基于DSP ADMCF328無(wú)刷電動(dòng)機控制系統設計

　　0 引 言

　　眾所周知，直流電動(dòng)機調速性能好，但存在機械換向裝置易造成換向火花、電磁干擾及需要定期維護等不足；同步電動(dòng)機效率高，功率因數可調，但存在啟動(dòng)困難，重載時(shí)易振蕩失步等問(wèn)題。

　　隨著(zhù)電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)和新型永磁材料的不斷發(fā)展，為提出一種利用電子換向原理實(shí)現永磁無(wú)刷電動(dòng)機控制創(chuàng )造了條件。特別是近幾年推出的數字信號處理器(DSP)芯片，解決了原來(lái)微處理器結構復雜，單片微處理速度達不到實(shí)時(shí)系統控制的要求，為無(wú)刷電動(dòng)機的復雜算法提供了軟硬件基礎。

　　1 系統結構和工作原理

　　無(wú)刷電動(dòng)機屬于一種自控同步電動(dòng)機，它主要由DSP電機專(zhuān)用高速處理器芯片、轉子位置傳感器、邏輯驅動(dòng)電路、功率電子開(kāi)關(guān)、電流和電壓檢測等裝置組成。DSP控制的無(wú)刷電動(dòng)機系統結構如圖1所示。其中，無(wú)刷電動(dòng)機定子繞組為星形接法；DSP控制芯片ADMCF328驅動(dòng)專(zhuān)用集成芯片IR2130；逆變橋采用三相橋式電路；轉子位置檢測器利用霍爾元件檢測，并利用位置信號估算轉子的轉速，以實(shí)現轉速閉環(huán)控制。

　　無(wú)刷電動(dòng)機的轉子采用永磁體，產(chǎn)生直軸位置的勵磁磁場(chǎng)，定子為電樞繞組，通過(guò)功率控制器控制各相繞組的通斷狀態(tài)而產(chǎn)生旋轉磁場(chǎng)。設計無(wú)刷電動(dòng)機控制系統設計的關(guān)鍵是如果選擇轉子位置檢測器，當電動(dòng)機定子電樞系統直接由轉子轉速控制。當電動(dòng)機速度降低時(shí)，位置檢測器的輸出信號頻率也降低，電樞電流頻率及其旋轉磁場(chǎng)的速度也隨之降低，但若使電樞磁場(chǎng)與勵磁磁場(chǎng)的相對位置仍保持不變，則電動(dòng)機就不會(huì )失步。同時(shí)，由無(wú)刷電動(dòng)機調速特性可知，調節直流電壓Ud的大小，可以改變電動(dòng)機的轉速性能，這與有刷直流電動(dòng)機有相似的機械特性。

　　2 控制系統硬件設計

　　2．1 控制系統設計

　　電動(dòng)機控制系統采用速度外環(huán)和電流內環(huán)的雙閉環(huán)控制，兩個(gè)反饋環(huán)節的調節器都采用PID數字調節器，如圖2所示。計算電動(dòng)機轉子轉速的目的是為了實(shí)現轉速調節和計算出電樞電流的指令值。在直流母線(xiàn)上采集電流調節器的采樣信號，采樣信號與前端值比較計算后輸出給PWM同步調節器。電流調節器、速度調節器的計算除了調節器設定的PID參數KP，kI和kD外，還要設定PWM周期參數等。

　　2．2 DSP控制板

　　DSP控制板由ADI公司生產(chǎn)的專(zhuān)用DSP芯片ADMCF328、硬件控制與恢復電路等組成。ADM-CF、328芯片具有強大、快速的處理能力，主要完成控制算法的處理、PWM輸出、模／數轉換、與上位機通信和輸出顯示等功能。

　　該芯片只有28個(gè)外部引腳，縮小了控制板尺寸，提高了系統的可靠性，而且具有價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。芯片的內部集成了一個(gè)具有反向功能的5倍放大器，用于精確的電流采樣，實(shí)現電流的閉環(huán)控制。芯片與IR2130驅動(dòng)電路、轉子位置檢測器、鍵盤(pán)和計算機等外設備連接，可實(shí)現無(wú)刷電動(dòng)機的實(shí)時(shí)控制和運行監視。

　　2．3 轉子位置檢測器

　　轉子位置檢測器是無(wú)刷電動(dòng)機的重要組成部分，常用的轉子位置檢測器有電磁感應式、光電式、霍爾開(kāi)關(guān)式和接近開(kāi)關(guān)式。高性能的無(wú)刷電機位置檢測器、磁電碼盤(pán)和旋轉變壓器式，可根據實(shí)際控制系統的要求予以選擇。

　　該系統選用霍爾開(kāi)關(guān)式轉子位置檢測器，具有性?xún)r(jià)比高的特點(diǎn)。它的工作原理是：在霍爾元件的輸入端通入控制電流，當霍爾元件受到外磁場(chǎng)作用時(shí)，輸出端便有了信號輸出，根據霍爾元件的控制信號便可判斷轉子磁極的位置。同時(shí)利用定時(shí)器確定相鄰兩次霍爾位置狀態(tài)變化所需的時(shí)間，就可以估算出轉子的實(shí)際轉數和轉向。

　　3 控制系統軟件設計

　　控制系統軟件設計與上述硬件電路密切相關(guān)。軟件程序設計主要包括主程序和中斷服務(wù)子程序。主程序主要完成ADFVCF328的初始化、變量與常量參數的設置等。主程序實(shí)際上是進(jìn)入一個(gè)查詢(xún)過(guò)程，程序不斷查詢(xún)電壓狀態(tài)、電流狀態(tài)，更新標志并調入換相服務(wù)子程序，給電動(dòng)機相應的定子繞組通電。中斷服務(wù)子程序主要完成ADC轉換，測量電機定子電流、直流電壓、PID數字比較運算，確定PWM占空比、PMW周期中斷，計算及更新PWM寄存器的值。軟件程序設計還要考慮轉子位置傳感器、霍爾元件信號接口的初始化及功能設計、PID數字反饋系統的參數設定等。

　　由于ADMCF328芯片數字PIO口以串口多路復用，因此選擇引腳時(shí)要特別注意。圖3給出了無(wú)刷電動(dòng)機控制系統中部分主程序和中斷服務(wù)子程序的軟件程序框圖。

　　DSP芯片軟件編程一般分為兩部分：首先用匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言編寫(xiě)DSP程序編譯、匯編并鏈接成為可執行的DSP程序；然后利用代碼調試工具對生成的可執行的：DSP程序進(jìn)行系統調試。該控制系統可以根據軟件程序框圖編寫(xiě)DSP程序代碼清單。

　　4 結 語(yǔ)

　　利用數字信號處理器(DSP)電機專(zhuān)用高速芯片ADMCF328、轉子位置傳感器、專(zhuān)用集成芯片IR2130、功率電子開(kāi)關(guān)、電流和電壓檢測裝置等設計的無(wú)刷電動(dòng)機控制系統，具有效率高，功率因數可調，啟動(dòng)方便和重載時(shí)不失步等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)刷電動(dòng)機選用新型永磁材料和DSP電機專(zhuān)用高速處理器芯片，解決了原來(lái)微處理器結構復雜，單片微處理器速度達不到實(shí)時(shí)系統控制要求的不足。用Matlab/Simulink軟件對無(wú)刷電動(dòng)控制系統搭建了仿真模型。仿真輸出的轉矩、轉速和電流波形及數據證明，該控制系統速度調節性能好，擾動(dòng)作用下運行穩定，系統的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良。