基于DSP直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐 坤, 周子昂, 吳定允

(周口師范學(xué)院 a.網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院；b.機(jī)械與電氣工程學(xué)院,河南 周口 466001)

0 引言

無(wú)刷直流電機(jī)(Brushless DC Motor, BLDCM)是隨著新型永磁材料和電子技術(shù)發(fā)展而成熟起來(lái)的一種新型電機(jī)[1].該電機(jī)具有運(yùn)行效率高、體積小、調(diào)速性能好、無(wú)勵(lì)磁損耗以及控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此，它在儀器儀表、智能裝備、新能源交通工具等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2-3].由于BLDCM控制系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合復(fù)雜，具有非線性、多變量、強(qiáng)耦合等特點(diǎn)，以8位或16位低速微控制和傳統(tǒng)PID算法為基礎(chǔ)的控制方案使其控制精度不高.為改善BLDCM的控制性能，以32位處理器為控制核心，以PID的改進(jìn)算法與智能算法組成的控制策略成為BLDCM控制領(lǐng)域研究的新方向.文獻(xiàn)[4]通過(guò)建立BLDCM的數(shù)學(xué)模型，完成了基于Matlab的無(wú)刷直流電機(jī)PID調(diào)速系統(tǒng)的仿真及硬件測(cè)試，但缺少對(duì)BLDCM控制系統(tǒng)硬件的探討.文獻(xiàn)[5]提出了一種參數(shù)自適應(yīng)模糊PID算法，借助于Matlab實(shí)現(xiàn)了對(duì)BLDCM調(diào)速控制，但僅局限于對(duì)系統(tǒng)的仿真研究.文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了基于STM32的BLDCM控制驅(qū)動(dòng)器硬件電路，并完成測(cè)試，沒(méi)有涉及相關(guān)控制算法的討論.

本文基于BLDCM工作原理及其控制系統(tǒng)的組成，對(duì)控制系統(tǒng)各個(gè)功能模塊及接口電路進(jìn)行設(shè)計(jì).選取德州儀器(TI)公司生產(chǎn)的32位高性能微處理器TMS320F28335 DSP[7]為控制核心，該芯片是TI公司推出的位32-位浮點(diǎn)DSP控制器，片上集成增強(qiáng)型脈寬調(diào)制器(pulse width modulation, PWM)模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter, ADC)模塊及通用異步收發(fā)器(univer-sal synchronous receiver and transmitter, UART)模塊等，這些特點(diǎn)簡(jiǎn)化了控制電路，增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的靈活性，提高了數(shù)據(jù)處理能力.本系統(tǒng)以BLDCM的速度調(diào)節(jié)為控制目標(biāo)，采用積分分離的PID控制算法，有效控制系統(tǒng)超調(diào)量.采用功率驅(qū)動(dòng)芯片IR21366構(gòu)成智能功率模塊(intelligent power module, IPM)電路，實(shí)現(xiàn)了過(guò)流、輸入欠壓、防直通保護(hù)等功能及BLDCM速度調(diào)節(jié)的平穩(wěn)控制.

1 基于DSP的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)

1.1 無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)組成

BLDCM控制系統(tǒng)是較為常見(jiàn)的機(jī)電一體化實(shí)現(xiàn)方案，系統(tǒng)組成如圖1所示.主要有DSP控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、逆變電路、電流檢測(cè)電路、保護(hù)電路和位置傳感器電路等.

圖1 無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖Fig. 1 Block diagram of control system for BLDCM

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，BLDCM內(nèi)部三路霍爾傳感器(Hall Sensor)構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁極位置檢測(cè)電路，其輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)位置傳感器電路分別接入DSP的外部中斷INT1、INT2、INT3接口，DSP響應(yīng)中斷，得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息，并計(jì)算其轉(zhuǎn)速，利用ADC接口采集系統(tǒng)電流.DSP綜合位置信息、速度信息及電流信息，通過(guò)相應(yīng)的控制算法，由PWM模塊輸出6路信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)功率逆變電路，達(dá)到BLDCM的啟動(dòng)、停止、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速及安全運(yùn)行的控制策略.采用DSP的UART模塊與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和人機(jī)交互.并設(shè)計(jì)CAN總線接口及預(yù)留接口，便于系統(tǒng)協(xié)同控制和系統(tǒng)升級(jí).

1.2 無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行原理

BLDCM永磁體轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過(guò)定子電樞繞組在空間合成磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來(lái)的，而定子電樞繞組在空間合成磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)是通過(guò)控制BLDCM的A相、B相、C相繞組的電流方向?qū)崿F(xiàn)的.該功能有功率逆變電路來(lái)完成，圖2為6個(gè)IR640N功率開(kāi)關(guān)管組成的三相全橋逆變電路.

