基于DSP的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)研究

　　基于DSP的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)研究敖銀輝（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510090）制接口形成單片DSP控制的電機(jī)系統(tǒng)。使用霍爾元件檢測轉(zhuǎn)子磁極位置，形成電子換相邏輯。通過數(shù)字PI速度和電流控制器控制電機(jī)速度。最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論。
　　無刷直流電動(dòng)機(jī)作為一種新型的無級(jí)變速電動(dòng)機(jī)，不僅具有交流電機(jī)的體積小、重量輕、慣量小等特點(diǎn)，而且擁有直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)良的調(diào)速性能，但又沒有機(jī)械換向器的缺點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。無論在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等制造加工領(lǐng)域，還是家用電器如洗衣機(jī)、電腦硬盤等場合都日益受到重視111.以往的無刷直流電機(jī)多由單片機(jī)附加許多種接口設(shè)備構(gòu)成。不僅復(fù)雜，而且速度也受到限制，難于實(shí)現(xiàn)從位置環(huán)到速度、電流環(huán)的全數(shù)字控制，也不方便擴(kuò)展。而應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）實(shí)現(xiàn)的電機(jī)伺服系統(tǒng)卻可以只用一片DSP就可以替代單片機(jī)和各種接口，且由于DSP芯片的快速運(yùn)算能力，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜、更智能化的算法12；可以通過高速網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)和擴(kuò)展；可以實(shí)現(xiàn)位置、速度和電流環(huán)的全數(shù)字化控制。
　　本文介紹使用TI公司的TMS320LF2407DSP為控制器，組成無刷直流電機(jī)的伺服控制系統(tǒng)。首先介紹了無刷直流電機(jī)的原理，然后給出了控制系統(tǒng)的框圖，說明軟硬件設(shè)計(jì)方法，最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)論。
　　1無刷直流電機(jī)的工作原理無刷直流電動(dòng)機(jī)的本體基本上是一個(gè)永磁同步電動(dòng)機(jī)，定子三相繞組通過交流方波，轉(zhuǎn)子為永磁體。勵(lì)磁由轉(zhuǎn)子的永磁體提供，定子的三相繞組中的交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。電樞磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢共同作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。仿照直流電機(jī)特性，如果兩個(gè)磁場始終垂直，則產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為****131.由于轉(zhuǎn)子是轉(zhuǎn)動(dòng)的，其磁場方向也是旋轉(zhuǎn)的，因此必須通過控制三相定子的通電順序來改變定子磁場使其與轉(zhuǎn)子磁場基本垂直（即轉(zhuǎn)矩角為90°）。實(shí)際上，定子換相邏輯使其轉(zhuǎn)矩角的平均值為90°。首先應(yīng)知道目前轉(zhuǎn)子的位置，再根據(jù)換相要求確定三相定子的通電順序，這也就是無刷直流電動(dòng)機(jī)需要轉(zhuǎn)子位置傳感器的原因。本實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)子磁極位置由敷貼在定子鐵心表面的霍爾元件來檢測。
　　電機(jī)采用Y型連接，三對(duì)橋式逆變電路驅(qū)動(dòng)（），工作在兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)方式。三個(gè)霍爾元件給出60°電角度位置信息，即它們互差120°脈沖寬度為180°。三個(gè)霍爾元件的組合在一個(gè)周期可給出6個(gè)狀態(tài)（另兩個(gè)狀態(tài)一般不出現(xiàn)），即每60°就變換一個(gè)不同的狀態(tài)。根據(jù)傳感器狀態(tài)信息，結(jié)合換相邏輯控制輸出連接到三相定子的PWM逆變器模塊的6個(gè)功率晶體管導(dǎo)通或截止，就可以滿足轉(zhuǎn)矩角要求，使轉(zhuǎn)子持續(xù)獲得穩(wěn)定電磁轉(zhuǎn)矩。由于任一時(shí)刻只有兩相導(dǎo)通，其電流大小相等，方向相反，因此可以認(rèn)為其效果等同于直流電流。整體上，定子電流為方波，只要按照轉(zhuǎn)子的磁極位置進(jìn)行適時(shí)的換相，就可以保持這種直流驅(qū)動(dòng)的特性，又因?yàn)閾Q向是通過電子電路或軟件而不是電刷完成，故稱其為無刷直流電動(dòng)機(jī)。
