基于TMS320F28335的直流無(wú)刷電機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用

張兵，楊浩

基于TMS320F28335的直流無(wú)刷電機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用

張兵1，楊浩2

（1.南陽(yáng)農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，河南 南陽(yáng) 473000；2.洛陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471000）

近年來(lái)直流無(wú)刷電機(jī)以質(zhì)量輕、調(diào)速范圍精確和故障率低等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于汽車、工業(yè)機(jī)器人和家用電器等領(lǐng)域，根據(jù)電機(jī)調(diào)速特性，可分為直接轉(zhuǎn)矩控制和脈寬調(diào)速控制，按照直流無(wú)刷電機(jī)導(dǎo)通形式可分為三三導(dǎo)通和兩兩導(dǎo)通，在閉環(huán)控制中，直流無(wú)刷電機(jī)控制方式有PID控制、抗擾控制、模糊控制和自適應(yīng)控制等多種形式。其中，電機(jī)高性能的精確控制需要電機(jī)本體、驅(qū)動(dòng)和控制器組成，常見的直流無(wú)刷電機(jī)控制芯片是由TI公司生產(chǎn)的TMS320F28335芯片，它具有專門的霍爾輸入模塊和電機(jī)換相、死區(qū)補(bǔ)償?shù)饶K，參考不同的應(yīng)用環(huán)境和要求，可選擇適合直流無(wú)刷電機(jī)特性的控制方式。

直流無(wú)刷電機(jī)；調(diào)速；PID；異步交流電機(jī)

1 引言

直流無(wú)刷電機(jī)簡(jiǎn)稱BLDCM，既具備異步交流電機(jī)運(yùn)行可靠、轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具備直流有刷電機(jī)體積小、運(yùn)行效率高、調(diào)速范圍廣和調(diào)速性能好等特點(diǎn)，它的出現(xiàn)彌補(bǔ)了常見電機(jī)摩擦大、壽命短和效率低等缺點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車、家用電器、智能家居及工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng) 域中[1]。

直流無(wú)刷電機(jī)的高性能控制是由控制策略和控制器決定，考慮電機(jī)具有非線性、強(qiáng)耦合等特性[2]，運(yùn)行過程中需要時(shí)刻進(jìn)行換相等操作，因此選擇由TI公司生產(chǎn)的TMS320F28335作為主控芯片，并設(shè)計(jì)直流無(wú)刷電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速過程具有響應(yīng)時(shí)間快、無(wú)超調(diào)和魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2 直流無(wú)刷電機(jī)工作原理

直流無(wú)刷電機(jī)主要由電機(jī)本體、霍爾位置傳感器、三相全橋逆變電路和直流電源組成[3]。其中，電機(jī)本體由定子鐵芯、電樞繞組和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，轉(zhuǎn)子為永磁體材料，一般具有成對(duì)的磁極，電機(jī)在運(yùn)行過程中，定子繞組通電產(chǎn)生交變磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁體進(jìn)行交鏈，產(chǎn)生力的作用，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，霍爾位置傳感器在電機(jī)運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)獲取轉(zhuǎn)子位置信息，控制芯片TMS320F28335根據(jù)邏輯換相表決定三項(xiàng)全橋逆變電路的換相，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)[4]。

3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由三項(xiàng)全橋逆變電路和霍爾信號(hào)處理電路組成，它的作用是根據(jù)霍爾位置傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理之后傳遞主控芯片TMS320F28335，控制器根據(jù)邏輯換相表實(shí)施換相操作，將兩路PWM信號(hào)輸入驅(qū)動(dòng)電路，控制橋臂中兩個(gè)MOS管導(dǎo)通。

圖1 直流電機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)行原理圖

設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)為2，三相定子繞組為Y形連接，控制電路中采用DSP F28335作為主控芯片，處理位置信息進(jìn)行換相操作，三項(xiàng)全橋逆變電路中三個(gè)橋臂上的MOS管兩兩導(dǎo)通[6]。

設(shè)在某一時(shí)刻，A、C兩相導(dǎo)通、B相不導(dǎo)通，此時(shí)橋臂上VT1、VT4導(dǎo)通，其余MOS關(guān)斷；此時(shí)電樞繞組電流從A相進(jìn)入，C相流出，B相無(wú)電流；第二個(gè)時(shí)刻，A、B兩導(dǎo)通，C相關(guān)斷，此時(shí)橋臂上VT1繼續(xù)保持導(dǎo)通，VT4關(guān)斷，VT6導(dǎo)通，電樞電流從A相進(jìn)入，B相流出，C相無(wú)電流通過；第三個(gè)時(shí)刻，A、C兩相導(dǎo)通，B相懸空，此時(shí)橋臂上VT4繼續(xù)保持導(dǎo)通狀態(tài)，VT6關(guān)斷，VT3導(dǎo)通；此時(shí)電流電流從B相進(jìn)入，C相流出，A相無(wú)電流通過；根據(jù)此換相順序，在一個(gè)電角度周期內(nèi)換相6次，每60°電角度換相一次，每個(gè)MOS管持續(xù)導(dǎo)通120°電角度，因此直流無(wú)刷電機(jī)的運(yùn)行被稱為三相六狀態(tài)運(yùn)行原理[7]。

