為ts=7.68 s，延遲時(shí)間為td=1.03 s，在調整時(shí)間內響應曲線(xiàn)的震蕩次數為4次。從圖中可以看出，采用PI調速系統時(shí)，電機啟動(dòng)平穩、系統超調量小、轉速精度高。

結語(yǔ)

專(zhuān)用電機控制芯片硬件結構簡(jiǎn)單、控制能力強、軟件實(shí)現方便、控制精度高、實(shí)時(shí)性強，能實(shí)現更為復雜的算法，升級空間較大，其高速的執行性能和豐富的內置資源很好地滿(mǎn)足了高性能無(wú)刷直流電動(dòng)機調速控制系統的設計要求。開(kāi)環(huán)環(huán)境下可以很迅速地達到速度要求，在閉環(huán)控制中啟動(dòng)、運行良好，反應速度快。

本文利用dsPCI30F6010實(shí)現了電動(dòng)機的全數字化控制，充分體現了系統控制和算法上的優(yōu)越性。