基于dsPIC30F3010的無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：針對電機(jī)應(yīng)用場合、體積縮小與節(jié)約成本等諸多問題，采用反電動勢過零點檢測方法，設(shè)計了基于dsPIC30F3010芯片的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)。分析了dsPIC30F3010外圍電路，逆變及其驅(qū)動電路。反電動勢檢測電路，電流采樣與過流保護(hù)電路，開發(fā)了主程序和中速事件處理程序，并給出了電機(jī)正常運行時端電壓的波形。實驗結(jié)果表明系統(tǒng)能夠控制電機(jī)順利起動，而且實現(xiàn)了電機(jī)正確的換相和正常運行，證明了系統(tǒng)設(shè)計的可行性。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；反電動勢(BEMF)；無位置傳感器；數(shù)字信號控制器

無刷直流電動機(jī)(BLDCM)是隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型電動機(jī)，具有可靠性高，易維護(hù)等一系列優(yōu)點，在家用電器和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。就其基本結(jié)構(gòu)而言，無刷直流電動機(jī)可以認(rèn)為是一個由電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置檢測電路以及電子開關(guān)電路三者共同組成的“電動系統(tǒng)”。
無刷直流電動機(jī)電子開關(guān)線路是用來控制電動機(jī)定子上各相繞組通電的順序和時間的，主要由功率邏輯開關(guān)單元和位置傳感器信號處理單元兩個部分組成。功率邏輯開關(guān)單元是控制電路的核心，其功能是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給無刷直流電動機(jī)定子上各相繞組，以便使電動機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。而各相繞組導(dǎo)通的順序和時間主要取決于來自轉(zhuǎn)子位置檢測電路的轉(zhuǎn)子位置信號。但轉(zhuǎn)子位置檢測電路所產(chǎn)生的信號一般不能直接用來控制功率邏輯開關(guān)單元，往往需要經(jīng)過一定邏輯處理(功率放大)后才能去控制邏輯開關(guān)單元。
無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制的難點在于轉(zhuǎn)子位置信號的檢測。國內(nèi)外研究人員提出了諸多方法，典型的方法有：反電動勢法、三次諧波檢測法、電感檢測法和擴(kuò)展卡爾曼濾波法等。三次諧波檢測法在高速時能夠準(zhǔn)確快速地估計轉(zhuǎn)子位置，但是當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速低于某個值時，檢測到的三次諧波嚴(yán)重畸變，不能準(zhǔn)確估計轉(zhuǎn)子的位置。電感檢測法需要對繞組電感進(jìn)行不斷的實時檢測，實現(xiàn)難度較大。擴(kuò)展卡爾曼濾波器法計算繁瑣，對微機(jī)性能要求較高，實現(xiàn)較麻煩。反電動勢過零點檢測法通過檢測各相反電動勢的過零點，延遲30°電角度，獲得相應(yīng)的換相時刻，該方法雖然存在低速時難以得到有效的轉(zhuǎn)子位置信號，由RC濾波電路引起的過零點相移等缺點，但該方法是目前技術(shù)最成熟，實現(xiàn)最簡單，應(yīng)用最廣泛的轉(zhuǎn)子位置檢測方法。
普遍采用的控制方案為基于DSP的控制和基于專用集成電路的控制等，受芯片功能、速度和結(jié)構(gòu)的限制，硬件設(shè)計中往往需要較多的外圍電路，導(dǎo)致裝置的整體集成度不高，硬件開發(fā)相對復(fù)雜。本文采用反電動勢過零點檢測方法，設(shè)計了基于dsPIC30F3010芯片的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)，將高性能16位單片機(jī)的控制特點和DSP高速運算的優(yōu)點相結(jié)合，為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計提供了合適的單芯片、單指令流的解決方案，其結(jié)構(gòu)簡單，運行性能良好。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
本無刷直流電動機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)的硬件以美國微芯公司(Microchip)生產(chǎn)的數(shù)字信號控制器dsPIC30F3010為核心控制器。dsPIC 30F3010具有6路10位A／D、專門針對電機(jī)設(shè)計的6路PWM模塊、5路16位定時器、24 kB Flash程序存儲器以及1 kB RAM。dsPIC30F系列器件采用功能強(qiáng)大的16位架構(gòu)，無縫集成了單片機(jī)(MCU)的控制功能和數(shù)字信號處理器的計算能力。因此是以高速、重復(fù)計算和控制為基礎(chǔ)的應(yīng)用的理想選擇。
1．1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計
系統(tǒng)硬件電路由主電路、驅(qū)動電路、過零點檢測電路、采樣電路、各種保護(hù)電路組成。dsPIC30F3010控制器首先通過反電動勢檢測法獲得轉(zhuǎn)子的位置信號，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置發(fā)出相應(yīng)的控制字來改變PWM信號的當(dāng)前值，從而改變直流電動機(jī)驅(qū)動電路中功率管的導(dǎo)通順序，實現(xiàn)對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。然后系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置和間隔時間測出電機(jī)轉(zhuǎn)速。將檢測到的各相的電流轉(zhuǎn)換成電壓信號降壓后輸入到DSC的A／D轉(zhuǎn)換器，其值與經(jīng)速度調(diào)節(jié)后產(chǎn)生的電流參考值比較，形成PWM占空比的控制量，來改變直流無刷電機(jī)電樞電流，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。控制系統(tǒng)中采用全橋PWM調(diào)節(jié)方式，通過改變PWM控制脈沖的占空比來調(diào)節(jié)輸入無刷直流電機(jī)的平均直流電壓，以達(dá)到調(diào)速的目的。整個系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

1．2 dsPIC30F3010外圍電路的設(shè)計
圖2為控制芯片dsPIC30F3010及其外圍電路圖。圖中上接的是復(fù)位電路，S1是復(fù)位按鈕，通過上拉電阻R2，這樣VPP／MCLR引腳可置低電平來復(fù)位PIC單片機(jī)；S2為啟停按鈕，控制電機(jī)啟停；SW1為調(diào)試／編程開關(guān)，閉合SW1即可切換到MPLAB ICD時鐘線和數(shù)據(jù)線進(jìn)行編程；HA，HB，HC為三相電壓反饋；VBUS、IMOTOR接口分別是電機(jī)母線電壓與電流的輸入接口；在電路上通過一個可調(diào)電阻串一個電阻到地的方式，作為給定轉(zhuǎn)速的設(shè)置。其中所串的小電阻，讓AD無法讀到0這么低的值，規(guī)避了給定轉(zhuǎn)速下限的問題。用RB3／AN3、RB4／AN4、RB5／AN5實現(xiàn)電機(jī)端電壓檢測，得到反電動勢過零點。PWM1L／YPWM1H、PWM2L／PWM2H、PWM3L／PWM3H分別是A、B、C三相逆變橋電路上、下橋臂開關(guān)信號接口，采用PWM模塊控制6個MOSFET通斷，實現(xiàn)換相。