基于DSP控制的無(wú)刷直流電機的電動(dòng)執行器的設計

　　1 引 言

　　具有梯形反電動(dòng)勢的永磁同步電動(dòng)機通常被稱(chēng)為無(wú)刷直流電動(dòng)機，它具有體積小、重量輕、效率高、慣量小和響應快等特點(diǎn)。無(wú)刷直流電動(dòng)機采用電子換向器替代了傳統直流電動(dòng)機的機械換向裝置，從而克服了電刷和換向器所引起的噪聲、火花、電磁干擾、壽命短等一系列弊病。由于無(wú)刷直流電動(dòng)機既具備交流電動(dòng)機的結構簡(jiǎn)單、運行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電動(dòng)機的運行效率高、無(wú)勵磁損耗以及調速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，故其在工業(yè)領(lǐng)域中的應用越來(lái)越廣泛。

　　當前國內生產(chǎn)的電動(dòng)執行器多由模擬器件控制，精度差;保護措施使用繼電器和機械裝置，可靠性差;很多電動(dòng)執行器只能接收模擬信號(4～20mA、 1～5 V)，不能與計算機進(jìn)行通信;系統集成度低、維護困難。這就使得現有的電動(dòng)執行器不便于調試和維護，也不能根據生產(chǎn)的實(shí)際需要進(jìn)行參數的現場(chǎng)調整，不便于實(shí)現數字化的分布式控制。

　　嵌入了微控制器的智能電動(dòng)執行器是最新一代的產(chǎn)品。智能電動(dòng)執行器性能優(yōu)越，占據了相當的市場(chǎng)份額。這類(lèi)電動(dòng)執行器具有可靠性高、使用方便、通信功能強、診斷保護功能完善、適應性廣泛等優(yōu)點(diǎn)?？梢哉f(shuō)，智能化已經(jīng)成為電動(dòng)執行器發(fā)展的趨勢。

　　TMS320F240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。因此它強化了電動(dòng)執行器的作用。

　　2 DSP的優(yōu)良特性

　　TMS320F240是一種廣泛適用于各種電機控制的數字信號處理器，它不僅具有一般DSP高速處理數字信號的能力，還將各種電機控制所需要的外圍電路集于一體，能夠大大提高系統的可靠性。

　　TMS320F240的系統結構如圖2-1所示。

　　TMS320F240的執行速度很快，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50 ns，且多數指令都能在一個(gè)指令周期內完成。

　　事件管理器(EV)是該系統DSP芯片特有的專(zhuān)門(mén)用于電機控制用的模塊，主要由下面幾部分構成：

　?、偻ㄓ枚〞r(shí)器TMS320F240一共有3個(gè)16bit的通用計數器(T1、T2、T3)，除了用于產(chǎn)生周期信號外，還作為正交脈沖編碼單元(QEP)、捕獲單元、PWM模塊的時(shí)基信號。

　?、诒容^單元和PWM控制TMS320F240提供了多達9路比較/PWM輸出端。其中的6路PWM輸出由一個(gè)空間矢量模塊控制，并具有死區邏輯，不需程序過(guò)多的干預就能夠方便地產(chǎn)生用于三相全橋逆變器6個(gè)功率開(kāi)關(guān)元件的PWM觸發(fā)信號，從而實(shí)現對三相交流感應電機或無(wú)刷直流電機的控制。

　?、鄄东@單元(CAP)TMS320F240的捕獲單元可用于及時(shí)地捕捉無(wú)刷直流的電動(dòng)機磁極位置信號的上升/下降沿，并通過(guò)查詢(xún)相關(guān)計數器的值來(lái)確定電機的轉速。

　?、苷痪幋a器(QEP)TMS320F240的正交編碼器可以對與電機同軸的光電編碼器、磁編碼器所產(chǎn)生的正交編碼信號進(jìn)行計數，繼而判斷電機的轉速、位置、轉動(dòng)方向。

　　此外，事件管理器還包括串行通信接口(SCI)、串行外設接口(SPI)。

　　TMS320F240內部有16通道兩路轉換精度為10位的AD變換器，轉換時(shí)間僅為6.6μs。在電機調速系統構成電流閉環(huán)時(shí)，反饋電流信號可以經(jīng)AD輸入CPU處理。除此之外，TMS320F240還提供28個(gè)I/O口用于控制系統所需的各種開(kāi)關(guān)量。

　　3 DSP在電動(dòng)執行器控制系統中具體應用

　　3.1 系統構成

　　系統采用直流無(wú)刷電機作為電動(dòng)執行器的執行部件，文中研究的智能電動(dòng)執行器的結構如圖3—1所示。驅動(dòng)系統主要包括控制電路、主電路、電機等，不包括機械裝置。TMS320F240包含有一般的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、9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。

