dsPIC30F6010的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)

張健，王笑竹

（營(yíng)口理工學(xué)院 機(jī)電工程系，營(yíng)口115014）

引 言

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電一體化產(chǎn)品，既具備交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備有刷直流電機(jī)的運(yùn)行效率高、無(wú)勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，它克服了有刷直流電機(jī)由于機(jī)械電刷和換向器的存在所帶來(lái)的噪聲、火花、無(wú)線電干擾以及壽命短等弊病，并且制造成本低，簡(jiǎn)化了電機(jī)的維修，因此在工業(yè)上（特別是微特電機(jī)領(lǐng)域），以及在小功率、高轉(zhuǎn)速的調(diào)速領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

基于dsPIC30F6010微處理器的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，分析了永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理，并建立數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)原理和模型制定出無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)方案，并仿真得到理論上的PI參數(shù)。根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)方案，在MPLAB系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)上運(yùn)用匯編語(yǔ)言分別用電機(jī)自帶的位置傳感器和反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法兩種方法進(jìn)行編程、調(diào)試，實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)字控制。

1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型

式中：ua，ub，uc表示電機(jī)三相相電壓；ea，eb，ec表示電機(jī)各相反電勢(shì)；ia，ib，ic表示電機(jī)三相相電流；La，Lb，Lc表示電機(jī)三相繞組的自感；R、Lσ為每相繞組電阻和電感；ω為轉(zhuǎn)子電角速度；θ為轉(zhuǎn)子電角度；un為定子繞組中性點(diǎn)電壓；t為時(shí)間量[1-2]。

由于每相繞組漏電感等效為常數(shù)，即d Lσ/dt＝0，所以可將式（1）～（3）整理成下式：

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程如下：

式中：Te為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；ω為電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度，可以看出其轉(zhuǎn)矩方程與普通直流電機(jī)方程相似，轉(zhuǎn)矩隨著電流幅值的增大而增大。

給任意兩相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)通電，假設(shè)無(wú)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，相電流與之對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)平頂部分完全重合，則發(fā)現(xiàn)任意兩相相電流大小相等，方向相反，不通電相相電流為零，通過(guò)式（5）得出電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩，分別表示如下：

無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；B為阻尼系數(shù)；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

2 系統(tǒng)控制方案

由于受IGBT等器件的功率限制，PWM調(diào)速只能應(yīng)用在中、小功率情況下，電機(jī)為小功率電機(jī)，用PWM改變電樞端電壓進(jìn)行調(diào)速。

理想無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩公式如下[3-7]：

其中：Np為通電導(dǎo)體數(shù)；l為轉(zhuǎn)子鐵心長(zhǎng)度；r為轉(zhuǎn)子半徑；is為定子電流。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理框圖如圖1所示。

2.1 有位置傳感器法

給定轉(zhuǎn)速與速度反饋量形成偏差，經(jīng)速度PI調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流參考值，與電流反饋值的偏差經(jīng)電流PI調(diào)節(jié)后形成PWM占空比的控制量，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的速度控制。

2.2 反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法

三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)60°需要換相一次，而轉(zhuǎn)過(guò)一周需要6個(gè)換相點(diǎn)。無(wú)刷直流電機(jī)在任意6個(gè)換相階段，只有兩相通電并且通電電流方向相反，第三相不通電，相電流為零。假設(shè)其為斷開(kāi)相，則可列出方程：

圖1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理框圖

將三個(gè)分式相加可得：

無(wú)論哪一相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，都存在EA＋EB＋EC＝0的關(guān)系成立。在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)有：

可得出任意相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方程為：

3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

dsPIC30F6010為16位（數(shù)據(jù)）改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，是一款專(zhuān)為電機(jī)控制應(yīng)用設(shè)計(jì)的80引腳的DSC，運(yùn)算靈活，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)（內(nèi)部有兩個(gè)40位的累加器），指令集靈活并且支持小數(shù)運(yùn)算。

3.1 有位置傳感器法硬件系統(tǒng)

有位置傳感器法無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 有位置傳感器法無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)硬件系統(tǒng)框圖

3.2 反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法硬件系統(tǒng)

反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)硬件系統(tǒng)框圖如圖3所示。

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 有位置傳感器程序總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法的硬件系統(tǒng)框圖

軟件設(shè)計(jì)主要采用 MPLAB IDE 7.40作為開(kāi)發(fā)環(huán)境。整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件部分由主程序、A/D中斷服務(wù)子程序（其中包括速度調(diào)節(jié)子程序和電流調(diào)節(jié)子程序）、電平變化中斷子程序以及故障引腳子程序和中斷陷阱組成。

主程序主要完成控制器系統(tǒng)時(shí)鐘模塊的初始化（為計(jì)算兩相換相時(shí)間）、中斷的設(shè)置、電機(jī)的初始位置檢測(cè)，之后主程序進(jìn)入循環(huán)等待，直到觸發(fā)中斷跳入中斷子程序。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

