基于DSP無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋連慶　袁世博　韓興會

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院　西安　710048）

1　引言

永磁無刷直流電動機(jī)以電子換相器替代了機(jī)械電刷和換向器，實(shí)現(xiàn)直流電動機(jī)的換向，因而具有無機(jī)械摩擦、無碳刷磨損、無換向火花、噪聲小、壽命長的特點(diǎn)。無刷直流電機(jī)被廣泛應(yīng)用在日常家用電器、國家航空航天、醫(yī)療器械、以及工業(yè)設(shè)備自動生產(chǎn)線等相關(guān)領(lǐng)域。目前，BLDCM的控制方式主要運(yùn)用特定的集成電路控制器。特定集成電路控制器具有結(jié)構(gòu)相對簡單、性價比較高、外圍元器件少的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)的軟件和硬件方面，常采用FPGA、DSP等來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制［1］。本文選用TMS320F28335來作為無刷直流電動機(jī)的主控芯片，設(shè)計(jì)了無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)包括軟件和硬件兩方面。

2　無刷直流電機(jī)的工作原理

無刷直流電動機(jī)就其基本結(jié)構(gòu)而言是由電動機(jī)本體、內(nèi)置的轉(zhuǎn)子位置傳感器和外加在轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)速傳感器三部分構(gòu)成。無刷的轉(zhuǎn)子為永磁材料，定子上繞有三相線圈，線圈通電時產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。從原理上來分析，當(dāng)電動機(jī)定子的合成磁動勢與轉(zhuǎn)子永磁磁場在空間上的相位相差90°的時候電磁場轉(zhuǎn)矩就會達(dá)到峰值。但在兩磁場互相平行時就會變?yōu)樽钊酢ｋ姍C(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)是由無刷直流電動機(jī)定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，而電機(jī)轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場平行的方向轉(zhuǎn)動?？刂茻o刷直流電動機(jī)的框圖如圖1所示，主要由霍爾（HALL）位置傳感器的信號檢測與控制單元和邏輯功率開關(guān)器件兩部分構(gòu)成［2］。邏輯功率開關(guān)為控制電路中重要的一環(huán)，邏輯功率開關(guān)將電源的功率以一定的邏輯規(guī)律分配給無刷直流電機(jī)定子各相繞組，從而使電動機(jī)產(chǎn)生連續(xù)不間斷的電磁轉(zhuǎn)矩，而各項(xiàng)繞組導(dǎo)通的順序和時間控制主要由霍爾傳感器的信號來決定的。

圖1　BLDCM的工作原理圖

BLDCM采用兩兩導(dǎo)通模式，每只開關(guān)管導(dǎo)通120°，在任何時候主電路只能有兩相繞組導(dǎo)通，每間隔60°電角度就有其中一只開關(guān)管保持關(guān)斷的狀態(tài)，而另一只開關(guān)管則保持開通的狀態(tài)。而且三相逆變電路上橋臂與下橋臂都只能有一個功率開關(guān)器件導(dǎo)通，并且電路運(yùn)行的過程中一定有一相的上下兩個功率開關(guān)器件始終處于關(guān)斷的狀態(tài)。根據(jù)霍爾傳感器的輸出信號，控制繞組上的功率開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，最終實(shí)現(xiàn)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)。每旋轉(zhuǎn)變化60°電角度，電路中就有一個霍爾傳感器改變一次工作狀態(tài)，每個循環(huán)周期變化六次，每轉(zhuǎn)過60°電角度定子繞組就會立即換相一次。電動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，定子通入電流，永磁體轉(zhuǎn)子勵磁，兩個磁場在空間的作用產(chǎn)生合成磁勢，推動轉(zhuǎn)子向前運(yùn)轉(zhuǎn)［3］。

不同繞組的通電切換，必須在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置時進(jìn)行，即換相必須及時準(zhǔn)確地進(jìn)行。本文采用有傳感器無刷直流電機(jī)模型，配備了三個霍爾傳感器，它們之間依次相隔120°并按圓形分布安裝，輸出信號Hall_a，Hall_b，Hall_c，輸出波形相差120°，輸出的信號高電平與低電平各占一半，分別占180°，在每360°內(nèi)給出了六個代碼，這六個代碼具有一定的邏輯順序，其換相順序分別為101，100，110，010，011，001，這一順序與電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向有這密切關(guān)系［4］。三相反電勢波形為正負(fù)半波并且都有平頂寬度為120°的梯形波，三相之間分別相差120°。無刷直流電機(jī)三相反電勢和霍爾傳感器信號間相位關(guān)系如圖2所示。