　　圖中的IPM為智能功率模塊(Intelligent PowerModule)。IPM不僅把功率開(kāi)關(guān)器件和驅動(dòng)電路集成在一起，而且內藏有過(guò)電壓、過(guò)電流和過(guò)熱等故障檢測電路，并可將檢測信號送CPU。即使發(fā)生負載事故或使用不當，也可保證IPM自身不受損壞。目前的IPM一般采用IGBT作為功率開(kāi)關(guān)器件，并內藏電流傳感器及驅動(dòng)電路的集成結構。

　　3.2 系統控制

　　(1)軟啟動(dòng)

　　軟啟動(dòng)就是在BLDCM啟動(dòng)過(guò)程中采取PWM方式控制逆變器的6個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，從而起到降低平均電壓，限制啟動(dòng)電流的目的。

　　(2)換相邏輯

　　系統采用的控制方式為二相導通三相六狀態(tài)，主電路如圖3—2所示。功率器件的排列順序采用圖中所示的上橋臂1，3，5，下橋臂，4，6，2的順序。按照一定的邏輯關(guān)系打開(kāi)6個(gè)功率器件，即可實(shí)現電機的正反轉。根據磁極位置傳感器的信號組合，有6種狀態(tài)，一一對應于橋臂的開(kāi)關(guān)組合，如從T1， T2→T2，T3→T4，T5→T5，T6→T6，T1→T1，T2，如此循環(huán)，反過(guò)來(lái)即可實(shí)現反轉。

　　寬范圍調速是衡量調速系統性能的重要指標?？紤]到無(wú)刷直流電動(dòng)機的特殊情況，有兩種改變電壓的方法。其一是每相導通的時(shí)間維持不變，改變每相導通時(shí)加在線(xiàn)圈上的電壓幅度大小來(lái)實(shí)現調速。這種通過(guò)調幅來(lái)實(shí)現調速的方法，其調速線(xiàn)性度好，但損耗大。為減少損耗，可采用直流電壓變換器供電，以實(shí)現調壓，但這又增加了線(xiàn)路成本。另一種方法是保持每相導通時(shí)加在電樞線(xiàn)圈上的電壓幅度大小不變，而改變每相導通時(shí)間的長(cháng)短，實(shí)質(zhì)上就是改變了加在線(xiàn)圈上的平均電壓的大小，從而也能實(shí)現調速。該系統采用DSP控制IPM驅動(dòng)直流無(wú)刷電動(dòng)機，實(shí)現脈寬調制是非常容易的，因而該系統采用后一種方法。

　　(4)轉矩脈動(dòng)

　　當電機換相時(shí)，電機中性點(diǎn)電壓的變化使相電流會(huì )有很大的降落，從而形成很大的電機換相轉矩脈動(dòng)。大的轉矩脈動(dòng)容易使電機運動(dòng)抖動(dòng)，縮短電機的使用壽命，降低系統運行的可靠性。采用換相補償后，電機換相轉矩脈動(dòng)有了很大程度的降低。

　　3.3 軟件算法

　　圖3—3給出了其中的位置控制流程。在偏差較大的時(shí)候，采用能快速糾偏的非線(xiàn)性控制作為開(kāi)始的粗定位。為了保證精度，在位置偏差進(jìn)入較小范圍內的時(shí)候，控制器由非線(xiàn)性控制換成線(xiàn)性控制，從而保證了位置控制的快速性和精確性。

　　4 試驗結果

　　(1)系統使用的BLDCM特性，它的相電阻R=1.6Ω，相電感L=5.5 mH，在交流輸入電壓恒定為380V情況下，用調節PWM信號(PWM周期1 ms)的占空比的方式實(shí)現BLDCM開(kāi)環(huán)調速，得到的數據見(jiàn)表4—1。

　　可見(jiàn)，對于轉速開(kāi)環(huán)的PWM控制方式，占空比與轉速呈非線(xiàn)性關(guān)系。

　　(2)系統小行程實(shí)驗結果：

　　初始位置為0，位置給定值為240脈沖(5圈)，采集了15組位置、轉速值，得到的相應曲線(xiàn)如圖4—1所示。

　　從位置響應曲線(xiàn)分析，整個(gè)定位過(guò)程只用了約0.6 s，定位過(guò)程平穩且沒(méi)有超調，定位靜差為5個(gè)脈沖。由于系統靜差要求小于全行程的0.5%，而全行程約為200圈，即只要靜差在1圈(48個(gè)脈沖)內都可滿(mǎn)足要求。從轉速響應曲線(xiàn)分析，轉速在開(kāi)始階段上升很快，中間有短暫的近似勻速運行的階段，定位后期轉速降落迅速。這樣的轉速曲線(xiàn)是很理想的。

　　5 結語(yǔ)

　　基于TMS320F240數字信號處理芯片、智能功率模塊IPM、無(wú)刷直流電動(dòng)機的智能電動(dòng)執行器的驅動(dòng)系統具有以下主要特點(diǎn)：控制電路簡(jiǎn)單、軟件代替硬件、開(kāi)發(fā)速度快、系統運行平穩。