dsPIC30F6010的直流無刷電機控制系統(tǒng)

摘要：基于dsPIC30F6010微處理器設(shè)計了無刷直流電動機有位置傳感器法和反電勢過零檢測法的調(diào)速系統(tǒng)。根據(jù)無刷直流電動機的特點和所用控制芯片的功能，分別提出了有位置傳感器法和無位置傳感器法的控制方案。從試驗測試結(jié)果來看，電機啟動穩(wěn)定快速、正常，運轉(zhuǎn)良好，具有較寬的調(diào)速范圍等，反電動勢過零檢測法補償圖形符合要求。

引言

無刷直流電動機作為機電一體化產(chǎn)品，既具備交流電動機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點，又具備有刷直流電機的運行效率高、元勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點。同時，它克服了有刷直流電機由于機械電刷和換向器的存在所帶來的噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等弊病，并且制造成本低，簡化了電機的維修，因此在工業(yè)上(特別是微特電機領(lǐng)域)，以及在小功率、高轉(zhuǎn)速的調(diào)速領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。

基于dsPIC30F6010微處理器的無刷直流電機控制系統(tǒng)，分析了永磁無刷直流電動機的工作原理，并建立數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)原理和模型制定出無刷直流電動機的調(diào)速系統(tǒng)方案，并仿真得到理論上的PI參數(shù)。根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)方案，在MPLAB系統(tǒng)開發(fā)平臺上運用匯編語言分別用電機自帶的位置傳感器和反電動勢過零檢測法兩種方法進(jìn)行編程、調(diào)試，實現(xiàn)無刷直流電動機的數(shù)字控制。

1 無刷直流電動機數(shù)學(xué)模型

式中：ua，ub，uc表示電機三相相電壓;ea，eb，ec表示電機各相反電勢;ia，ib，ic表示電機三相相電流;La，Lb，Lc表示電機三相繞組的自感;R、Lσ為每相繞組電阻和電感;ω為轉(zhuǎn)子電角速度;θ為轉(zhuǎn)子電角度;un為定子繞組中性點電壓;t為時間量。

由于每相繞組漏電感等效為常數(shù)，即dLσ/dt=0，所以可將式(1)～(3)整理成下式：

式中：Te為電機的電磁轉(zhuǎn)矩;ω為電機轉(zhuǎn)子的機械角速度，可以看出其轉(zhuǎn)矩方程與普通直流電機方程相似，轉(zhuǎn)矩隨著電流幅值的增大而增大。

給任意兩相無刷直流電動機通電，假設(shè)無轉(zhuǎn)矩脈動，相電流與之對應(yīng)的感應(yīng)電動勢平頂部分完全重合，則發(fā)現(xiàn)任意兩相相電流大小相等，方向相反，不通電相相電流為零，通過式(5)得出電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩，分別表示如下：

式中：TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;B為阻尼系數(shù);J為轉(zhuǎn)動慣量。

2 系統(tǒng)控制方案

由于受IGBT等器件的功率限制，PWM調(diào)速只能應(yīng)用在中、小功率情況下，電機為小功率電機，用PWM改變電樞端電壓進(jìn)行調(diào)速。

理想元刷直流電動機的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩公式如下：

其中：Np為通電導(dǎo)體數(shù);1為轉(zhuǎn)子鐵心長度;r為轉(zhuǎn)子半徑;is為定子電流。無刷直流電動機調(diào)速原理框圖如圖1所示。

2.1 有位置傳感器法

給定轉(zhuǎn)速與速度反饋量形成偏差，經(jīng)速度PI調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流參考值，與電流反饋值的偏差經(jīng)電流PI調(diào)節(jié)后形成PWM占空比的控制量，實現(xiàn)電動機的速度控制。

2.2 反電勢過零檢測法

三相無刷直流電動機每轉(zhuǎn)過60°需要換相一次，而轉(zhuǎn)過一周需要6個換相點。無刷直流電機在任意6個換相階段，只有兩相通電并且通電電流方向相反，第三相不通電，相電流為零。假設(shè)其為斷開相，則可列出方程：

3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

dsPIC30F6010為16位(數(shù)據(jù))改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，是一款專為電機控制應(yīng)用設(shè)計的80引腳的DSC，運算靈活，數(shù)據(jù)處理能力強(內(nèi)部有兩個40位的累加器)，指令集靈活并且支持小數(shù)運算。

3.1 有位置傳感器法硬件系統(tǒng)

有位置傳感器法無刷直流電動機硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

3.2 反電勢過零檢測法硬件系統(tǒng)

反電勢過零檢測法無刷直流電動機硬件系統(tǒng)框圖如圖3所示。

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

4.1 有位置傳感器程序總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

軟件設(shè)計主要采用MPLAB IDE 7.40作為開發(fā)環(huán)境。整個控制系統(tǒng)的軟件部分由主程序、A/D中斷服務(wù)子程序(其中包括速度調(diào)節(jié)子程序和電流調(diào)節(jié)子程序)、電平變化中斷子程序以及故障引腳子程序和中斷陷阱組成。

