基于DSP的無刷直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)

永磁無刷直流電機(jī)(Brushless DC Motor，BLDCM)既具有同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，又有直流電機(jī)優(yōu)良的調(diào)速性能，在工業(yè)領(lǐng)域，尤其是調(diào)速和伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用，大大簡化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)性能，使無刷直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)更加突出。

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

1控制系統(tǒng)硬件框圖設(shè)計(jì)

由直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程可知：加速度與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩成正比，而轉(zhuǎn)矩又與電動(dòng)機(jī)的電流成正比，因此，要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高精度高動(dòng)態(tài)性能控制，就需要同時(shí)對(duì)電機(jī)的速度、電流及位置進(jìn)行檢測(cè)和控制。圖1是無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)框圖，在系統(tǒng)中設(shè)置了速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間實(shí)行串級(jí)連接，把速度調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制PWM裝置。

如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)控制單元可分為兩大部分：虛線框內(nèi)的功能由TMS320LF2407A DSP組成的最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，他包括DSP和片外存儲(chǔ)器，另一部分則為反饋信號(hào)采集部分。電流反饋信號(hào)由霍爾元件測(cè)得，通過F2407的A／D模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，轉(zhuǎn)子位置信號(hào)則用于產(chǎn)生正確的轉(zhuǎn)子換向，光電編碼器檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向及轉(zhuǎn)角并反饋回DSP系統(tǒng)，形成閉環(huán)控制。系統(tǒng)位置給定由上位機(jī)發(fā)出。三相交流輸入經(jīng)整流、穩(wěn)壓后為逆變電路提供直流電源，逆變電路的觸發(fā)信號(hào)由上位機(jī)提供，其目的是輸出占空比可調(diào)的PWM信號(hào)，通過調(diào)整PWM信號(hào)寬度以控制功率管的開、關(guān)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷電機(jī)的控制。

2控制策略

本系統(tǒng)通過三閉環(huán)(即位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán))結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的伺服控制。如圖2所示。

當(dāng)電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，給定的位置信號(hào)Ua與反饋位置信號(hào)Ub的偏差經(jīng)過(位置環(huán))PID調(diào)節(jié)得到速度的參考值Vg，控制器根據(jù)測(cè)出的反饋位置信息計(jì)算出當(dāng)前轉(zhuǎn)速ωs，Vg與ωs在DSP中進(jìn)行PI計(jì)算(速度環(huán))得到電流的給定電壓參考值Uig，電機(jī)繞組電流反饋信號(hào)經(jīng)過電流傳感器的檢測(cè)從A／D口送入DSP，經(jīng)轉(zhuǎn)換得到當(dāng)前主回路的電流反饋電壓值Uif將Uif與Uig進(jìn)行PI計(jì)算，得到的電流調(diào)節(jié)器的輸出去調(diào)節(jié)占空比，進(jìn)而控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)位置、轉(zhuǎn)速、電流或轉(zhuǎn)矩的控制。

在三閉環(huán)控制系統(tǒng)中，電流環(huán)和速度環(huán)均為內(nèi)環(huán)，位置環(huán)為外環(huán)。電流環(huán)的作用是提高系統(tǒng)的快速性，抑制電流環(huán)內(nèi)部干擾，限制最大電流保障系統(tǒng)安全運(yùn)行，電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器。速度環(huán)的作用是增加系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)的能力，抑制速度波動(dòng)，速度環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器。位置環(huán)的作用是保證系統(tǒng)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，即在開始跟蹤被控量時(shí)，先取消積分作用，使比例項(xiàng)迅速跟蹤偏差的變化，當(dāng)被控量接近新的設(shè)定值時(shí)再將積分作用加入。這樣既可以避免超調(diào)又可縮短達(dá)到穩(wěn)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(yīng)曲線和位置階躍式跟蹤結(jié)果。

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，位置環(huán)采用積分分離的PID控制器調(diào)節(jié)以后，控制效果有很大改善，動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線具有良好的跟蹤性能和較小的超調(diào)。

3系統(tǒng)控制方案的實(shí)現(xiàn)

在本系統(tǒng)控制方案中，以TMS320LF2407A微控制器為控制系統(tǒng)核心，以功率MOSFET管構(gòu)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6個(gè)功率器件。根據(jù)磁極位置傳感器的信息組合，有6種狀態(tài)，一一對(duì)應(yīng)于橋臂的開關(guān)組合：V1V6，V6V3，V3V2，V2V5，V5V4，V4V1，V1V6……這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對(duì)N-S極，V1～V6功率管即按固定組合成6種狀態(tài)依次導(dǎo)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)沿軸線轉(zhuǎn)動(dòng)電角度60°，如此循環(huán)，無刷直流電機(jī)將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動(dòng)負(fù)載作連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，反過來即可實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)。

3.1相電流的檢測(cè)

