DSP在三相無(wú)刷直流電機控制系統的應用

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[1]。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[2]。
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[4]。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)
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[5]。
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。[6]
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。