圖2　BLDCM反電動勢和霍爾傳感器信號相位關(guān)系

無刷直流電動機(jī)的控制的核心是換相，其控制方法是通過DSP即28335的軟件來實(shí)現(xiàn)，其控制框圖如圖3所示。無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其外環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，通過雙閉環(huán)調(diào)速調(diào)節(jié)，得到系統(tǒng)需要的PWM控制信號，但是信號控制哪個開關(guān)管的關(guān)斷，則是由霍爾檢測信號來確定的［5］。

圖3　基于28335的無刷直流電動機(jī)控制框圖

3　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3.1　主回路及驅(qū)動回路

三相全控電路作為系統(tǒng)的主回路。在此系統(tǒng)的電路中，采用六只N溝道型號為SPB80N06S2L-07的MOSFET功率管，被用來控制三相繞組的導(dǎo)通與關(guān)斷。IR2136是高壓集成驅(qū)動器件，它的電壓限定在600V以下，擁有六路輸入通道以及六路輸出信號，并且只需要一個供電電源就可以完成驅(qū)動三相橋式逆變電路的六個功率開關(guān)器件的工作，一片IR2136芯片就可替代3片IR2110，使整個系統(tǒng)的驅(qū)動電路更加簡化并且穩(wěn)定性更強(qiáng)［6］。驅(qū)動電路如圖4所示。

圖4　驅(qū)動電路

3.2　信號檢測電路

3.2.1霍爾檢測電路

無刷直流電動機(jī)上集成霍爾元件，即電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器上帶有霍爾元器件，傳感器輸出的脈沖信號H1、H2、H3被用來檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。通過轉(zhuǎn)子位置信號來改變電動機(jī)驅(qū)動電路中功率管的開關(guān)順序，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)控制，因此，實(shí)際霍爾檢測信號的獲取在BLDCM控制中尤其重要。因?yàn)閭鞲衅鞯妮敵鲂盘柾哂幸恍└蓴_的信號，因此送入DSP時還要將其濾波并經(jīng)施密特觸發(fā)器整形，如圖5所示。霍爾傳感器輸出的脈沖信號首先經(jīng)端口的6、7、8端，然后再經(jīng)電阻、電容組成的濾波電路獲得HALL1、HALL2和HALL3，然后再將這三個信號分別輸入74HCT14的1、3、5端口經(jīng)施密特觸發(fā)器后從74HCT14的 2、4、6輸 出 ，輸 出 信 號 接TMS320F28335對應(yīng)的端口，從而判斷霍爾信號［7］。

圖5　濾波整形電路

3.2.2轉(zhuǎn)速檢測電路

檢測轉(zhuǎn)速的傳感器為2048線的光電編碼器，其有四路輸出脈沖量信號：A、Aˉ、B、Bˉ，經(jīng)過施密特整形器74HC14以及差分接收器SN75115整形后發(fā)送到28335的增量編碼器接口QEP口，DSP判斷確定電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)速n大小只需要檢測這兩個脈沖序列誰最先到達(dá)［8］。圖6所示為該轉(zhuǎn)速檢測電路圖。

圖6　轉(zhuǎn)速檢測電路原理圖

4　控制程序設(shè)計(jì)

4.1　DSP系統(tǒng)資源分配

DSP是整個BLDCM控制系統(tǒng)的控制核心，需要承擔(dān)許多功能，這些功能就含有：PWM驅(qū)動波的產(chǎn)生，霍爾、電流等信號的采樣，故障保護(hù)等?，F(xiàn)把其他資源分配如下。

1）PWM信號生成。DSP28335的事件管理器模塊有EVA和EVB兩個。每個管理器包括比較器、通用定時器、捕獲單元、PWM單元及正交編碼脈沖電路（QEP）。EVA和EVB在外設(shè)功能上是一樣的，因而對應(yīng)的外圍寄存器組也是一樣。比較單元能夠產(chǎn)生PWM波形，而每一個比較單元能夠產(chǎn)生兩個互補(bǔ)的PWM波。三個比較單元生成的六路PWM波，而六路PWM剛好能夠驅(qū)動一個三相全橋電路。在本文采用的是EVA單元的三對全比較單元產(chǎn)生的死區(qū)可編程PWM信號PWM1～PWM6被用來作為驅(qū)動管的控制信號［9］。

