基于DSP的無(wú)刷直流電機控制器設計

　　隨著(zhù)社會(huì )生產(chǎn)力的發(fā)展，需要不斷地開(kāi)發(fā)各種新型電動(dòng)機。新技術(shù)新材料的不斷涌現，促進(jìn)了電動(dòng)機產(chǎn)品的不斷推陳出新。無(wú)刷直流電機保持著(zhù)有刷直流電機的優(yōu)良機械及控制特性，在電磁結構上和有刷直流電機一樣，但它的電樞繞組放在定子上，轉子上放置永久磁鋼。定子采用位置傳感器實(shí)現電子換相來(lái)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(chǎng)和轉子磁極主磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉矩。和有刷直流電機相比，無(wú)刷直流電機由于取消了電機的滑動(dòng)接觸機構，因而消除了故障的主要根源。轉子上沒(méi)有繞組，也就沒(méi)有了勵磁損耗，又由于主磁場(chǎng)是恒定的，因此鐵損也是極小的，因而進(jìn)一步增加了工作的可靠性。

　　1 無(wú)刷直流電機控制原理

　　無(wú)刷直流電機由電動(dòng)機主體和驅動(dòng)器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。

　　控制電路對轉子位置傳感器檢測的信號進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生脈寬調制PWM信號，經(jīng)過(guò)驅動(dòng)電路放大送至逆變器各功率開(kāi)關(guān)管，從而控制電動(dòng)機各相繞組按一定順序工作，在電機氣隙中產(chǎn)生跳躍式旋轉磁場(chǎng)。下面以?xún)上鄬ㄐ切稳嗔鶢顟B(tài)無(wú)刷直流電動(dòng)機為例來(lái)說(shuō)明其工作原理。無(wú)刷直流電機主回路原理圖如圖1所示。

　　當轉子稀土永磁體位于圖2(a)所示位置時(shí)，轉子位置傳感器輸出磁極位置信號，經(jīng)過(guò)控制電路邏輯變換后驅動(dòng)逆變器，使功率開(kāi)關(guān)管V1、V6導通。即繞組A、B通電，A進(jìn)B出。電樞繞組在空間的合成磁勢Fa如圖2(a)所示。此時(shí)定轉子磁場(chǎng)相互作用拖動(dòng)轉子順時(shí)針?lè )较蜣D動(dòng)。電流流通路徑為：電源正極→V1管→A相繞組→B相繞組→V6管→電源負極。當轉子轉過(guò)60°電角度，到達圖2(b)中位置時(shí)，位置傳感器輸出信號經(jīng)邏輯變換后使開(kāi)關(guān)管V6截止，V2導通，此時(shí)V1仍導通。則繞組A、C通電，A進(jìn)C出，電樞繞組在空間合成磁場(chǎng)如圖2(b)中Fa。此時(shí)定轉子磁場(chǎng)相互作用使轉子繼續沿順時(shí)針?lè )较蜣D動(dòng)。電流流通路徑為：電源正極→V1管→A相繞組→C相繞組→V2管→電源負極，依此類(lèi)推。當轉子繼續沿順時(shí)針每轉過(guò)60°電角度時(shí)，功率開(kāi)關(guān)管的導通邏輯為3V2→V3V4→V5V4→V5V6→V1V6→V1V2→V3V2→……，則轉子磁場(chǎng)始終受到定子合成磁場(chǎng)的作用并沿順時(shí)針?lè )较蜻B續轉動(dòng)。本設計中的無(wú)刷直流電機是一臺額定功率為1.5 kW，額定轉速為4 000 r/min的無(wú)刷直流電機，供電為270 V直流，根據電機本身特性進(jìn)行系統及各模塊設計。

　　2 系統構成

　　圖3為系統構成框圖。控制器采用高性能的數字信號處理器TMS320F2812作為控制核心，電流采樣及位置檢測采用了芯片內置模塊，實(shí)現了高度的集成化;以高精度霍爾傳感器作為系統位置反饋元件;以高精度檢測電阻作為電流反饋元件;構成數字化速度和電流雙閉環(huán)控制系統?？紤]到電機PWM驅動(dòng)信號的載波頻率比較高，功率模塊選擇了MOSFET開(kāi)關(guān)管。

　　由圖4可以看到這是一個(gè)典型的雙閉環(huán)調速系統，包括一個(gè)速度調節環(huán)和一個(gè)電流調節環(huán)。首先根據檢測到的轉子位置信號，計算得到電動(dòng)機的當前轉動(dòng)速度，然后與速度參考值比較得到速度偏差值，經(jīng)過(guò)一個(gè)PID控制器后得到相應的電流參考值。該電流參考值與實(shí)際的電動(dòng)機的電流反饋值進(jìn)行比較，偏差的值經(jīng)PID調節后將生成的PWM信號加到電動(dòng)機的功率驅動(dòng)主回路上。通過(guò)控制功率管的開(kāi)通順序和時(shí)間，可改變電動(dòng)機定子繞組中的電流大小和繞組的導通順序，從而實(shí)現對直流無(wú)刷電動(dòng)機轉速的控制。

