基于DSP的無刷直流電動機PWM控制系統(tǒng)

郭杰榮李方釗

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基于DSP的無刷直流電動機PWM控制系統(tǒng)

郭杰榮*1,2, 李方釗3

(1. 湖南文理學院 物理與電子科學學院, 湖南 常德, 415000; 2. 合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院, 安徽 合肥, 230009; 3. 湖南華南光電(集團)有限責任公司, 湖南 常德, 415000)

采用DSP技術(shù)及57BL-0730N1直流無刷電機實驗平臺, 設(shè)計開發(fā)了一套基于DSP的無刷直流電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)與閉環(huán)PWM控制系統(tǒng). 采用C語言進行算法編程, 給出了霍爾信號計算程序. 系統(tǒng)模塊較少, 結(jié)構(gòu)簡單, 在EL-DSPMCKIV平臺上進行了測試, 有效實現(xiàn)了開環(huán)與閉環(huán)的控制.

數(shù)字信號處理; 無刷直流電機; 脈寬調(diào)制

無刷直流電動機兼有直流電動機調(diào)整和起動性能好以及異步電動機結(jié)構(gòu)簡單無需維護的優(yōu)點, 因而在高可靠性的電機調(diào)速領(lǐng)域中獲得了廣泛應用. 基于永磁同步電動機(PMSM)和數(shù)字信號處理器(DSP)開發(fā)全數(shù)字式交流永磁伺服系統(tǒng), 實現(xiàn)高精密伺服系統(tǒng)是當前的技術(shù)難點[1]. 系統(tǒng)實現(xiàn)要考慮采用智能化功率模塊設(shè)計功率驅(qū)動, 在此基礎(chǔ)上, 在伺服控制器中實現(xiàn)先進控制策略, 提升和豐富伺服系統(tǒng)的應用性能和功能, 實現(xiàn)高性能和多功能的集成化伺服控制器.

本文根據(jù)實際需要, 研制了一套基于DSP的無刷直流電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng), 實現(xiàn)了對電動機運行的有效控制, 并在測速及調(diào)速環(huán)節(jié)的軟件設(shè)計方面提出了有效、實用的編制方法和技巧.

1 無刷直流電動機轉(zhuǎn)速控制原理及特點

無刷直流電動機從結(jié)構(gòu)上講更接近永磁同步電動機, 控制方法也很簡單, 主要是通過檢測轉(zhuǎn)子的位置傳感器給出的轉(zhuǎn)子磁極位置信號來確定勵磁的方向, 從而保證轉(zhuǎn)矩角在90°附近變化, 保證電機工作的高效率[2]. 定子換相是通過轉(zhuǎn)子位置信號來控制, 轉(zhuǎn)矩的大小則通過PWM的方法控制有效占空比來調(diào)控.

1.1 控制系統(tǒng)原理

文中所采用無刷直流電動機轉(zhuǎn)速控制原理如圖1 所示. 占空比信號經(jīng)由RMP2CNTL模塊處理, 變成緩變信號送到PWM產(chǎn)生模塊. 霍爾傳感器的輸出脈沖信號, 經(jīng)由DSP的CAP1、CAP2、CAP3端口被DSP獲取. 通過霍爾提供的轉(zhuǎn)子位置信息HALL3_DRV模塊判斷轉(zhuǎn)子位置, 并將該轉(zhuǎn)子位置信息通過計數(shù)器傳遞給BLDC_3PWM_DRV模塊, 該模塊通過占空比輸入、設(shè)定開關(guān)頻率以及轉(zhuǎn)子的位置信息產(chǎn)生相應的PWM信號作用于逆變器中的開關(guān)管, 從而驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)[3—6]. 硬件采用北京精儀達盛科技有限公司提供的57BL-0730N1直流無刷電機, 該電機額定轉(zhuǎn)速為3 000 rpm, 轉(zhuǎn)子極數(shù)為10, 也就是5極對, 這兩種電機的轉(zhuǎn)子位置都由霍爾傳感器提供, 同時可計算出電機的轉(zhuǎn)速.

圖1 系統(tǒng)功能框圖

1.2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計

對電機轉(zhuǎn)速進行精確控制, 首先需對它的轉(zhuǎn)速進行精確測量. 與一般的電動機調(diào)速系統(tǒng)相比, 無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速測量方面具有自身特點. 在一般的電機調(diào)速系統(tǒng)中, 通常在電動機的轉(zhuǎn)軸上安裝測速發(fā)電機或光電碼盤等裝置, 進行精確測速. 而對于無刷直流電動機, 則可以利用固定于電機端蓋上的轉(zhuǎn)子位置傳感器所產(chǎn)生的脈沖信號來反映它的轉(zhuǎn)速, 即轉(zhuǎn)子位置傳感器不光用來進行電子換向, 也可用于轉(zhuǎn)速測量. 這樣, 可以省去光電碼盤之類的測速裝置, 而且, 如果軟件測速環(huán)節(jié)設(shè)計得當, 也可達到較高的測量精度[7].

本文PWM控制系統(tǒng), 結(jié)構(gòu)簡單, 用到的模塊也較少. 表1給出每個模塊的輸入與輸出量名稱及其量值格式.

