基于DSP控制的無刷直流電機(jī)的電動執(zhí)行器的設(shè)計

　　1 引 言

　　具有梯形反電動勢的永磁同步電動機(jī)通常被稱為無刷直流電動機(jī)，它具有體積小、重量輕、效率高、慣量小和響應(yīng)快等特點。無刷直流電動機(jī)采用電子換向器替代了傳統(tǒng)直流電動機(jī)的機(jī)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。由于無刷直流電動機(jī)既具備交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點，又具有直流電動機(jī)的運行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點，故其在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。

　　當(dāng)前國內(nèi)生產(chǎn)的電動執(zhí)行器多由模擬器件控制，精度差;保護(hù)措施使用繼電器和機(jī)械裝置，可靠性差;很多電動執(zhí)行器只能接收模擬信號(4～20mA、 1～5 V)，不能與計算機(jī)進(jìn)行通信;系統(tǒng)集成度低、維護(hù)困難。這就使得現(xiàn)有的電動執(zhí)行器不便于調(diào)試和維護(hù)，也不能根據(jù)生產(chǎn)的實際需要進(jìn)行參數(shù)的現(xiàn)場調(diào)整，不便于實現(xiàn)數(shù)字化的分布式控制。

　　嵌入了微控制器的智能電動執(zhí)行器是最新一代的產(chǎn)品。智能電動執(zhí)行器性能優(yōu)越，占據(jù)了相當(dāng)?shù)氖袌龇蓊~。這類電動執(zhí)行器具有可靠性高、使用方便、通信功能強(qiáng)、診斷保護(hù)功能完善、適應(yīng)性廣泛等優(yōu)點?？梢哉f，智能化已經(jīng)成為電動執(zhí)行器發(fā)展的趨勢。

　　TMS320F240是美國TI公司推出的高性能16位數(shù)字信號處理器(DSP)，是專門為電機(jī)的數(shù)字化控制而設(shè)計的。這種DSP包括一個定點DSP 內(nèi)核及一系列微控制器外圍電路，將數(shù)字信號處理的運算能力與面向電機(jī)的高效控制能力集于一體，可以實現(xiàn)用軟件取代模擬器件，方便地修改控制策略，修正控制參數(shù)，兼具故障檢測、自診斷和與上位機(jī)通信等功能。因此它強(qiáng)化了電動執(zhí)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(jī)控制的數(shù)字信號處理器，它不僅具有一般DSP高速處理數(shù)字信號的能力，還將各種電機(jī)控制所需要的外圍電路集于一體，能夠大大提高系統(tǒng)的可靠性。

　　TMS320F240的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。

　　TMS320F240的執(zhí)行速度很快，內(nèi)部采用了哈佛結(jié)構(gòu)，流水線作業(yè)，在20MHz的時鐘頻率下，指令周期僅為50 ns，且多數(shù)指令都能在一個指令周期內(nèi)完成。

　　事件管理器(EV)是該系統(tǒng)DSP芯片特有的專門用于電機(jī)控制用的模塊，主要由下面幾部分構(gòu)成：

　?、偻ㄓ枚〞r器TMS320F240一共有3個16bit的通用計數(shù)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模塊的時基信號。

　?、诒容^單元和PWM控制TMS320F240提供了多達(dá)9路比較/PWM輸出端。其中的6路PWM輸出由一個空間矢量模塊控制，并具有死區(qū)邏輯，不需程序過多的干預(yù)就能夠方便地產(chǎn)生用于三相全橋逆變器6個功率開關(guān)元件的PWM觸發(fā)信號，從而實現(xiàn)對三相交流感應(yīng)電機(jī)或無刷直流電機(jī)的控制。

　?、鄄东@單元(CAP)TMS320F240的捕獲單元可用于及時地捕捉無刷直流的電動機(jī)磁極位置信號的上升/下降沿，并通過查詢相關(guān)計數(shù)器的值來確定電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

　　④正交編碼器(QEP)TMS320F240的正交編碼器可以對與電機(jī)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(shù)，繼而判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置、轉(zhuǎn)動方向。

　　此外，事件管理器還包括串行通信接口(SCI)、串行外設(shè)接口(SPI)。

　　TMS320F240內(nèi)部有16通道兩路轉(zhuǎn)換精度為10位的AD變換器，轉(zhuǎn)換時間僅為6.6μs。在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成電流閉環(huán)時，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I/O口用于控制系統(tǒng)所需的各種開關(guān)量。