　　3 系統各模塊實(shí)現

　　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(lái)實(shí)現的，將檢測電阻串聯(lián)接到直流母線(xiàn)中。電阻值的選擇考慮了當過(guò)流發(fā)生時(shí)能輸出的最大電壓。

　　每—個(gè)周期對電流采樣一次。本設計中PWM周期為50μs，則電流的采樣頻率為20 kHz。開(kāi)關(guān)管采用PWM控制，載波為三角波。在PWM周期的“開(kāi)”的瞬間，電流上升并不穩定也不易采樣。所以電流采樣時(shí)刻應該是在PWM周期的“開(kāi)”的中部，如圖5中的箭頭即為電流采樣肘刻。電流采樣通過(guò)DSP定時(shí)器采用連續增減計數方式的周期匹配事件啟動(dòng)ADC轉換來(lái)實(shí)現。

　　3.2 位置檢測和速度計算

　　無(wú)刷直流電機需要不斷地對三相無(wú)刷直流電動(dòng)機進(jìn)行換向。掌握好恰當的換相時(shí)刻可以減小轉矩的波動(dòng)。因此位置檢測是非常重要的。同時(shí)通過(guò)位置檢測信號計算出當前電機的速度數據。

　　位置信號是通過(guò)3個(gè)霍爾傳感器得到的。每一個(gè)霍爾傳感器都會(huì )產(chǎn)生180°脈寬的輸出信號，3個(gè)霍爾傳感器的輸出信號有120°相位差。通過(guò)將DSP設置為雙沿觸發(fā)捕捉中斷功能，就可以獲得這6個(gè)時(shí)刻。通過(guò)將DSP的捕捉口CAP1～CAP3設置為I/O口、并檢測該口的電平狀態(tài)，就可以知道每個(gè)霍爾傳感器的電平狀態(tài)從而得到當前轉子的位置。

　　利用位置信號來(lái)計算電機當前的轉速。電機每個(gè)機械轉有六次換相，也就是轉子轉過(guò)60°機械角就有一次換相。通過(guò)DSP的定時(shí)器測得兩次換相的時(shí)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 其他系統模塊的設計

　　本系統中電機的轉速設置有兩種方式，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內置的SCI模塊與上位機PC端進(jìn)行通訊，通訊方式采用RS485通訊總線(xiàn)。RS485總線(xiàn)采用差分傳輸，抗干擾能力強、傳輸距離遠。電流設置也采用DSP2812的A/D模塊采樣電位計分壓的方式。

　　4 軟件系統設計

　　TMS320F2812是由德州儀器公司生產(chǎn)的，指令處理速度高達150MIPS的數字信號處理器，專(zhuān)門(mén)為工業(yè)自動(dòng)化及自動(dòng)化控制等應用而設計。軟件系統采用結構化程序設計，在TI專(zhuān)用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS中由C語(yǔ)言編寫(xiě)完成。

　　軟件系統的設計主要包括兩部分：轉速計算程序和無(wú)刷電機的雙閉環(huán)控制程序。轉速計算程序主要實(shí)現速度參數計算和換相操作。轉子每轉過(guò)60°機械角都觸發(fā)一次捕捉中斷。當進(jìn)入捕捉中斷后，首先計算速度參數，然后將CAP管腳設置為I/O狀態(tài)。進(jìn)入I/O狀態(tài)后就可以讀出當前電機轉子的位置狀態(tài)。根據電機轉子的位置狀態(tài)進(jìn)行換相后恢復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(yíng)/D中斷子程序中實(shí)現。通過(guò)定時(shí)器周期匹配事件啟動(dòng)ADC轉換，轉換結束后進(jìn)入A/D中斷。進(jìn)入中斷后首先判斷是否進(jìn)行速度調節。如果需要調節，則將當前電機轉速參數值與電機轉速參考值進(jìn)行比較，兩者的差值經(jīng)過(guò)PID運算后得出電流參考值;如果不需要調節則保持之前的電流參考值不變。然后讀取A/D轉換值，將它與電流參考值進(jìn)行比較，兩者的差值經(jīng)過(guò)PID運算后得出PWM波的占空比。最后在根據調節結果改變占空比后恢復現場(chǎng)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(shí)驗結果

　　試驗樣機為稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機，轉子為一對極，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(huì )增加功率管的損耗;頻率低時(shí)，功率管損耗減小，但噪聲會(huì )增大。綜合考慮，本系統中PWM頻率選定為20 kHz。圖7為DSP輸出的對稱(chēng)PWM波。

　　實(shí)驗結果表明，無(wú)刷直流電機在1000～4000 r/min范圍內可以平穩調速，電機的啟動(dòng)時(shí)間以及最大啟動(dòng)電流均滿(mǎn)足系統設計的要求。

　　6 結論

　　文中是基于TMS320F2812DSP的無(wú)刷直流電機控制系統設計，充分利用DSP豐富的片內資源及高效的數據處理能力，可以大大簡(jiǎn)化系統硬件結構。文中所設計與實(shí)現的無(wú)刷直流電機控制系統應用轉速、電流雙閉環(huán)對電機實(shí)際系統進(jìn)行調節。對電流環(huán)和速度環(huán)使用PID調節，實(shí)現了具有超調量小、響應速度快特點(diǎn)的無(wú)刷直流電機雙閉環(huán)控制系統。