基于DSP的無刷直流電機控制器設計

　　隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展，需要不斷地開發(fā)各種新型電動機。新技術新材料的不斷涌現(xiàn)，促進了電動機產(chǎn)品的不斷推陳出新。無刷直流電機保持著有刷直流電機的優(yōu)良機械及控制特性，在電磁結構上和有刷直流電機一樣，但它的電樞繞組放在定子上，轉子上放置永久磁鋼。定子采用位置傳感器實現(xiàn)電子換相來代替有刷直流電機的電刷和換向器，各相逐次通電產(chǎn)生電流，定子磁場和轉子磁極主磁場相互作用產(chǎn)生轉矩。和有刷直流電機相比，無刷直流電機由于取消了電機的滑動接觸機構，因而消除了故障的主要根源。轉子上沒有繞組，也就沒有了勵磁損耗，又由于主磁場是恒定的，因此鐵損也是極小的，因而進一步增加了工作的可靠性。

　　1 無刷直流電機控制原理

　　無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。

　　控制電路對轉子位置傳感器檢測的信號進行邏輯變換后產(chǎn)生脈寬調制PWM信號，經(jīng)過驅動電路放大送至逆變器各功率開關管，從而控制電動機各相繞組按一定順序工作，在電機氣隙中產(chǎn)生跳躍式旋轉磁場。下面以兩相導通星形三相六狀態(tài)無刷直流電動機為例來說明其工作原理。無刷直流電機主回路原理圖如圖1所示。

　　當轉子稀土永磁體位于圖2(a)所示位置時，轉子位置傳感器輸出磁極位置信號，經(jīng)過控制電路邏輯變換后驅動逆變器，使功率開關管V1、V6導通。即繞組A、B通電，A進B出。電樞繞組在空間的合成磁勢Fa如圖2(a)所示。此時定轉子磁場相互作用拖動轉子順時針方向轉動。電流流通路徑為：電源正極→V1管→A相繞組→B相繞組→V6管→電源負極。當轉子轉過60°電角度，到達圖2(b)中位置時，位置傳感器輸出信號經(jīng)邏輯變換后使開關管V6截止，V2導通，此時V1仍導通。則繞組A、C通電，A進C出，電樞繞組在空間合成磁場如圖2(b)中Fa。此時定轉子磁場相互作用使轉子繼續(xù)沿順時針方向轉動。電流流通路徑為：電源正極→V1管→A相繞組→C相繞組→V2管→電源負極，依此類推。當轉子繼續(xù)沿順時針每轉過60°電角度時，功率開關管的導通邏輯為3V2→V3V4→V5V4→V5V6→V1V6→V1V2→V3V2→……，則轉子磁場始終受到定子合成磁場的作用并沿順時針方向連續(xù)轉動。本設計中的無刷直流電機是一臺額定功率為1.5 kW，額定轉速為4 000 r/min的無刷直流電機，供電為270 V直流，根據(jù)電機本身特性進行系統(tǒng)及各模塊設計。

　　2 系統(tǒng)構成

　　圖3為系統(tǒng)構成框圖。控制器采用高性能的數(shù)字信號處理器TMS320F2812作為控制核心，電流采樣及位置檢測采用了芯片內置模塊，實現(xiàn)了高度的集成化;以高精度霍爾傳感器作為系統(tǒng)位置反饋元件;以高精度檢測電阻作為電流反饋元件;構成數(shù)字化速度和電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)?？紤]到電機PWM驅動信號的載波頻率比較高，功率模塊選擇了MOSFET開關管。

　　由圖4可以看到這是一個典型的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，包括一個速度調節(jié)環(huán)和一個電流調節(jié)環(huán)。首先根據(jù)檢測到的轉子位置信號，計算得到電動機的當前轉動速度，然后與速度參考值比較得到速度偏差值，經(jīng)過一個PID控制器后得到相應的電流參考值。該電流參考值與實際的電動機的電流反饋值進行比較，偏差的值經(jīng)PID調節(jié)后將生成的PWM信號加到電動機的功率驅動主回路上。通過控制功率管的開通順序和時間，可改變電動機定子繞組中的電流大小和繞組的導通順序，從而實現(xiàn)對直流無刷電動機轉速的控制。

　　3 系統(tǒng)各模塊實現(xiàn)

　　3.1 電流的檢測和計算

　　電流的檢測是采用精度較高的檢測電阻來實現(xiàn)的，將檢測電阻串聯(lián)接到直流母線中。電阻值的選擇考慮了當過流發(fā)生時能輸出的最大電壓。

　　每—個周期對電流采樣一次。本設計中PWM周期為50μs，則電流的采樣頻率為20 kHz。開關管采用PWM控制，載波為三角波。在PWM周期的“開”的瞬間，電流上升并不穩(wěn)定也不易采樣。所以電流采樣時刻應該是在PWM周期的“開”的中部，如圖5中的箭頭即為電流采樣肘刻。電流采樣通過DSP定時器采用連續(xù)增減計數(shù)方式的周期匹配事件啟動ADC轉換來實現(xiàn)。