　　定子三相換相順序（正轉(zhuǎn)）與霍爾傳感器的邏輯輸出之間的關(guān)系可由表1得Zll逆變器與定子繞組接線2無刷直流電機(jī)實(shí)驗(yàn)控制表1傳感器信號(hào)與換相邏輯廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)系統(tǒng)構(gòu)成TI公司的TMS320LF2407是專門面向運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的數(shù)字信號(hào)處理器，其上包含了電機(jī)控制應(yīng)用所需要的各個(gè)主要功能模塊。它不僅有16bit定點(diǎn)處理器內(nèi)核，更重要的是它將許多電機(jī)控制常用的接口集成到一個(gè)DSP控制器上。如擁有兩個(gè)事件管理器，其中有定時(shí)器和PWM發(fā)生器能驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)，編碼器檢測電路能直接與電機(jī)的編碼器連接；標(biāo)準(zhǔn)的CAN現(xiàn)場總線可與外界高速通訊；同步與異步串行端口SPI和SCI可與多種標(biāo)準(zhǔn)串行設(shè)備通信；通用雙向I（）通道及AD轉(zhuǎn)換接口直接采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)；這些使得用DSP實(shí)現(xiàn)的電機(jī)控制系統(tǒng)簡單化、模塊化。系統(tǒng)硬件基本上包括一個(gè)以TMS320LF2407為處理核心的DSP板，一個(gè)配套的功率驅(qū)動(dòng)板和PM50電動(dòng)機(jī)。各部分主要功能為1）DSP板：這是實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的核心部分。本系統(tǒng)程序主要利用了DSP的如下功能塊：（1）SCI接口用于同主PC機(jī)通訊。
　　AD轉(zhuǎn)換接口用于測量電機(jī)的相電流、4. PWM發(fā)生器用于產(chǎn)生需要的PWM信號(hào)以驅(qū)動(dòng)功率模塊上的PWM逆變器。
　　1產(chǎn)生電流和速度控制的周期。
　　使用QEP單元和Timer2連接編碼器信號(hào)的輸出。編碼器安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子上，用于測量電機(jī)的位置，并經(jīng)過微分得到電機(jī)速度。
　　使用通用并聯(lián)GPIO接口獲得3個(gè)霍爾元件的狀態(tài)。
　　2）功率模塊功率模塊是連接DSP板和電動(dòng)機(jī)的仔間模塊。主要功能是接受DSP發(fā)出的PWM控制信號(hào)，采集電機(jī)的反饋信號(hào)，并送回給DSP的相關(guān)接口。因此其上主要有PWM逆變器（見）、電機(jī)電源接口、定子電流檢測、編碼器接口等。
　　定子電流檢測是通過在逆變器的下橋臂上串接電阻進(jìn)行的。將定子電流以0.益轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的爨后暴蹦艦此檢紐兩%C相電流可通過wwx =0求得。這種電流檢測方法比較簡單但要求軟件上必須保證在輸出PWM逆變器的命令時(shí)，同時(shí)檢測PWM逆變器下橋臂的電流，以保證電流檢測的正確性。
　　存儲(chǔ)在DSP中的程序協(xié)調(diào)各部分的功能。主程序采用循環(huán)方式不斷調(diào)用數(shù)據(jù)記錄模塊、與主機(jī)串行通訊的監(jiān)視模塊等。在主程序執(zhí)行過程中，不斷有T1中斷發(fā)生，在中斷服務(wù)程序中處理電流讀取、換算編碼器讀取、速度換算等。更重要的是要完成電流控制和速度控制環(huán)的計(jì)算。
　　是根據(jù)控制原理在程序中實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)運(yùn)行框圖。通過ADC04和ADC05端口讀入兩相電流后，結(jié)合由GPI0口獲得的霍爾元件所表示的轉(zhuǎn)子磁極位置信息，根據(jù)表1計(jì)算等效的直流電流流電機(jī)像直流電動(dòng)機(jī)一樣只需要一個(gè)電流調(diào)節(jié)器，而不是正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)那樣需要兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器。由軟件完成的電壓換相模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)施加于逆變器的相電壓值的計(jì)算。實(shí)際上DSP控制器接受三相電壓，由6個(gè)全比較PWM輸出逆變器模塊所需要的方波脈沖。在一個(gè)給定位置，只有兩相導(dǎo)通，只需控制逆變器的四個(gè)晶體管。由中可看出，系統(tǒng)存在兩個(gè)閉環(huán)，實(shí)際控制時(shí)，外環(huán)速度控制的周期為1ms，而內(nèi)環(huán)電流控制的周期為0.1ms.這是因?yàn)閮?nèi)環(huán)的電流變化速度快，較短的控制周期可使轉(zhuǎn)矩波動(dòng)減小。
　　3實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)裝置由永磁同步電機(jī)、功率模塊、DSP板、PC機(jī)組成。伺服電機(jī)帶500線的編碼器用于提供電機(jī)位置，本系統(tǒng)將其微分后得到速度信息。電機(jī)的基本參數(shù)為：相電阻：。25相電感：0.46mH，反電勢常數(shù)：2. min）額定電壓：19.1V，額定電流：1.16A，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量9X10―7kg.m2.是速度跟蹤效果，（a）是A相電流的波形，（b）是根據(jù)A、B相電流計(jì)算出的等效/q電流波形。
　　顯示了實(shí)際速度可以很好的跟蹤指令速度，而且在正反運(yùn)行中都表現(xiàn)出較小的跟蹤誤差。的電流波形說明DSP控制系統(tǒng)用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)了定子電流的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)控制4結(jié)論無刷直流電機(jī)的優(yōu)越性能使得它得到了廣泛應(yīng)用，而使用DSP實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)控制則不僅比傳統(tǒng)的模擬電路成本低，而且結(jié)構(gòu)簡單方便擴(kuò)展。DSP的快速運(yùn)算能力還可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的控制算法，可以將速度環(huán)和電流環(huán)都以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)，形成全數(shù)字形式的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。