4 TMS320F28335芯片介紹

TMS320F28335是美國(guó)TI公司生產(chǎn)的32位處理器控制核心，由176個(gè)引腳構(gòu)成，具有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理功能和特殊模塊，針對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)運(yùn)行具有交流換相、死區(qū)補(bǔ)償?shù)忍匦裕虼薚MS320F28335作為主控芯片控制直流無(wú)刷電機(jī)的運(yùn)行具有以下特點(diǎn)[8]：①支持58個(gè)外設(shè)中斷和中斷優(yōu)先級(jí)，響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求和內(nèi)部定時(shí)器等中斷執(zhí)行，可靈活設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)，避免直流無(wú)刷電機(jī)運(yùn)行過程中多種中斷相互干擾，程序執(zhí)行紊亂等狀態(tài)；②外設(shè)端口具有18路PWM輸出，包含專門針對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)換相操作的6路高分辨率脈寬調(diào)制模塊（HRPWM）、6路霍爾位置信號(hào)捕獲端口，用于測(cè)量電機(jī)正反轉(zhuǎn)的2通道正交調(diào)制模塊（QEP）；③控制時(shí)鐘系統(tǒng)具有看門狗、鎖相環(huán)電路和PLL調(diào)節(jié)模塊，3個(gè)32位的定時(shí)器可作為不同的功能使用，通用的定時(shí)器功能為定時(shí)器0和定時(shí)器1，用于直流無(wú)刷電測(cè)速系統(tǒng)，定時(shí)器2用于DSP/BIOS的片上實(shí)時(shí)系統(tǒng)，連接到中斷INTl4；④具有豐富的外部通信能力，3通道串行通信接口、2通道CAN總線模塊、1個(gè)I2C主從兼容的串行總線接口模塊，用于電機(jī)控制系統(tǒng)上位機(jī)通信或與其他設(shè)備信息交互，1個(gè)SPI模塊用于片內(nèi)寄存器數(shù)據(jù)傳遞；⑤A/D轉(zhuǎn)換器分辨率為12位，具有16路轉(zhuǎn)換通道和2個(gè)采樣保持器，實(shí)現(xiàn)自由選擇切換，轉(zhuǎn)換速度為80 ns，同時(shí)支持多通道轉(zhuǎn)換。

5 CCS開發(fā)環(huán)境介紹

使用TI公司TMS320F28335型號(hào)芯片過程中，程序的編寫需要在Code Composer Studio（簡(jiǎn)稱“CCS”）開發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)開發(fā)[5]。CCS是TI公司推出的專門針對(duì)開發(fā)DSP系列芯片的集成開發(fā)環(huán)境，具有程序編輯、下載、糾錯(cuò)和在線調(diào)試等功能，為直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和調(diào)試提供了有利條件，也是目前使用較為廣泛的DSP開發(fā)軟件之一[9]。

6 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

直流無(wú)刷電機(jī)雙閉環(huán)抗擾調(diào)速系統(tǒng)由電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)實(shí)行串級(jí)控制。外環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)、內(nèi)環(huán)電流環(huán)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的輸入，調(diào)節(jié)器均采用自抗擾控制器，電流內(nèi)環(huán)可以通過控制電流使電機(jī)在運(yùn)行中保持允許的最大轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速外環(huán)的設(shè)定可以穩(wěn)定轉(zhuǎn)速并且實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無(wú)靜差調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)跟隨給定轉(zhuǎn)速[10]。直流無(wú)刷電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如圖2所示，其功能主要包括定時(shí)器、霍爾信號(hào)捕獲CAP模塊、HPWM產(chǎn)生模塊、CAN總線、RS232串口通信等模塊和系統(tǒng)各個(gè)變量的初始化[12]。

圖2 直流無(wú)刷電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

設(shè)定轉(zhuǎn)速=64 r/min，觀測(cè)時(shí)間-轉(zhuǎn)速曲線如圖3所示。根據(jù)曲線可知直流無(wú)刷電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有響應(yīng)時(shí)間快、無(wú)超調(diào)和魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 直流無(wú)刷電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速效果

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TM33

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.01.068

2095－6835（2021）01－0167－02

張兵（1992—），男，碩士研究生，助教，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化與人工智能算法。楊浩（1991—），男，碩士研究生，助教，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化。

〔編輯：張思楠〕