　　3.2 位置檢測和速度計算

　　無刷直流電機需要不斷地對三相無刷直流電動機進行換向。掌握好恰當?shù)膿Q相時刻可以減小轉矩的波動。因此位置檢測是非常重要的。同時通過位置檢測信號計算出當前電機的速度數(shù)據(jù)。

　　位置信號是通過3個霍爾傳感器得到的。每一個霍爾傳感器都會產(chǎn)生180°脈寬的輸出信號，3個霍爾傳感器的輸出信號有120°相位差。通過將DSP設置為雙沿觸發(fā)捕捉中斷功能，就可以獲得這6個時刻。通過將DSP的捕捉口CAP1～CAP3設置為I/O口、并檢測該口的電平狀態(tài)，就可以知道每個霍爾傳感器的電平狀態(tài)從而得到當前轉子的位置。

　　利用位置信號來計算電機當前的轉速。電機每個機械轉有六次換相，也就是轉子轉過60°機械角就有一次換相。通過DSP的定時器測得兩次換相的時間間隔，就可以計算出兩次換相間隔期間的平均角速度。

　　3.3 其他系統(tǒng)模塊的設計

　　本系統(tǒng)中電機的轉速設置有兩種方式，一種是采用電位計分壓的方式，由于DSP2812的A/D模塊的電壓采樣范圍是0～3.3 V，所以電位計供電也為3.3 V。另外一種方法是采用DSP2812內置的SCI模塊與上位機PC端進行通訊，通訊方式采用RS485通訊總線。RS485總線采用差分傳輸，抗干擾能力強、傳輸距離遠。電流設置也采用DSP2812的A/D模塊采樣電位計分壓的方式。

　　4 軟件系統(tǒng)設計

　　TMS320F2812是由德州儀器公司生產(chǎn)的，指令處理速度高達150MIPS的數(shù)字信號處理器，專門為工業(yè)自動化及自動化控制等應用而設計。軟件系統(tǒng)采用結構化程序設計，在TI專用集成開發(fā)環(huán)境CCS中由C語言編寫完成。

　　軟件系統(tǒng)的設計主要包括兩部分：轉速計算程序和無刷電機的雙閉環(huán)控制程序。轉速計算程序主要實現(xiàn)速度參數(shù)計算和換相操作。轉子每轉過60°機械角都觸發(fā)一次捕捉中斷。當進入捕捉中斷后，首先計算速度參數(shù)，然后將CAP管腳設置為I/O狀態(tài)。進入I/O狀態(tài)后就可以讀出當前電機轉子的位置狀態(tài)。根據(jù)電機轉子的位置狀態(tài)進行換相后恢復CAP模塊的捕捉功能。捕捉中斷子程序框圖如圖6(a)所示。雙閉環(huán)控制程序在A/D中斷子程序中實現(xiàn)。通過定時器周期匹配事件啟動ADC轉換，轉換結束后進入A/D中斷。進入中斷后首先判斷是否進行速度調節(jié)。如果需要調節(jié)，則將當前電機轉速參數(shù)值與電機轉速參考值進行比較，兩者的差值經(jīng)過PID運算后得出電流參考值;如果不需要調節(jié)則保持之前的電流參考值不變。然后讀取A/D轉換值，將它與電流參考值進行比較，兩者的差值經(jīng)過PID運算后得出PWM波的占空比。最后在根據(jù)調節(jié)結果改變占空比后恢復現(xiàn)場退出A/D中斷子程序。A/D中斷子程序框圖如圖6(b)所示。

　　5 實驗結果

　　試驗樣機為稀土永磁無刷直流電動機，轉子為一對極，定子電樞繞組采用星形接法。PWM頻率的選取要考慮電機性能及功率管效率等方面。頻率越高，電機噪聲越小，但會增加功率管的損耗;頻率低時，功率管損耗減小，但噪聲會增大。綜合考慮，本系統(tǒng)中PWM頻率選定為20 kHz。圖7為DSP輸出的對稱PWM波。

　　實驗結果表明，無刷直流電機在1000～4000 r/min范圍內可以平穩(wěn)調速，電機的啟動時間以及最大啟動電流均滿足系統(tǒng)設計的要求。

　　6 結論

　　文中是基于TMS320F2812DSP的無刷直流電機控制系統(tǒng)設計，充分利用DSP豐富的片內資源及高效的數(shù)據(jù)處理能力，可以大大簡化系統(tǒng)硬件結構。文中所設計與實現(xiàn)的無刷直流電機控制系統(tǒng)應用轉速、電流雙閉環(huán)對電機實際系統(tǒng)進行調節(jié)。對電流環(huán)和速度環(huán)使用PID調節(jié)，實現(xiàn)了具有超調量小、響應速度快特點的無刷直流電機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。