圖2 無(wú)刷直流電機(jī)功率逆變電路Fig. 2 BLDCM power inverter circuit

圖中VT1、VT2 和VT3為上橋臂功率管，VT4、VT5和VT6為下橋臂功率管，上橋臂功率管工作在PWM狀態(tài)，下橋臂功率管工作在直通狀態(tài).它們之間相互配合導(dǎo)通或截止，實(shí)現(xiàn)BLDCM定子3相繞組電流換相，從而實(shí)現(xiàn)了定子電樞繞組在空間合成磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn).圖中，IR640N為MOSFET型功率管；IR_PWM1～I(xiàn)R_PWM6是來(lái)自于驅(qū)動(dòng)電路輸出的PWM信號(hào)；HS1～HS3是BLDCM內(nèi)部三路霍爾傳感器輸出信號(hào)；IR_COM為逆變電路電流輸出公共端.

圖3 無(wú)刷直流電機(jī)定子合成磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)示意圖Fig. 3 Stator of BLDCM rotating magnetic field and rotor magnetic field synthesis diagram

BLDCM定子合成磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)情況如圖3所示.下面以定子為3相6極，星型連接，轉(zhuǎn)子為一對(duì)磁極的BLDCM為例來(lái)說(shuō)明旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生方法和速度控制的基本原理.當(dāng)轉(zhuǎn)子位于圖3(a)所示位置時(shí)，轉(zhuǎn)子磁極位置檢測(cè)電路輸出磁極位置信號(hào)，DSP經(jīng)過(guò)邏輯變換后輸出PWM控制信號(hào)，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路使逆變器功率開(kāi)關(guān)管VT1、VT5導(dǎo)通，電流從A相繞組流進(jìn)B相繞組流出，記為A+B-，電樞繞組在空間的合成磁場(chǎng)Fa及轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)Fr如圖3(a)，在定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用下，拖動(dòng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng).當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)60°電角度到達(dá)圖3(b)所示位置時(shí)，DSP依據(jù)位置傳感器輸出信號(hào)，發(fā)出PWM控制信號(hào)，使開(kāi)關(guān)管VT1截止VT3導(dǎo)通，此時(shí)VT5仍導(dǎo)通，則電流從C相繞組流進(jìn)B相繞組流出，記為C+B-，電樞繞組在空間的合成磁場(chǎng)Fa及轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)Fr如圖3(b)，此時(shí)定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用使轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng).

這樣，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)60°電角度，位置傳感器輸出換相信號(hào)，經(jīng)過(guò)DSP處理后，控制相應(yīng)的一組開(kāi)關(guān)管通過(guò)，產(chǎn)生每次旋轉(zhuǎn)60°電角度的定子磁場(chǎng)，循環(huán)往復(fù)就使BLDCM按順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)了.圖3(c)給出了定子磁場(chǎng)按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)一周的三相繞組的通電順序及電流方向.

2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 智能驅(qū)動(dòng)電路

智能驅(qū)動(dòng)電路主芯片采用IR(International Rectifier, IR)公司的三相逆變智能驅(qū)動(dòng)集成芯片IR21366[8]構(gòu)成.該芯片是專(zhuān)用的高壓高速M(fèi)OSFET和IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)集成電路，可以分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)6個(gè)MOSFET或IGBT器件，具有過(guò)流、輸入欠壓、防直通功能.基于IR21366的驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示.圖4中，IR21366將來(lái)自DSP的6路PWM1～PWM6信號(hào)放大，輸出6路具有驅(qū)動(dòng)能力的信號(hào)IR_PWM1～I(xiàn)R_PWM6，使其分別控制逆變電路中的6個(gè)MOSFET功率管.IR_COM是逆變電路電流輸出公共端，一路與IR21366的COM端口相連，構(gòu)成逆變回路，另一路通過(guò)R10和R17構(gòu)成的電流采樣電路，通過(guò)由LM358構(gòu)成的兩級(jí)放大電路放大后分別送入DSP的ADC端口和IR21366的ITRIP引腳.

圖4 IR21366智能驅(qū)動(dòng)電路Fig. 4 IR21366 intelligent driver circuit

經(jīng)過(guò)DSP的ADC模塊轉(zhuǎn)換后，得到系統(tǒng)電流信息.ITRIP為IR21366的過(guò)流關(guān)斷信號(hào)輸入端，該端口電壓達(dá)到閥值電壓時(shí)，IR21366關(guān)斷所有邏輯輸出，此時(shí)FAULT引腳輸出低電平，并通過(guò)光電耦合器TLP621接至DSP的外部中斷口INT0，引發(fā)過(guò)流中斷保護(hù).