主程序主要完成控制器系統(tǒng)時鐘模塊的初始化(為計算兩相換相時間)、中斷的設(shè)置、電機的初始位置檢測，之后主程序進(jìn)入循環(huán)等待，直到觸發(fā)中斷跳入中斷子程序。主程序流程圖如圖4所示。

4.2 反電動勢過零檢測法程序總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

主循環(huán)程序框圖如圖5所示。

5 實驗研究

實驗所用電機為方波驅(qū)動的三相無刷直流電動機。電機內(nèi)置的霍爾位置傳感器采用SS41霍尼韋爾開關(guān)量位置傳感器。相關(guān)參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)速3000 rpm、額定轉(zhuǎn)矩0.22 N·m、轉(zhuǎn)矩系數(shù)0.0522Nm/A、額定電源電壓24 V、額定功率70 W、額定電流5.18 A、5對極、三相繞組電阻0.488 Ω、三相繞組自感1.19 mH、電勢系數(shù)0.0482 Vs/rad、電氣時間常數(shù)2.44 ms、機械時間常數(shù)0.338 ms。

5.1 無刷直流電動機的開環(huán)試驗

分別測量6組數(shù)據(jù)，并記錄下轉(zhuǎn)速和與之對應(yīng)的占空比，表1為一定占空比情況下電機所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。從試驗現(xiàn)象可以看出，電機在空載或輕載條件下，系統(tǒng)能夠快速、穩(wěn)定地達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，調(diào)速范圍寬。其中，電機轉(zhuǎn)速在有位置傳感器條件下達(dá)到了100～2 850 r/min，整個系統(tǒng)能很好地實現(xiàn)電機的啟動、轉(zhuǎn)動、停止、反轉(zhuǎn)等功能。在反電動勢過零檢測法中，電機由于受到感應(yīng)電動勢檢測困難的影響，啟動速度在730 r/min以下時，會造成電機轉(zhuǎn)動不連續(xù)或停止，但是在800 r/min以上時運行良好，與有位置傳感器在轉(zhuǎn)速上相比較，要比有位置傳感器更快。

一方面可能是試驗所用電機的霍爾信號安裝工藝與感應(yīng)電動勢之間存在差異，另一方面可能是電機自身電磁干擾、高頻PWM信號對位置反饋信號電路的干擾等影響了位置反饋的精度造成的。這更加證實了無位置傳感器應(yīng)用在無刷直流電動機上的優(yōu)越性。

5.2 無刷直流電動機兩種方法的閉環(huán)試驗

圖6可視為二階系統(tǒng)，從啟動到電機穩(wěn)定運行共經(jīng)過3 000個速度采樣點，每一次速度調(diào)節(jié)需6.4 ms。電機啟動時間為t=1 s，上升時間tr=3.03 s，峰值時間為tp=3.10 s，最大超調(diào)量Mp=8%，調(diào)整時間為ts=8.22 s，延遲時間為td=2.48 s，在調(diào)整時間內(nèi)響應(yīng)曲線的振蕩次數(shù)為3次。開始的預(yù)定位時間為1 s，后突然換相，使得圖中0～4.5 s處振蕩頻繁且啟動調(diào)整時間長，屬于正?，F(xiàn)象。采用雙比例調(diào)節(jié)時，電機啟動正常、系統(tǒng)超調(diào)量小、轉(zhuǎn)速精度較高。

圖7同樣可視為二階系統(tǒng)，每一次速度調(diào)節(jié)需要10 ms，經(jīng)過3000采樣點后可知電機橫軸單位1代表30 s，其中電機定位時間為1 s。電機啟動時間為t=3 s，上升時間tr=2.11 s，峰值時間為tp=2.50 s，最大超調(diào)量Mp=5%，調(diào)整時間為ts=7.68 s，延遲時間為td=1.03 s，在調(diào)整時間內(nèi)響應(yīng)曲線的震蕩次數(shù)為4次。從圖中可以看出，采用PI調(diào)速系統(tǒng)時，電機啟動平穩(wěn)、系統(tǒng)超調(diào)量小、轉(zhuǎn)速精度高。

結(jié)語

專用電機控制芯片硬件結(jié)構(gòu)簡單、控制能力強、軟件實現(xiàn)方便、控制精度高、實時性強，能實現(xiàn)更為復(fù)雜的算法，升級空間較大，其高速的執(zhí)行性能和豐富的內(nèi)置資源很好地滿足了高性能無刷直流電動機調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計要求。開環(huán)環(huán)境下可以很迅速地達(dá)到速度要求，在閉環(huán)控制中啟動、運行良好，反應(yīng)速度快。

本文利用dsPCI30F6010實現(xiàn)了電動機的全數(shù)字化控制，充分體現(xiàn)了系統(tǒng)控制和算法上的優(yōu)越性。