基于DSP的三相無(wú)刷直流電機系統

　
從理論上來(lái)看，直流無(wú)刷電動(dòng)機的速度和轉矩控制主要依據如下的轉矩和反電動(dòng)勢工程計算方程
　　
其中，N為直流無(wú)刷電動(dòng)機定子每相線(xiàn)圈數， 為轉子的長(cháng)度，r為轉子的內徑，B為轉子的磁通密度， 為電動(dòng)機的角速度，i為相電流，L為相感抗， 為轉子的位置，R為相阻抗。
　　
從方程可以看到，反電動(dòng)勢與電動(dòng)機的轉速成比例，而轉矩與相電流也幾乎勢成比例的。根據這些特點(diǎn)，在方案中采用了圖3所示的控制策略。給定轉速與速度反饋形成偏差，經(jīng)速度調節后產(chǎn)生電流參考量，它與電流反饋量的偏差經(jīng)電流調節后形成PWM占空比的控制量，實(shí)現電動(dòng)機的速度控制。電流的反饋是通過(guò)檢測電阻上的壓降來(lái)實(shí)現的。速度反饋是通過(guò)霍爾傳感器輸出的位置量，經(jīng)過(guò)計算得到的。位置傳感器輸出的位置量還用于控制換相。

圖3 三相無(wú)刷直流電動(dòng)機的速度和電流控制

　
4 軟件控制
　　
系統采用PWM控制算法，電機輸入直流電流且每一時(shí)刻只有兩個(gè)功率管導通，從2407來(lái)的PWM控制信號直接連至驅動(dòng)器，驅動(dòng)器的輸出再連至功率MOSFET管的控制極。2407的CPU時(shí)鐘頻率是20MHz，PWM頻率是20kHz。
　　
4.1相電流檢測
　　
TMS320LF2407A接受到電阻上放大的壓降信號后，經(jīng)由A/D轉換后得到電流信號。在轉換結束時(shí)，A/D模塊向CPU發(fā)送一個(gè)中斷請求信號，等待CPU處理。每隔50us，DSP控制器對相電流進(jìn)行采樣，從而實(shí)現20kHz的電流調節環(huán)。根據電流誤差，PID控制器在每個(gè)PWM周期開(kāi)始時(shí)對PWM脈沖的占空比進(jìn)行調節。

4.2轉子位置和速度檢測
　　
掌握好恰當的換相時(shí)刻，可以減小轉矩的波動(dòng)。位置檢測不但用于換相控制，而且還用于產(chǎn)生速度控制量。
　　
位置信號是通過(guò)3個(gè)霍爾傳感器得到的。他們的輸出信號相差1200。每個(gè)機械轉有6次換相，通過(guò)將DSP設置為雙沿觸發(fā)捕捉中斷功能，可以獲得正確的換相時(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)，來(lái)的到具體的捕捉中斷。
　　
位置信號還可以用于產(chǎn)生速度控制量。只要測得兩次換相的時(shí)間間隔 ，就可以根據下式計算出兩次換相時(shí)間的平均角速度。
　　
兩次換相的時(shí)間間隔可以通過(guò)捕捉中斷發(fā)生時(shí)讀定時(shí)器2的T2CNT寄存器的值來(lái)獲得。
　　
4.3電流和速度調節
　　
相電流的調節可以通過(guò)調節載頻為20kHz的PWM信號的脈沖寬度來(lái)實(shí)現。
　　
Ierror=Iref － Imea
cyclenew=cycleold+IerrorK
　　
如果cyclenew>=Timer_period, 那么cyclenew=Timer_period
　　
如果cyclenew>Timer_period，那么cyclenew＝0
　　
其中Iref—用戶(hù)想要的參考電流；
　　
Imea——實(shí)際測得的相電流；

Ierror——要調節的相電流誤差；
　　
速度調節采用PI算法，以獲得最佳的動(dòng)態(tài)效果。計算公式如下：
　　
式中Iref－速度調節輸出；
ek －第k次速度偏差；
Kp －速度比例系數；
Ki －速度積分系數；
T －速度調節周期；
　　
試驗證明能產(chǎn)生很好的三相PWM控制波形。圖5為產(chǎn)生的PWM波形。

圖5 利用DSP控制三相無(wú)刷直流電動(dòng)機產(chǎn)生的PWM波形

　　
前面所敘述的系統初始化、位置信號檢測、PWM信號輸出等軟件模塊，可以實(shí)現一個(gè)基本的具有位置傳感器的三相直流無(wú)刷電動(dòng)機速度控制系統。然而為了建立一個(gè)更完善的系統，還需要增加一些功能模塊，如調節電動(dòng)機轉速的控制模塊、保存系統運行數據的數據記錄模塊等，TMS320LF2407與pc機之間采用的通訊是采用RS－485進(jìn)行半雙工的接口電路。由于pc機提供的是RS233接口，需要RS－32和RS－85間進(jìn)行接口轉換。
　　
5 結束語(yǔ)
　　
本文作者創(chuàng )新點(diǎn):將工業(yè)控制中普遍使用的PI算法在DSP上實(shí)現PWM波形輸出，由于單片機自身性能的限制，已難以滿(mǎn)足高速度，高精確的電機控制要求，而用DSP則很好的實(shí)現用于直流無(wú)刷電機控制的PWM波形輸出。