基于DSP的無(wú)刷直流電機速度控制系統

永磁無(wú)刷直流電機(Brushless DC Motor，BLDCM)既具有同步電機的優(yōu)點(diǎn)，又有直流電機優(yōu)良的調速性能，在工業(yè)領(lǐng)域，尤其是調速和伺服系統中得到了廣泛的應用。高速數字信號處理器(DSP)在伺服系統中的應用，大大簡(jiǎn)化了控制系統結構，提高了系統性能，使無(wú)刷直流電機的優(yōu)點(diǎn)更加突出。

本文主要研究采用TI公司的TMS320LF2407A DSP作為控制器的無(wú)刷直流電機全數字化控制系統。

1控制系統硬件框圖設計

由直流電動(dòng)機的運動(dòng)方程可知：加速度與電動(dòng)機的轉矩成正比，而轉矩又與電動(dòng)機的電流成正比，因此，要實(shí)現電機的高精度高動(dòng)態(tài)性能控制，就需要同時(shí)對電機的速度、電流及位置進(jìn)行檢測和控制。圖1是無(wú)刷直流電機控制系統框圖，在系統中設置了速度調節器和電流調節器，分別調節電機的轉速和電流，兩者之間實(shí)行串級連接，把速度調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制PWM裝置。

如圖1所示，整個(gè)系統控制單元可分為兩大部分：虛線(xiàn)框內的功能由TMS320LF2407A DSP組成的最小系統實(shí)現，他包括DSP和片外存儲器，另一部分則為反饋信號采集部分。電流反饋信號由霍爾元件測得，通過(guò)F2407的A／D模塊轉化為數字量，轉子位置信號則用于產(chǎn)生正確的轉子換向，光電編碼器檢測電機的轉動(dòng)方向及轉角并反饋回DSP系統，形成閉環(huán)控制。系統位置給定由上位機發(fā)出。三相交流輸入經(jīng)整流、穩壓后為逆變電路提供直流電源，逆變電路的觸發(fā)信號由上位機提供，其目的是輸出占空比可調的PWM信號，通過(guò)調整PWM信號寬度以控制功率管的開(kāi)、關(guān)時(shí)間，從而實(shí)現對無(wú)刷電機的控制。

2控制策略

本系統通過(guò)三閉環(huán)(即位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán))結構實(shí)現電機的伺服控制。如圖2所示。

當電機處于運行狀態(tài)時(shí)，給定的位置信號Ua與反饋位置信號Ub的偏差經(jīng)過(guò)(位置環(huán))PID調節得到速度的參考值Vg，控制器根據測出的反饋位置信息計算出當前轉速ωs，Vg與ωs在DSP中進(jìn)行PI計算(速度環(huán))得到電流的給定電壓參考值Uig，電機繞組電流反饋信號經(jīng)過(guò)電流傳感器的檢測從A／D口送入DSP，經(jīng)轉換得到當前主回路的電流反饋電壓值Uif將Uif與Uig進(jìn)行PI計算，得到的電流調節器的輸出去調節占空比，進(jìn)而控制功率開(kāi)關(guān)管的導通與關(guān)斷，從而實(shí)現對無(wú)刷直流電動(dòng)機位置、轉速、電流或轉矩的控制。

在三閉環(huán)控制系統中，電流環(huán)和速度環(huán)均為內環(huán)，位置環(huán)為外環(huán)。電流環(huán)的作用是提高系統的快速性，抑制電流環(huán)內部干擾，限制最大電流保障系統安全運行，電流環(huán)采用PI調節器。速度環(huán)的作用是增加系統抗負載擾動(dòng)的能力，抑制速度波動(dòng)，速度環(huán)采用PI調節器。位置環(huán)的作用是保證系統靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)跟蹤的性能。位置環(huán)采用積分分離的PID控制，即在開(kāi)始跟蹤被控量時(shí)，先取消積分作用，使比例項迅速跟蹤偏差的變化，當被控量接近新的設定值時(shí)再將積分作用加入。這樣既可以避免超調又可縮短達到穩態(tài)的時(shí)間，起到了積分校正的作用。圖3為位置階躍響應曲線(xiàn)和位置階躍式跟蹤結果。

由試驗結果可以看出，位置環(huán)采用積分分離的PID控制器調節以后，控制效果有很大改善，動(dòng)態(tài)響應曲線(xiàn)具有良好的跟蹤性能和較小的超調。

3系統控制方案的實(shí)現

在本系統控制方案中，以TMS320LF2407A微控制器為控制系統核心，以功率MOSFET管構成逆變器，功率器件的排列順序采用上橋臂V1，V3，V5，下橋臂V2，V4，V6的順序，按照一定的邏輯關(guān)系打開(kāi)6個(gè)功率器件。根據磁極位置傳感器的信息組合，有6種狀態(tài)，一一對應于橋臂的開(kāi)關(guān)組合：V1V6，V6V3，V3V2，V2V5，V5V4，V4V1，V1V6……這樣轉子每轉過(guò)一對N-S極，V1～V6功率管即按固定組合成6種狀態(tài)依次導通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)沿軸線(xiàn)轉動(dòng)電角度60°，如此循環(huán)，無(wú)刷直流電機將產(chǎn)生連續轉矩，拖動(dòng)負載作連續轉動(dòng)，反過(guò)來(lái)即可實(shí)現反轉。