二極管D1、D2、D3與電容C4、C5、C6構(gòu)成自舉電路，用來(lái)可靠地驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)MOSFET型功率管，且具有欠壓保護(hù)功能.當(dāng)IR21366芯片的VB(VB1、VB2、VB3)與VS(VS1、VS2、VS3)引腳之間的電壓Ubs下降到8.2 V及其以下時(shí)(正常工作時(shí)Ubs在10～20V之間)，IR21366將關(guān)斷高端驅(qū)動(dòng)輸出，實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù).而當(dāng)芯片發(fā)出的PWM脈沖序列邏輯混亂或錯(cuò)誤導(dǎo)致上、下橋臂直通時(shí)IR21366芯片內(nèi)部集成的防直通電路工作，使上、下功率管的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)全為低電平，達(dá)到防止上、下橋臂直通的發(fā)生.

2.2 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路

在BLDCM控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路至關(guān)重要，一方面通過(guò)檢測(cè)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置信息，為逆變電路提供恰當(dāng)?shù)膿Q向時(shí)刻，以減小轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)；另一方面通過(guò)對(duì)其中一路位置檢測(cè)器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，可以計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速.BLDCM帶有3個(gè)在空間上相差120°角分布的霍爾傳感器，隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，每一個(gè)霍爾傳感器都輸出一個(gè)脈寬為180°電角度的方波信號(hào)，3個(gè)傳感器輸出的方波信號(hào)互有120°電角度相位差[6].本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路如圖5所示.R18、R19和R20構(gòu)成上拉電路，確?；魻杺鞲衅髡］敵龈叩碗娖剑琑21、R22、R23、C8、C9、C10組成濾波電路，濾除系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻干擾，3路信號(hào)分別通過(guò)光電耦合器TLP621隔離，再經(jīng)過(guò)74HC08的進(jìn)一步處理，變換成與DSP相兼容的信號(hào).

圖5 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路Fig. 5 Rotor position detecting circuit

2.3 轉(zhuǎn)速檢測(cè)與計(jì)算

電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)通常采用光電編碼器、磁編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器等[9].本系統(tǒng)利用位置檢測(cè)電路輸出的方波信號(hào)來(lái)計(jì)算電機(jī)的速度，節(jié)約了成本.當(dāng)轉(zhuǎn)子為一對(duì)磁極時(shí)，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的電角度與電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械角度滿足式(1)：

Φe=Φm,

(1)

其中:Φm為電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械角度，Φe為磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的電角度.

(2)

(3)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及測(cè)試分析

圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程Fig. 6 System software design process

為了達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)高效運(yùn)行，需要實(shí)時(shí)的對(duì)BLDCM的轉(zhuǎn)速、電流等參數(shù)進(jìn)行采樣、計(jì)算、分析，并及時(shí)給出處理辦法.因此，選擇高效、可靠的控制算法至關(guān)重要.PID控制算法[10]以其結(jié)構(gòu)靈活、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)獲得了廣泛應(yīng)用.本文采用積分分離PID控制算法，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器，第一級(jí)為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，其輸出作為第二級(jí)電流調(diào)節(jié)器的輸入，由第二級(jí)調(diào)節(jié)器的輸出控制PWM的占空比，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)調(diào)速控制.

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示.

該算法與傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)算法比較測(cè)試結(jié)果如圖7所示.從中可以看出，在給定轉(zhuǎn)速為1000 r/min條件下，積分分離PID算法較好地控制了超調(diào)量，使系統(tǒng)平均超調(diào)量不大于10%；同時(shí)有效地縮短了系統(tǒng)平均響應(yīng)時(shí)間，使之控制在2 s以?xún)?nèi).達(dá)到了良好地控制效果，較好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能及控制目標(biāo).

圖7 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果比較圖Fig. 7 The test results of the system comparison

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理，以其轉(zhuǎn)速檢測(cè)和控制為基本內(nèi)容，提出了以TMS320F28335DSP為核心的控制系統(tǒng)，并利用片內(nèi)的PWM模塊、ADC模塊及中斷等模塊，使系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)得到了簡(jiǎn)化.采用積分分離的PID控制算法，借助DSP高效的數(shù)據(jù)處理能力，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速-電流的雙閉環(huán)控制.以IR21366功率驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)成的IPM電路，實(shí)現(xiàn)了過(guò)流、輸入欠壓、防直通等保護(hù)功能.測(cè)試分析表明，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，超調(diào)小，控制效果好.同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)預(yù)留接口，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和系統(tǒng)升級(jí)，增強(qiáng)了適應(yīng)性.