　　3 DSP在電動執(zhí)行器控制系統(tǒng)中具體應(yīng)用

　　3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

　　系統(tǒng)采用直流無刷電機(jī)作為電動執(zhí)行器的執(zhí)行部件，文中研究的智能電動執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)如圖3—1所示。驅(qū)動系統(tǒng)主要包括控制電路、主電路、電機(jī)等，不包括機(jī)械裝置。TMS320F240包含有一般的DSP芯片所沒有的雙10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、基于PWM控制的管理器(6個比較單元、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(qū)控制，可輸出非對稱PWM波形、對稱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不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一起，而且內(nèi)藏有過電壓、過電流和過熱等故障檢測電路，并可將檢測信號送CPU。即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)，也可保證IPM自身不受損壞。目前的IPM一般采用IGBT作為功率開關(guān)器件，并內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動電路的集成結(jié)構(gòu)。

　　3.2 系統(tǒng)控制

　　(1)軟啟動

　　軟啟動就是在BLDCM啟動過程中采取PWM方式控制逆變器的6個功率開關(guān)管，從而起到降低平均電壓，限制啟動電流的目的。

　　(2)換相邏輯

　　系統(tǒng)采用的控制方式為二相導(dǎo)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6個功率器件，即可實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。根據(jù)磁極位置傳感器的信號組合，有6種狀態(tài)，一一對應(yīng)于橋臂的開關(guān)組合，如從T1， T2→T2，T3→T4，T5→T5，T6→T6，T1→T1，T2，如此循環(huán)，反過來即可實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。

　　寬范圍調(diào)速是衡量調(diào)速系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)?？紤]到無刷直流電動機(jī)的特殊情況，有兩種改變電壓的方法。其一是每相導(dǎo)通的時間維持不變，改變每相導(dǎo)通時加在線圈上的電壓幅度大小來實現(xiàn)調(diào)速。這種通過調(diào)幅來實現(xiàn)調(diào)速的方法，其調(diào)速線性度好，但損耗大。為減少損耗，可采用直流電壓變換器供電，以實現(xiàn)調(diào)壓，但這又增加了線路成本。另一種方法是保持每相導(dǎo)通時加在電樞線圈上的電壓幅度大小不變，而改變每相導(dǎo)通時間的長短，實質(zhì)上就是改變了加在線圈上的平均電壓的大小，從而也能實現(xiàn)調(diào)速。該系統(tǒng)采用DSP控制IPM驅(qū)動直流無刷電動機(jī)，實現(xiàn)脈寬調(diào)制是非常容易的，因而該系統(tǒng)采用后一種方法。

　　(4)轉(zhuǎn)矩脈動

　　當(dāng)電機(jī)換相時，電機(jī)中性點電壓的變化使相電流會有很大的降落，從而形成很大的電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動。大的轉(zhuǎn)矩脈動容易使電機(jī)運動抖動，縮短電機(jī)的使用壽命，降低系統(tǒng)運行的可靠性。采用換相補(bǔ)償后，電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動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。在偏差較大的時候，采用能快速糾偏的非線性控制作為開始的粗定位。為了保證精度，在位置偏差進(jìn)入較小范圍內(nèi)的時候，控制器由非線性控制換成線性控制，從而保證了位置控制的快速性和精確性。

　　4 試驗結(jié)果

　　(1)系統(tǒng)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(diào)節(jié)PWM信號(PWM周期1 ms)的占空比的方式實現(xiàn)BLDCM開環(huán)調(diào)速，得到的數(shù)據(jù)見表4—1。

　　可見，對于轉(zhuǎn)速開環(huán)的PWM控制方式，占空比與轉(zhuǎn)速呈非線性關(guān)系。

　　(2)系統(tǒng)小行程實驗結(jié)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(zhuǎn)速值，得到的相應(yīng)曲線如圖4—1所示。

　　從位置響應(yīng)曲線分析，整個定位過程只用了約0.6 s，定位過程平穩(wěn)且沒有超調(diào)，定位靜差為5個脈沖。由于系統(tǒng)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個脈沖)內(nèi)都可滿足要求。從轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線分析，轉(zhuǎn)速在開始階段上升很快，中間有短暫的近似勻速運行的階段，定位后期轉(zhuǎn)速降落迅速。這樣的轉(zhuǎn)速曲線是很理想的。

　　5 結(jié)語

　　基于TMS320F240數(shù)字信號處理芯片、智能功率模塊IPM、無刷直流電動機(jī)的智能電動執(zhí)行器的驅(qū)動系統(tǒng)具有以下主要特點：控制電路簡單、軟件代替硬件、開發(fā)速度快、系統(tǒng)運行平穩(wěn)。