基于DSP的小功率無刷直流風(fēng)機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)研究

馬 寧 胡應(yīng)洪 王東林

（1.綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川綿陽621000；2.綿陽安普電器有限公司，四川綿陽621000）

0 引言

小功率無刷直流風(fēng)機(jī)，是指工作電壓在DC 5～48 V、輸入功率在0.5～144 W范圍內(nèi)，具有軟啟動(dòng)功能的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備。由于應(yīng)用場(chǎng)合的特殊性，其要求具備無電極換向火花、機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性線性度好、運(yùn)行可靠、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于IT、通信、光電產(chǎn)業(yè)、汽車電子、3D打印、工業(yè)機(jī)器人等工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備。本文研究的無刷直流風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)采用高性能的DSP芯片，采用具有位置、速度反饋的雙閉環(huán)控制方案，以滿足電機(jī)控制系統(tǒng)不斷增加的計(jì)算量和精度控制要求。

1 總體設(shè)計(jì)方案

以TI公司推出的專用DSP控制器TMS320LF2407A為核心，以Vishay Siliconix公司的SI9979無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片控制雙通道MOSFET橋，實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷直流風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)控制。由于驅(qū)動(dòng)電路采用24 V供電，相對(duì)于DSP的3.3 V電壓，容易導(dǎo)致信號(hào)擾動(dòng)，為了抑制系統(tǒng)噪聲，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，在控制信號(hào)與驅(qū)動(dòng)電路間設(shè)置了高速光電耦合隔離。HALL元件采集電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，構(gòu)成位置環(huán)反饋?zhàn)酉到y(tǒng)；編碼器采集電機(jī)轉(zhuǎn)速構(gòu)成速度環(huán)反饋?zhàn)酉到y(tǒng)。總體方案如圖1所示。

圖1 小功率無刷直流風(fēng)機(jī)總體設(shè)計(jì)框圖

1.1 位置環(huán)子系統(tǒng)

為了防止電機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中由于換相出現(xiàn)脈沖捕獲丟失而造成定位不精確，對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的校正。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周，定子完成一個(gè)換相周期，正常情況下兩次換相之間位置的變化應(yīng)該是定值，即位置反饋信號(hào)應(yīng)該是一個(gè)常量，如果兩次換相之間位置計(jì)數(shù)器增量不相同，將使得SI9979的INA、INB、INC輸入邏輯發(fā)生改變，從而改變加載到MOSFET橋的控制脈沖，以控制開關(guān)管的導(dǎo)通順序，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的位置控制。位置檢測(cè)通過安裝在電機(jī)定子側(cè)具有120°電角度的霍爾傳感器（HALL IC）實(shí)現(xiàn)，檢測(cè)到的位置脈沖信號(hào)被SI9979捕獲并進(jìn)行邏輯分析判斷，發(fā)出正確及時(shí)的換相命令。

1.2 速度環(huán)子系統(tǒng)

電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化通過脈沖編碼器轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)，送入DSP內(nèi)部的編碼器信號(hào)處理模塊，經(jīng)過預(yù)先設(shè)計(jì)的速度PI控制器的運(yùn)算，控制PWM信號(hào)占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)電流幅值的調(diào)節(jié)。速度環(huán)子系統(tǒng)由脈沖編碼器、信號(hào)處理電路、捕獲單元、速度給定及速度控制器組成。

2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變電路以SI9979為核心，通過光電隔離接收來自DSP處理器的控制信號(hào)，SI9979內(nèi)部集成了輸入邏輯電路、功率放大電路、電源分離懸浮電路、斬波電路及電流反饋信號(hào)處理電路，具有60°和120°角度選擇、PWM輸入接收、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向選擇、剎車控制及使能輸入，HALL元件檢測(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)接入INA、INB、INC輸入端，驅(qū)動(dòng)器輸出加載到Q1～Q6組成的Y型全橋電路，采用兩兩導(dǎo)通方式控制無刷直流電機(jī)，每一時(shí)刻只有兩只功率管導(dǎo)通，每隔60°電角度換相一次，每次換相一個(gè)功率管，每個(gè)功率管導(dǎo)通120°電角度，合成轉(zhuǎn)矩的大小始終保持不變。正轉(zhuǎn)導(dǎo)通順序?yàn)椋悍崔D(zhuǎn)順序?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

