基于DSP的無刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊東欣，趙磊，邱書明，呂秋貽，李保鋼

（天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所 天津 300180）

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

1 無刷直流電機(jī)控制原理

無刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。

控制電路對(duì)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生脈寬調(diào)制PWM信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路放大送至逆變器各功率開關(guān)管，從而控制電動(dòng)機(jī)各相繞組按一定順序工作，在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。下面以兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無刷直流電動(dòng)機(jī)為例來說明其工作原理。無刷直流電機(jī)主回路原理圖如圖1所示。

圖1 無刷直流電機(jī)主回路原理圖Fig.1 Main circuit schematic of the brushless DC motor

當(dāng)轉(zhuǎn)子稀土永磁體位于圖2（a）所示位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出磁極位置信號(hào)，經(jīng)過控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器，使功率開關(guān)管V1、V6導(dǎo)通，即繞組A、B通電，A進(jìn)B出。電樞繞組在空間的合成磁勢(shì)Fa如圖2（a）所示。此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用拖動(dòng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。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(fù)極。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60°電角度，到達(dá)圖2（b）中位置時(shí)，位置傳感器輸出信號(hào)經(jīng)邏輯變換后使開關(guān)管V6截止，V2導(dǎo)通，此時(shí)V1仍導(dǎo)通。則繞組A、C通電，A進(jìn)C出，電樞繞組在空間合成磁場(chǎng)如圖2（b）中Fa。此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用使轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。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(fù)極，依此類推。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時(shí)針每轉(zhuǎn)過60°電角度時(shí)，功率開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯為 V3V2→V3V4→V5V4→V5V6→V1V6→V1V2→V3V2→……，則轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)始終受到定子合成磁場(chǎng)的作用并沿順時(shí)針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)中的無刷直流電機(jī)是一臺(tái)額定功率為1.5 kW，額定轉(zhuǎn)速為4 000 r/min的無刷直流電機(jī)，供電為270 V直流，根據(jù)電機(jī)本身特性進(jìn)行系統(tǒng)及各模塊設(shè)計(jì)。

圖2 無刷直流電機(jī)工作原理示意圖Fig.2 Working principle diagram of the brushless DC motor

2 系統(tǒng)構(gòu)成

圖3為系統(tǒng)構(gòu)成框圖。控制器采用高性能的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812作為控制核心，電流采樣及位置檢測(cè)采用了芯片內(nèi)置模塊，實(shí)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(cè)電阻作為電流反饋元件；構(gòu)成數(shù)字化速度和電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。考慮到電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的載波頻率比較高，功率模塊選擇了MOSFET開關(guān)管。

圖3 系統(tǒng)構(gòu)成框圖Fig.3 System block diagram

由圖4可以看到這是一個(gè)典型的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，包括一個(gè)速度調(diào)節(jié)環(huán)和一個(gè)電流調(diào)節(jié)環(huán)。首先根據(jù)檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，計(jì)算得到電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)速度，然后與速度參考值比較得到速度偏差值，經(jīng)過一個(gè)PID控制器后得到相應(yīng)的電流參考值。該電流參考值與實(shí)際的電動(dòng)機(jī)的電流反饋值進(jìn)行比較，偏差的值經(jīng)PID調(diào)節(jié)后將生成的PWM信號(hào)加到電動(dòng)機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)主回路上。通過控制功率管的開通順序和時(shí)間，可改變電動(dòng)機(jī)定子繞組中的電流大小和繞組的導(dǎo)通順序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流無刷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

圖4 雙閉環(huán)系統(tǒng)控制圖Fig.4 Control chart of the dual closed-loop system

3 系統(tǒng)各模塊實(shí)現(xiàn)

3.1 電流的檢測(cè)和計(jì)算

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

每一個(gè)周期對(duì)電流采樣一次。本設(shè)計(jì)中PWM周期為50μs，則電流的采樣頻率為20 kHz。開關(guān)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(shí)刻應(yīng)該是在PWM周期的“開”的中部，如圖5中的箭頭即為電流采樣時(shí)刻。電流采樣通過DSP定時(shí)器采用連續(xù)增減計(jì)數(shù)方式的周期匹配事件啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)。