2）電流檢測。電流信號通過互感的輸出送入DSP的ADCINA0、ADCINA1及ADCINA2。對電動機(jī)三相電流進(jìn)行控制通常需要三個獨(dú)立的電流閉環(huán)，而無刷直流電動機(jī)運(yùn)用兩相導(dǎo)通的方式，即電動機(jī)三相定子繞組在某一時刻只有兩相通電，導(dǎo)通的兩相繞組的電流方向相反，大小相等，因此只需要控制一個電流量。

3）霍爾信號檢測。將傳感器的輸出信號經(jīng)過整形調(diào)理送入DSP的CAP單元，根據(jù)每個上升沿或者下降沿的CAP口的狀態(tài)來決定位置和速度，從而實(shí)現(xiàn)電動機(jī)正常換相和電動機(jī)的速度調(diào)節(jié)［10］。運(yùn)用CAP1、CAP2、CAP3為EVA單元中的霍爾信號采樣端口，完成霍爾信號檢測的工作。

4.2　系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件控制部分主要包含下面幾個方面：

1）主程序，其程序框圖如圖7所示，主要完成系統(tǒng)的相關(guān)初始化功能以及實(shí)時性要求不高的事件。

主程序主要完成對各功能模塊的初始化，包括外部接口的初始化、事件管理器的初始化、ADC的初始化。主程序在進(jìn)行必要的初始化工作以后，還要將電動機(jī)啟動起來用來檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子具體位置，而這是由于電動機(jī)在開始啟動時，沒有捕獲中斷產(chǎn)生，需將電動機(jī)啟動起來后才能利用捕獲中斷進(jìn)行自動換向［11］。在BLDCM的控制當(dāng)中，事件管理器起到關(guān)鍵作用，包括霍爾信號的捕獲、開關(guān)管的換向及PWM控制均由其決定，因此在初始化過程中要設(shè)置事件管理器，使之能正常工作。

圖7　主程序框圖

2）中斷子程序，程序框圖如圖8所示，比較捕獲中斷程序是無刷直流電動機(jī)控制的重要功能，其包含檢測正確的霍爾信號序列時的換相工作。

圖8　比較捕獲中斷程序框圖

5　BLDCM系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

BLDCM調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。其轉(zhuǎn)速和電流都采用PI調(diào)節(jié)。內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，其主要功能是限制最大電流，電流PI調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓限定了逆變電路的最大輸出電壓［12］。外環(huán)是轉(zhuǎn)速環(huán)，電流PI調(diào)節(jié)器的最大輸入值受速度PI調(diào)節(jié)器的限幅電壓來決定，它不僅能有效地限制轉(zhuǎn)速波動，而且在動態(tài)時電動機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠時刻跟隨其給定而發(fā)生變化，從而能實(shí)取得轉(zhuǎn)速無靜差或靜差盡可能少。

根據(jù)上述在Matlab/Simulink中搭建的BLDCM仿真模型，進(jìn)行了BLDCM轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的BLDCM控制系統(tǒng)仿真模型的動、靜態(tài)特性，調(diào)速系統(tǒng)先進(jìn)行了空載啟動，參考電機(jī)轉(zhuǎn)速n=1000r/min，待進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，在t=0.5s時速度上升為n=1600r/min，經(jīng)過約0.1s迅速恢復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)時運(yùn)行無靜差可得到，電機(jī)轉(zhuǎn)速、電樞電流、電磁轉(zhuǎn)矩如圖10所示。仿真波形可以看出，其波形符合理論分析，具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力，電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)快速并且平穩(wěn)，電流波形相對較理想。

圖9　BLDCM調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

圖10　相電流、轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩波形

6　結(jié)語

無刷直流電動機(jī)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，啟動平穩(wěn)，使用維護(hù)方便等特點(diǎn)。經(jīng)過近幾年的不懈發(fā)展與進(jìn)步其技術(shù)已經(jīng)相對成熟穩(wěn)定，并在各項(xiàng)領(lǐng)域得到了普遍的運(yùn)用，本文對它進(jìn)行研究的目的主要就是為了提高其調(diào)速性能［13］。對于實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)速這一要求，有目的性的設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)PI調(diào)速系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該無刷直流調(diào)速系統(tǒng)具有電機(jī)控制結(jié)構(gòu)相對簡單，自適應(yīng)強(qiáng)等優(yōu)良特性，對推廣使用無刷電動機(jī)具有一定的借鑒意義。

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