表1 PWM控制系統(tǒng)各模塊說明

1.2.1 霍爾信號計算程序

霍爾信號CAP1、CAP2、CAP3連接到DSP的捕獲單元CAP1、CAP2、CAP3, 計數(shù)使用通用定時器1, 定時器1的時鐘頻率為系統(tǒng)時鐘頻率40 MHz, 計數(shù)周期為2 000, 所以每個計數(shù)值代表的時間為25 ns × 2 000 = 50 μs, 這樣電機轉(zhuǎn)動一圈所花的時間為:= speed_time × 50 μs speed_time是計數(shù)單元, 每一個機械周期清零1次.

那么速度計算公式為:

Speed = 1 000 000/(s-1) = 60*1 000 000/(rpm) = 1 200 000/speed_time (rpm) (注意到speed_time的轉(zhuǎn)換)

考慮DSP除法要求被除數(shù)和除數(shù)都是16位的數(shù), 所以對公式進行一些變換, 將速度轉(zhuǎn)換為6 000 rpm PU值的Q15格式:

Speed = 1200000/speed_time

Speed = 1200000/speed_time/6000*7fff Q15格式

= 7fff/ speed_time*200

這樣就能用DSP的subc指令對07fffh/ speed_time做除法. Speed的值就是速度對于6 000 rpm PU值的Q15格式的數(shù)據(jù).

電機實際轉(zhuǎn)速speedrpm的計算公式如下:

Speedrpm = speed × 6000/7fffh=speed × 12000/0ffffh

也就是將speed與12000的乘積取高16位即可.

1.2.2 控制系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)分為開環(huán)和閉環(huán)2個部分, 通過幾個模塊信號處理最終用BLDCPWM模塊產(chǎn)生IPM驅(qū)動信號來控制直流無刷電機轉(zhuǎn)動. 系統(tǒng)軟件流程如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)軟件流程

2 實驗測試

系統(tǒng)測試采用CCS3.3版本的DSP仿真開發(fā)平臺. 硬件采用北京精儀達盛科技有限公司提供的EL-DSPMCKIV平臺.

圖3 正轉(zhuǎn)時最佳換向表下的波形圖

如圖3所示, Channel1是檢測到的轉(zhuǎn)子換相計數(shù)器, 從0到5之間變化, Channel2表示的是轉(zhuǎn)子換相對應的霍爾狀態(tài), Channel3是檢測到了換相的信號標志, Channel4表示的也是換相標志. 記錄下此時的變量, 這是轉(zhuǎn)子在啟動之初的霍爾位置, 再記錄下電機當前的轉(zhuǎn)速, 再記錄下HallMapPointer變量中hall1. Hall Map[0]～hall1.HallMap[5]這個數(shù)組的6個值, 這就是換相表.

圖4 最佳換相表下開環(huán)啟動并換向測試波形圖

從圖4圖形顯示窗口“Cha- nnel1 &2”中仔細觀察對應與換相計數(shù)器的霍爾狀態(tài)表, 可以看出是圖3檢測到的最佳換相表, 圖形顯示窗口“Channel3&4”顯示的是電機的轉(zhuǎn)速speed1.Speed rpm, 單位為轉(zhuǎn)每分和hall1. CmtnTrigHall, 表示的是霍爾換相觸發(fā)信號. 注意此時mod1. Counter是從5到0變化的, 所以看到的換相順序有所不同.

3 結(jié)束語

本文采用的北京精儀達盛科技有限公司EL-DSPMCKIV 電機控制實驗開發(fā)套件, 包括驅(qū)動器、DSP板卡、電動機組配套組合形式使用, 并與TI公司的TMS320F2812DSP板卡連接使用, 可以方便地進行電機PWM調(diào)試費, 效果明顯, 調(diào)試方便. 對于伺服系統(tǒng)的精度方面是下一步工作的重點.

[1] 余第喜. DSP永磁同步電機數(shù)字交流伺服系統(tǒng)硬件設(shè)計的研究[J]. 阜陽師范學院學報: 自然科學版, 2008(3): 49—50.

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[4] 李彩俠, 丁偉, 董菁. 一種中低壓、大電流無刷電機驅(qū)動器的設(shè)計研究[J]. 電源技術(shù)應用, 2013(7): 37—41, 46.

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PWM control system of brushless DC motor using DSP

GUO JieRong1,2, LI FangZhao3

(1. Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China; 2. School of Electrical Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 3. Hunan Huanan Opto-Electro-Sci-Tech Co.Ltd, Changde 415007, China)

Based on DSP technology and 57BL-0730N1 brushless DC brush motor experiment platform, a set speed PWM control system is designed. The C language is used for the calculation procedure of Holzer signals. The system was simple in structure and fewer modules, and tested on the platform of EL-DSPMCKIV, the result shows that the open loop and close loop control can be realized effectively.

digital signal processing; brushless DC motor; PWM

TM 301.2

1672-6146(2014)02-0066-04

10.3969/j.issn.1672-6146.2014.02.014

通訊作者email: jierong_guo@126.com.

2014-05-15

湖南省產(chǎn)學研科技攻關(guān)重大專項(2013Gk4085); 中國博士后科學基金(2013M541819).

(責任編校:劉曉霞)