圖5 電流采樣時(shí)刻示意圖Fig.5 Current sampling time diagram

3.2 位置檢測(cè)和速度計(jì)算

無刷直流電機(jī)需要不斷地對(duì)三相無刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行換向。掌握好恰當(dāng)?shù)膿Q相時(shí)刻可以減小轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。因此位置檢測(cè)是非常重要的。同時(shí)通過位置檢測(cè)信號(hào)計(jì)算出當(dāng)前電機(jī)的速度數(shù)據(jù)。

位置信號(hào)是通過3個(gè)霍爾傳感器得到的。每一個(gè)霍爾傳感器都會(huì)產(chǎn)生180°脈寬的輸出信號(hào)，3個(gè)霍爾傳感器的輸出信號(hào)有120°相位差。通過將DSP設(shè)置為雙沿觸發(fā)捕捉中斷功能，就可以獲得這6個(gè)時(shí)刻。通過將DSP的捕捉口CAP1～CAP3設(shè)置為I/O口、并檢測(cè)該口的電平狀態(tài)，就可以知道每個(gè)霍爾傳感器的電平狀態(tài)從而得到當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置。

利用位置信號(hào)來計(jì)算電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速。電機(jī)每個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)有六次換相，也就是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60°機(jī)械角就有一次換相。通過DSP的定時(shí)器測(cè)得兩次換相的時(shí)間間隔，就可以計(jì)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(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)置有兩種方式，一種是采用電位計(jì)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(jì)供電也為3.3 V。另外一種方法是采用DSP2812內(nèi)置的SCI模塊與上位機(jī)PC端進(jìn)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(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)。電流設(shè)置也采用DSP2812的A/D模塊采樣電位計(jì)分壓的方式。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

TMS320F2812是由德州儀器公司生產(chǎn)的，指令處理速度高達(dá)150MIPS的數(shù)字信號(hào)處理器，專門為工業(yè)自動(dòng)化及自動(dòng)化控制等應(yīng)用而設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)主要包括兩部分：轉(zhuǎn)速計(jì)算程序和無刷電機(jī)的雙閉環(huán)控制程序。轉(zhuǎn)速計(jì)算程序主要實(shí)現(xiàn)速度參數(shù)計(jì)算和換相操作。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60°機(jī)械角都觸發(fā)一次捕捉中斷。當(dāng)進(jìn)入捕捉中斷后，首先計(jì)算速度參數(shù)，然后將CAP管腳設(shè)置為I/O狀態(tài)。進(jìn)入I/O狀態(tài)后就可以讀出當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置狀態(tài)。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置狀態(tài)進(jìn)行換相后恢復(fù)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(shí)現(xiàn)。通過定時(shí)器周期匹配事件啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后進(jìn)入A/D中斷。進(jìn)入中斷后首先判斷是否進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。如果需要調(diào)節(jié)，則將當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)值與電機(jī)轉(zhuǎn)速參考值進(jìn)行比較，兩者的差值經(jīng)過PID運(yùn)算后得出電流參考值；如果不需要調(diào)節(jié)則保持之前的電流參考值不變。然后讀取A/D轉(zhuǎn)換值，將它與電流參考值進(jìn)行比較，兩者的差值經(jīng)過PID運(yùn)算后得出PWM波的占空比。最后在根據(jù)調(diào)節(jié)結(jié)果改變占空比后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)退出A/D中斷子程序。A/D中斷子程序框圖如圖6（b）所示。

圖6 程序框圖Fig.6 The block diagram

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)樣機(jī)為稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子為一對(duì)極，定子電樞繞組采用星形接法。PWM頻率的選取要考慮電機(jī)性能及功率管效率等方面。頻率越高，電機(jī)噪聲越小，但會(huì)增加功率管的損耗；頻率低時(shí)，功率管損耗減小，但噪聲會(huì)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(duì)稱PWM波。

圖7DSP輸出的PWM波Fig.7 PWM wave of the DSP output

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無刷直流電機(jī)在1000～4000 r/min范圍內(nèi)可以平穩(wěn)調(diào)速，電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間以及最大啟動(dòng)電流均滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

6 結(jié) 論

文中是基于TMS320F2812DSP的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，充分利用DSP豐富的片內(nèi)資源及高效的數(shù)據(jù)處理能力，可以大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。文中所設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)對(duì)電機(jī)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)電流環(huán)和速度環(huán)使用PID調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了具有超調(diào)量小、響應(yīng)速度快特點(diǎn)的無刷直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。

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