基于DSP的三相無(wú)刷直流電機系統

1 概述
　　
無(wú)刷直流電機是隨著(zhù)電力電子器件及新型材料發(fā)展而迅速成熟起來(lái)的一種新型機電一體化電機，它既具有交流電機的結構簡(jiǎn)單，運行可靠，維護方便等優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電機那樣良好的調速特性而無(wú)由于機械式換向器帶來(lái)的問(wèn)題，還具有運行轉速穩定、效率高、相對成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應用于各種調速驅動(dòng)場(chǎng)合。以往的無(wú)刷直流電機多由單片機附加許多種接口設備構成.不僅復雜，而且速度也受到限制,難于實(shí)現從位置環(huán)到速度、電流環(huán)的全數字控制，也不方便擴展。而應用數字信號處理器(DSP)實(shí)現的電機伺服系統卻可以只用一片DSP就可以替代單片機和各種接口, 擴展方便，可以實(shí)現位置、速度和電流環(huán)的全數字化控制。
　　
本文采用TI公司推出的240XDSP作為無(wú)刷直流電機全數字控制核心，組成的伺服系統只需要很少的系統元件。TMS320Ｆ240X是美國ＴI公司推出的高性能16位數字信號處理器(DSP)，是專(zhuān)門(mén)為電機的數字化控制而設計的。這種DSP包括一個(gè)定點(diǎn)DSP內核及一系列微控制器外圍電路，將數字信號處理的運算能力與面向電機的高效控制能力集于一體，可以實(shí)現用軟件取代模擬器件，方便地修改控制策略，修正控制參數，兼具故障檢測、自診斷和與上位機通信等功能。

　　
2 硬件介紹
　　
TMS320LF2407A的內核是TMS320C2XX(圖1)，內部采用了哈佛結構，流水線(xiàn)作業(yè)，在20MHz的時(shí)鐘頻率下，指令周期僅為50ns，且多數指令都能在一個(gè)指令周期內完成。其中央算術(shù)邏輯部分包括32位中央算術(shù)邏輯單元(CALU)，32位累加器，CALU的輸入/輸出數據定標移位器，16位×16位乘法器，乘積定標移位器，數據地址發(fā)生邏輯(包括8個(gè)輔助寄存器和1個(gè)輔助寄存器算術(shù)單元(ARAU)，程序地址發(fā)生邏輯。當處理器連續工作時(shí)，還能同時(shí)執行：a、經(jīng)由串行口的數據接收和發(fā)送；b、內部定時(shí)器減數；c、產(chǎn)生三相脈寬調制(PWM)波形；d、采集4個(gè)模擬信號；e、看門(mén)狗定時(shí)器減數。它還包含有其它系列的ＤＳＰ芯片所沒(méi)有的雙10位模數轉換器、基于ＰＷＭ控制的管理器(6個(gè)比較單元、12路ＰＷＭ輸出、2路光電編碼器接口的編碼單元)。其ＰＷＭ波形生成單元包含可編程死區控制，可輸出非對稱(chēng)ＰＷＭ波形、對稱(chēng)ＰＷＭ波形和空間矢量ＰＷＭ波形。LF2407是x240x系列DSP中唯一能夠擴展外部存儲器，也是其中控制功能最強、片上設施最完備的一個(gè)型號，廣泛的用于代碼開(kāi)發(fā)、系統仿真以及實(shí)際系統中。

圖1 TMS320Lx240x系列DSP控制器總體結構

　　
3 DSP控制流程
　　
圖2是用TMS320LF2407A實(shí)現三相無(wú)刷直流電動(dòng)機調速的控制和驅動(dòng)電路。本設計采用TMS320LF2407A微控制器為系統控制器核心，以功率MOSFET場(chǎng)效應管為功率變換元件，任意時(shí)刻電機只有兩相導通來(lái)控制換流元件，采用PWM方式來(lái)控制電機的轉矩和轉速。在這里，三個(gè)位置間隔120O分布的霍爾傳感器H1，H2，H3經(jīng)整形隔離電路后分別與TMS320LF2407A的三個(gè)捕捉引腳CAP1，CAP2，CAP3相連，通過(guò)產(chǎn)生捕捉中斷來(lái)給出換相時(shí)刻，同時(shí)給出位置信息。

圖2 用TMS320LF2407A實(shí)現三相無(wú)刷直流電動(dòng)機調速的控制和驅動(dòng)