3 控制策略研究與實(shí)現(xiàn)

TMS320LF2407A提供了增量式光電編碼接口。以EVA為例，使用定時(shí)器2作為可逆計(jì)數(shù)器，編碼脈沖通過QEP1、QEP2接入到芯片內(nèi)部，當(dāng)QEP1的脈沖超前QEP2的脈沖90°時(shí)，定時(shí)器2增計(jì)數(shù)，反之作減計(jì)數(shù)，當(dāng)定時(shí)器2計(jì)數(shù)值與周期寄存器2的比較值（TC）相等時(shí)產(chǎn)生中斷。在中斷程序中，讀出計(jì)數(shù)值（m1），即可計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速為：

式中，pN為每轉(zhuǎn)位置脈沖數(shù)。

由于脈沖個(gè)數(shù)只能是整數(shù)，為了抑制無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，減小量化誤差，提高測(cè)量精度，加入速度PI調(diào)節(jié)。將轉(zhuǎn)速給定值n*與計(jì)算得到的實(shí)際轉(zhuǎn)速n的偏差實(shí)施PI調(diào)節(jié)，形成PWM波占空比控制量，實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度控制。

速度PI調(diào)節(jié)的數(shù)學(xué)模型為：

式中，nk為當(dāng)前控制量；ek、ek-1為當(dāng)前次、前次偏差；Kp、Ki、T為比例、積分、時(shí)間常數(shù)。

圖2 小功率風(fēng)機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

速度PI調(diào)節(jié)的輸出nk作為PWM的占空比設(shè)定值，控制DSP芯片輸出PWM波形，算法流程如圖3所示。

圖3 速度PI調(diào)節(jié)流程圖

TMS320LF2407A可以產(chǎn)生對(duì)稱、非對(duì)稱兩種PWM信號(hào)，非對(duì)稱PWM信號(hào)借助定時(shí)器的連續(xù)增計(jì)數(shù)模式，即只是單邊脈沖變化，這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)脈沖轉(zhuǎn)矩大、運(yùn)行不穩(wěn)定，而對(duì)稱PWM信號(hào)則是借助連續(xù)增減計(jì)數(shù)模式，所以采用對(duì)稱PWM信號(hào)。

TMS320LF2407A的PWM信號(hào)控制編程：

（1）初始化比較寄存器ACTRA、定時(shí)器2計(jì)數(shù)器；

（2）設(shè)置T2PR，確定PWM周期，初始化CMPR，確定占空比；

（3）設(shè)置死區(qū)寄存器DBTCONA；

（4）設(shè)置T2CON，設(shè)定計(jì)數(shù)模式，啟動(dòng)比較操作。

4 試驗(yàn)測(cè)試

風(fēng)機(jī)測(cè)試主要是測(cè)試其風(fēng)阻特性。測(cè)試過程方法：風(fēng)機(jī)工作電壓DC 24 V，當(dāng)流量為0時(shí)達(dá)到最大靜壓，緩慢降低靜壓，流量逐漸增加，一直到風(fēng)壓為0時(shí)達(dá)到最大流量，在最大風(fēng)壓及最大流量之間，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)根據(jù)風(fēng)壓而有所變化。

實(shí)際測(cè)試所得的反映風(fēng)機(jī)風(fēng)阻特性的靜壓—流量曲線如圖4所示。

5 結(jié)語

本文研究設(shè)計(jì)的小功率無刷直流風(fēng)機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)，采用符合JB/T 10562—2006《一般用途軸流通風(fēng)機(jī)技術(shù)條件》的變風(fēng)量雙室測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試其風(fēng)阻特性，測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)效果理想，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定控制。該研究成果已進(jìn)入產(chǎn)品化試生產(chǎn)階段。

圖4 靜壓—流量曲線