在該設(shè)計(jì)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(cè)傳感器。在本系統(tǒng)中，使用一個(gè)旁路電阻檢測(cè)各項(xiàng)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)功率變換電路的過電流保護(hù)作用。電阻上的壓降信號(hào)經(jīng)過放大以后，送到TMS320F240片上的某一路A／D轉(zhuǎn)換通道，經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換以后，得到合適的電流信號(hào)。在A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束以后，A／D轉(zhuǎn)換模塊向CPU發(fā)出一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，等待CPU對(duì)該電流信號(hào)的檢測(cè)。每隔50μs，DSP對(duì)相電流進(jìn)行采樣，從而實(shí)現(xiàn)了頻率為20 kHz的電流調(diào)節(jié)環(huán)。根據(jù)電流誤差，PID控制器在每個(gè)PWM周期開始時(shí)，對(duì)PWM脈沖的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.2磁極的位置檢測(cè)

采用DSP控制電機(jī)時(shí)，無需再設(shè)計(jì)專門的PWM調(diào)制電路，因此選用TMS320LF2407A DSP來實(shí)現(xiàn)三相無刷直流電機(jī)調(diào)速的控制和驅(qū)動(dòng)電路。本設(shè)計(jì)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(zhuǎn)子位置信號(hào)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。通過產(chǎn)生捕捉中斷來給出換相時(shí)刻，同時(shí)給出位置信息，實(shí)現(xiàn)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(hào)，每個(gè)輸出信號(hào)的上升沿和下降沿都被檢測(cè)到，從而產(chǎn)生6個(gè)強(qiáng)制換向信號(hào)，每2個(gè)換向信號(hào)之間相差60°。在本方案中，片內(nèi)通用定時(shí)器2用作捕獲單元的時(shí)基，定時(shí)器2設(shè)為連續(xù)計(jì)數(shù)模式，其周期寄存器(T2PER)被設(shè)定為0FFFEH，預(yù)定標(biāo)因子被設(shè)定為128；當(dāng)CPUCLK=20 MHz時(shí)，定時(shí)器的這種設(shè)置使得電動(dòng)機(jī)的最小可調(diào)整轉(zhuǎn)速為24 r／min。

3.3 速度檢測(cè)

根據(jù)位置傳感器的輸出信號(hào)，可以計(jì)算得到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間內(nèi)，霍爾器件共產(chǎn)生6個(gè)換向信號(hào)。在2個(gè)換向信號(hào)之間存在60°機(jī)械角度，當(dāng)前的轉(zhuǎn)速可通過下式計(jì)算得到：

n=△θ／△T

式中，θ為機(jī)械角度；T為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過θ所花費(fèi)的時(shí)間。

捕獲單元對(duì)每個(gè)霍爾器件輸出信號(hào)的兩個(gè)邊沿都進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)上升沿被捕獲到時(shí)，捕獲單元設(shè)置相應(yīng)的中斷標(biāo)志。在中斷服務(wù)子程序中，CPU首先判斷所檢測(cè)到的是上升沿還是下降沿，然后計(jì)算從上次邊沿被檢測(cè)到以來所經(jīng)過的時(shí)間T，根據(jù)該時(shí)間實(shí)現(xiàn)繞組電流的換向。由于霍爾傳感器相對(duì)于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子而言位置是固定的，2個(gè)換向信號(hào)之間的軸偏移是常數(shù)θ。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序主要是初始化DSP所需要用到的控制寄存器(包括設(shè)定系統(tǒng)時(shí)鐘、系統(tǒng)狀態(tài)寄存器等)、初始化I／O端口(包括設(shè)定LF2407A片內(nèi)多路復(fù)用的I／O口功能及其極性)、初始化中斷設(shè)置(確定系統(tǒng)所需要用到的中斷類別及中斷源)、檢測(cè)電機(jī)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(diào)節(jié)子程序、ADC轉(zhuǎn)換中斷子程序(位置調(diào)節(jié)子程序，速度調(diào)節(jié)子程序，電流調(diào)節(jié)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DSP檢測(cè)出給定位置信號(hào)和實(shí)際反饋位置信號(hào)的偏差e(k)，根據(jù)實(shí)際情況，認(rèn)為設(shè)定閾值ε>0；當(dāng)∣e(k)∣>ε時(shí)，采用PD控制，可避免產(chǎn)生較大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)；當(dāng)∣e(k)∣≤ε時(shí)，采用PID控制，保證系統(tǒng)的控制精度。

5結(jié)語

本文應(yīng)用TI公司的TMS320LF2407A DSP設(shè)計(jì)了一個(gè)基于位置、速度、電流三閉環(huán)結(jié)構(gòu)的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)，并對(duì)直流無刷電機(jī)的原理及其控制算法進(jìn)行了研究。經(jīng)分析，該系統(tǒng)不僅成本低，易于實(shí)現(xiàn)并且性能穩(wěn)定，方便擴(kuò)展，無論是對(duì)工程實(shí)踐還是對(duì)電機(jī)調(diào)速方面的研究都有重要意義.