4.2 反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法程序總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主循環(huán)程序框圖如圖5所示。

圖5 主循環(huán)程序框圖

5 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)所用電機(jī)為方波驅(qū)動(dòng)的三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。電機(jī)內(nèi)置的霍爾位置傳感器采用SS41霍尼韋爾開(kāi)關(guān)量位置傳感器。相關(guān)參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)速3000 rpm、額定轉(zhuǎn)矩0.22 N·m、轉(zhuǎn)矩系數(shù)0.0522 Nm/A、額定電源電壓24 V、額定功率70 W、額定電流5.18 A、5對(duì)極、三相繞組電阻0.488Ω、三相繞組自感1.19 mH、電勢(shì)系數(shù)0.0482 Vs/rad、電氣時(shí)間常數(shù)2.44 ms、機(jī)械時(shí)間常數(shù)0.338 ms。

5.1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)試驗(yàn)

分別測(cè)量6組數(shù)據(jù)，并記錄下轉(zhuǎn)速和與之對(duì)應(yīng)的占空比，表1為一定占空比情況下電機(jī)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。從試驗(yàn)現(xiàn)象可以看出，電機(jī)在空載或輕載條件下，系統(tǒng)能夠快速、穩(wěn)定地達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，調(diào)速范圍寬。其中，電機(jī)轉(zhuǎn)速在有位置傳感器條件下達(dá)到了100～2 850 r/min，整個(gè)系統(tǒng)能很好地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)等功能。在反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法中，電機(jī)由于受到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)困難的影響，啟動(dòng)速度在730 r/min以下時(shí)，會(huì)造成電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)不連續(xù)或停止，但是在800 r/min以上時(shí)運(yùn)行良好，與有位置傳感器在轉(zhuǎn)速上相比較，要比有位置傳感器更快。

表1 占空比對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速

一方面可能是試驗(yàn)所用電機(jī)的霍爾信號(hào)安裝工藝與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之間存在差異，另一方面可能是電機(jī)自身電磁干擾、高頻PWM信號(hào)對(duì)位置反饋信號(hào)電路的干擾等影響了位置反饋的精度造成的。這更加證實(shí)了無(wú)位置傳感器應(yīng)用在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)上的優(yōu)越性。

5.2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)兩種方法的閉環(huán)試驗(yàn)

圖6可視為二階系統(tǒng)，從啟動(dòng)到電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行共經(jīng)過(guò)3 000個(gè)速度采樣點(diǎn)，每一次速度調(diào)節(jié)需6.4 ms。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間為t＝1 s，上升時(shí)間tr＝3.03 s，峰值時(shí)間為tp＝3.10 s，最大超調(diào)量 Mp＝8%，調(diào)整時(shí)間為ts＝8.22 s，延遲時(shí)間為td＝2.48 s，在調(diào)整時(shí)間內(nèi)響應(yīng)曲線的振蕩次數(shù)為3次。開(kāi)始的預(yù)定位時(shí)間為1 s，后突然換相，使得圖中0～4.5 s處振蕩頻繁且啟動(dòng)調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)，屬于正?，F(xiàn)象。采用雙比例調(diào)節(jié)時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)正常、系統(tǒng)超調(diào)量小、轉(zhuǎn)速精度較高。

圖6 位置傳感器法PI調(diào)節(jié)速度曲線

圖7同樣可視為二階系統(tǒng)，每一次速度調(diào)節(jié)需要10 ms，經(jīng)過(guò)3 000采樣點(diǎn)后可知電機(jī)橫軸單位1代表30 s，其中電機(jī)定位時(shí)間為1 s。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間為t＝3 s，上升時(shí)間tr＝2.11 s，峰值時(shí)間為tp＝2.50 s，最大超調(diào)量Mp＝5%，調(diào)整時(shí)間為ts＝7.68 s，延遲時(shí)間為td＝1.03 s，在調(diào)整時(shí)間內(nèi)響應(yīng)曲線的震蕩次數(shù)為4次。從圖中可以看出，采用PI調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)平穩(wěn)、系統(tǒng)超調(diào)量小、轉(zhuǎn)速精度高。

圖7 反電動(dòng)過(guò)零檢測(cè)法比例調(diào)節(jié)速度曲線

結(jié) 語(yǔ)

專(zhuān)用電機(jī)控制芯片硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制能力強(qiáng)、軟件實(shí)現(xiàn)方便、控制精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的算法，升級(jí)空間較大，其高速的執(zhí)行性能和豐富的內(nèi)置資源很好地滿(mǎn)足了高性能無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。開(kāi)環(huán)環(huán)境下可以很迅速地達(dá)到速度要求，在閉環(huán)控制中啟動(dòng)、運(yùn)行良好，反應(yīng)速度快。

本文利用dsPCI30F6010實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的全數(shù)字化控制，充分體現(xiàn)了系統(tǒng)控制和算法上的優(yōu)越性。

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