基于DSP和CPLD的無刷直流電機控制系統設計

魏平芬，王元奎

（1.海軍駐昆明705研究所軍代表室，云南 昆明 650118；2.中國船舶重工集團公司第705研究所昆明分部，云南 昆明 650118）

0 引 言

無刷直流電機（BLDCM）以其結構簡單、運行可靠、高效率、無勵磁損耗以及調速性能好等優點在航空航天、機器人、雷達等領域得到了廣泛應用[1～3]。近年來，水下無刷直流電機驅動系統領域的研究成為熱點[4～6]。而 BLDCM 具有非線性、多變量、強耦合等特點，很難建立其精確的數學模型，傳統控制系統設計軟件開發的控制算法有一定的局限性，往往達不到預期控制效果[7]。

無刷直流電機的性能直接影響水下航行器的任務執行能力，根據水下航行器的使用要求，給出了一種控制系統方案。該方案采用提前換向控制算法，使用高性能DSP芯片，同時引入了半定制專用芯片CPLD和高度集成的IPM模塊，滿足了電機控制系統不斷增加計算速度和邏輯處理實時性的要求，簡化了邏輯處理的復雜性。經樣機驗證，整個控制系統控制靈活、實用性強。

1 系統硬件結構

1.1 功率電路

系統功率電路結構見圖1。

圖1 系統功率電路結構

系統功率電路由濾波電路和逆變電路組成。前者采用高頻無感電力電容，吸收母線紋波，提高供給IPM的電壓品質；后者采用PM450CLA060，內置6單元高速、低導通壓降的IGBT功率管，由它構成向無刷電機供電的三相橋式主電路，而且模塊中集成了IGBT驅動電路、保護電路、檢測電路等，從而使功率模塊具有較高的可靠性，布局更加合理，無外部驅動線，抗干擾能力強。

1.2 全數字控制電路

數字控制模塊是整個系統的核心部分見圖2。由電機控制專用數字處理器（DSP）TMS320LF2407A和可編程邏輯器件（CPLD）EPM7128AETC100構成。具有豐富外設、超強數據計算能力、高度集成的DSP與編程簡單、超強邏輯處理能力以及I/O接口配置靈活的CPLD組合在一起，能有效提高電機控制的實時性、節省電路板空間、簡化硬件電路設計、改善控制電路的靈活性、提高電磁兼容性。U、V、W 電流檢測用于控制電機輸出轉矩和限制流過IPM的電流，防止由于過電流損壞功率模塊。IPM輸出的六路故障信號經CPLD合成為一路故障信號，直接送到DSP的功率驅動保護中斷輸入引腳，當產生故障時，中斷保護直接切斷6路PWM輸出，有效保護整個控制系統。驅動信號和位置信號經過CPLD后，能有效去除由于干擾而產生的毛刺，有效提高系統的抗干擾能力。通過CAN2.0B總線或I/O方式實現給定電機速度，同時通過CAN2.0B總線實時提供控制系統的運行狀態參數。

圖2 無刷直流電機控制系統

2 系統軟件結構

2.1 電機軟啟動

利用DSP實現電機的軟啟動，即PWM脈寬的逐漸展開，不但可以降低電機的啟動沖擊，而且可以控制電機的啟動電流，在電機啟動時不產生過流。當控制系統接收到啟動命令后，DSP首先執行軟啟動子程序，產生一系列脈寬逐漸增加的PWM波見圖3。

2.2 PWM控制策略

PWM產生機制采用上下橋前60o PWM后60o ON的斬波方式見圖4，該控制策略非常有利于橋臂上6只IGBT均衡發熱，能有效延長IPM的使用壽命。

圖3 逐漸展開的PWM信號

圖4 PWM波形

2.3 提前角和轉速計算

通過轉換為時間量值來實現提前角，而該時間量和轉速經過DSP的捕獲口間接完成，霍耳位置傳感器輸出的位置信號經CPLD處理后為60o的方波信號，有效提高了位置信號的精度。CPLD內部譯碼程序為：

SS=(SA+/SB+/SC)*(/SA+SB+/SC)* (/SA+/SB+SC)

捕獲口測得剛轉過60o電角度的時間為T，則提前θ角的時間為（/60Tθ×），提前角不能超過60o電角度，否則提前已經沒有意義。轉速的計算公式為：

式中：n——捕獲單元捕獲值；TSP——捕獲單元定時器輸入時鐘預定標系數；T——DSP控制器系統時鐘周期（s）；P——電機極對數。

2.4 軟件流程

整個控制系統軟件由主程序和中斷子程序組成，系統軟件流程見圖5。其中，圖5（a）為系統軟件的主程序流程。主程序用來完成系統的初始化、獲取控制命令、電機軟啟動、A/D電流采樣等。圖5（b）、5（c）為CAP1～CAP3捕獲中斷子程序和CAP4捕獲中斷子程序流程。CAP1～CAP3捕獲用于獲得換向時刻，并根據當前換向控制字進行換向。CAP4捕獲中斷則用于計算當前轉速及設定提前角所對應的時間。

圖5 系統軟件流程

3 試驗結果

試驗用無刷直流電機基本參數為：額定功率12kW、4對極、額定電壓118V、額定電流110A、額定轉速2400r/min。試驗波形見圖6。從圖6（a）可知，控制算法中加入提前換向角后，反電勢波形滯后位置信號波形，即換向點提前，這樣有利于改善逆變器輸出U、V、W三相的電流波形（見圖6（b）），已接近最佳狀態，使電機本身的損耗減小，提高電機的效率。而隨著提前角的變化（見圖6（c）），輸出電流波形也將發生改變。無提前角時，換向點稍微有點滯后，從而導致電流波形尖峰比較高，使效率有所降低；比如加12o提前角后，換向點提前，電流波形得到明顯改善，效率有所增加；再如增大提前角為25o，電流尖峰開始變大。需要說明的是，不同的電機本體，需要提前換向的角度不同；不同功率點，需要提前換向的角度也不同，具體提前角的大小，應根據試驗調整確定，依據是使電流波型平直和電機系統效率最大。

圖6 試驗波形

4 結 語

本方案設計的無刷直流電機控制系統，采用提前換向控制算法實現了無刷電機的高效率運行，電機系統效率高達 92%（PWM100%占空比下測定）。該控制系統簡化了硬件設備，運行可靠，獲得了滿意的試驗運行效果，該控制系統可用作為相關水下航行體（如蛙人輸送艇、電動力魚雷等）的無刷直流電機控制裝置。

[1] 徐 宇，傅惠南，劉 凱.基于TMS320F2812的無傳感器無刷直流電機控制器設計[J].機電工程技術，2013,42(6): 35-39.

[2] 宰文姣.無刷直流電動機驅動控制電路的設計和實現[J].微特電機，2013, 41(1): 54-56,62.

[3] 白 云，郭陽寬，祝連慶，等.基于DSP的無刷直流電機速度控制系統設計[J].制造業自動化，2013,35(1): 15-17.

[4] 王海軍，郭文生.水下航行器推進用永磁直流無刷電機全數字控制系統設計與實現[J].水雷戰與艦船防護，2012,20(3):11-15.

[5] 賀 磊，徐國華，劉亞平.水下機器人關節電機驅動系統研究[J].機電工程，2013,30(1): 77-80,89.

[6] 杜 軍，張林森，趙 軍.一種基于電壓脈沖注入的對轉無刷直流電機起動方法[J].魚雷技術，2013,21(2): 137-140.

[7] 呼明亮，邱建琪，史涔溦.基于dSPACE的無刷直流電機控制系統[J].微電機，2011,44(4): 60-63,94.