3.1相電流的檢測

在該設計方案中，功率電子主回路采用兩兩通電方式，在任意時(shí)刻，電流僅僅流人三相繞組中的兩相，因此從另一角度看，只需控制一個(gè)電流，亦即只需要一個(gè)相電流檢測傳感器。在本系統中，使用一個(gè)旁路電阻檢測各項的電流。該電阻位于三相全控功率變換電路的下端功率橋臂與地之間，同時(shí)起到一個(gè)功率變換電路的過(guò)電流保護作用。電阻上的壓降信號經(jīng)過(guò)放大以后，送到TMS320F240片上的某一路A／D轉換通道，經(jīng)過(guò)A／D轉換以后，得到合適的電流信號。在A(yíng)／D轉換結束以后，A／D轉換模塊向CPU發(fā)出一個(gè)中斷請求信號，等待CPU對該電流信號的檢測。每隔50μs，DSP對相電流進(jìn)行采樣，從而實(shí)現了頻率為20 kHz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。

3.2磁極的位置檢測

采用DSP控制電機時(shí)，無(wú)需再設計專(zhuān)門(mén)的PWM調制電路，因此選用TMS320LF2407A DSP來(lái)實(shí)現三相無(wú)刷直流電機調速的控制和驅動(dòng)電路。本設計方案中，使用了3個(gè)位置間隔120°分布的霍爾傳感器，由霍爾器件所輸出的轉子位置信號送到功率變換電路后，直接送至TMS320LF2407A的捕獲單元進(jìn)行處理，每個(gè)霍爾傳感器的輸出與捕獲單元的一個(gè)輸入引腳相連。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，實(shí)現定頻PWM和換相控制。3個(gè)霍爾傳感器輸出3個(gè)180°的交疊信號，每個(gè)輸出信號的上升沿和下降沿都被檢測到，從而產(chǎn)生6個(gè)強制換向信號，每2個(gè)換向信號之間相差60°。在本方案中，片內通用定時(shí)器2用作捕獲單元的時(shí)基，定時(shí)器2設為連續計數模式，其周期寄存器(T2PER)被設定為0FFFEH，預定標因子被設定為128；當CPUCLK=20 MHz時(shí)，定時(shí)器的這種設置使得電動(dòng)機的最小可調整轉速為24 r／min。

3.3 速度檢測

根據位置傳感器的輸出信號，可以計算得到電動(dòng)機的轉動(dòng)速度。轉子旋轉一周的時(shí)間內，霍爾器件共產(chǎn)生6個(gè)換向信號。在2個(gè)換向信號之間存在60°機械角度，當前的轉速可通過(guò)下式計算得到：

n=△θ／△T

式中，θ為機械角度；T為轉子轉過(guò)θ所花費的時(shí)間。

捕獲單元對每個(gè)霍爾器件輸出信號的兩個(gè)邊沿都進(jìn)行檢測，當上升沿被捕獲到時(shí)，捕獲單元設置相應的中斷標志。在中斷服務(wù)子程序中，CPU首先判斷所檢測到的是上升沿還是下降沿，然后計算從上次邊沿被檢測到以來(lái)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間T，根據該時(shí)間實(shí)現繞組電流的換向。由于霍爾傳感器相對于電動(dòng)機轉子而言位置是固定的，2個(gè)換向信號之間的軸偏移是常數θ。

4系統軟件設計

主程序主要是初始化DSP所需要用到的控制寄存器(包括設定系統時(shí)鐘、系統狀態(tài)寄存器等)、初始化I／O端口(包括設定LF2407A片內多路復用的I／O口功能及其極性)、初始化中斷設置(確定系統所需要用到的中斷類(lèi)別及中斷源)、檢測電機的初始位置以及初始化需用到的控制變量等。

中斷程序主要包括調節子程序、ADC轉換中斷子程序(位置調節子程序，速度調節子程序，電流調節子程序)，如圖4和圖5所示。

圖6為積分分離式PID控制算法流程圖，在位置環(huán)控制時(shí)采用此算法。通過(guò)DSP檢測出給定位置信號和實(shí)際反饋位置信號的偏差e(k)，根據實(shí)際情況，認為設定閾值ε>0；當∣e(k)∣>ε時(shí)，采用PD控制，可避免產(chǎn)生較大的超調，又使系統有較快的響應；當∣e(k)∣≤ε時(shí)，采用PID控制，保證系統的控制精度。

5結語(yǔ)

本文應用TI公司的TMS320LF2407A DSP設計了一個(gè)基于位置、速度、電流三閉環(huán)結構的直流無(wú)刷電機控制系統，并對直流無(wú)刷電機的原理及其控制算法進(jìn)行了研究。經(jīng)分析，該系統不僅成本低，易于實(shí)現并且性能穩定，方便擴展，無(wú)論是對工程實(shí)踐還是對電機調速方面的研究都有重要意義.