基于TMS320F2812無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

1 引言
    眾所周期，無刷直流電機(jī)既具有交流電機(jī)簡單，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便等優(yōu)點，又具有直流電機(jī)運(yùn)行效率高，不受機(jī)械換向限制，調(diào)速性能好，易于做到大容量、高轉(zhuǎn)速等特點。TI公司的TMS320F2812數(shù)字信號處理器(DSP)既具有高速信號處理和數(shù)字功能所需的體系結(jié)構(gòu)。還具有專為電機(jī)控制應(yīng)用提供單片解決方案所需的外圍設(shè)備。以TMS320F2—812為核心的全數(shù)字電機(jī)控制系統(tǒng)極大地簡化了硬件設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了成本，并對無刷直流電機(jī)的普及應(yīng)用具有良好的前景。為此，提出了一種基于TMS320F2812的全數(shù)字永磁無刷直流電機(jī)控制方案。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案
    該系統(tǒng)設(shè)計采用三相Y型永磁方波無刷電機(jī)PWM控制方案，通電方式為兩兩通電。圖1給出控制系統(tǒng)原理框圖。它采用全數(shù)字三閉環(huán)控制。其中，電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，速度環(huán)采用遇限削弱積分的積分分離PID控制算法，它的輸出極性決定了正反轉(zhuǎn)方向，從而可實現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行。位置環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器。逆變器采用全橋型PWM調(diào)制。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    圖2給出基于TMS320F2812的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。采用TMS320F2812作為控制器，用于處理采集到的數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令。TMS320F2812控制器首先通過3個I／0端口捕捉直流電機(jī)上霍爾元件H1，H2，H3的高速脈沖信號，檢測轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置發(fā)出相應(yīng)的控制字，以改變PWM信號的當(dāng)前值，進(jìn)而改變直流電機(jī)驅(qū)動電路(全橋控制電路IGBT)中功率管的導(dǎo)通順序，實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向的控制。電機(jī)的碼盤信號A，B通過TMS320F2812 DSP控制器的CAPl，CAP2端口捕捉的。捕捉到的數(shù)據(jù)存儲在寄存器中，通過比較捕捉到A，B兩相脈沖值，以確定當(dāng)前電機(jī)的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)和轉(zhuǎn)速。在系統(tǒng)運(yùn)行中，驅(qū)動保護(hù)電路檢測當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如果系統(tǒng)中出現(xiàn)過流或欠壓狀況，PWM信號驅(qū)動器(IR2131)啟動內(nèi)部保護(hù)電路，鎖存后繼PWM信號輸出，同時通過FAULT引腳拉低TMS320F2812控制器的PDPINTA引腳電壓，啟動DSP控制器的電源驅(qū)動保護(hù)。這時所有EV模塊的輸出引腳將被硬件置為高阻態(tài)，從而保護(hù)控制系統(tǒng)。以下主要介紹系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)子位置檢測電路、相電流檢測電路、驅(qū)動電路、系統(tǒng)保護(hù)電路等。

3．1 轉(zhuǎn)子位置檢測電路
    控制無刷直流電機(jī)時，DSP控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子的當(dāng)前轉(zhuǎn)動位置，發(fā)送相應(yīng)的控制字，通過改變PWM脈沖信號的占空比控制電機(jī)。無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置是由位置傳感器來檢測的。該系統(tǒng)設(shè)計采用了3個光電式位置傳感器(霍爾元件)，它們是利用光電效應(yīng)制成的，由跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光板和固定不動的光源及光電管等部件組成。
    隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，光電管間歇接收從光源發(fā)出的光，不斷導(dǎo)通和截止，從而產(chǎn)生一系列“0”和“l(fā)”的信號。這些脈沖信號通過I／0端口傳輸給DSP，DSP讀取霍爾元件的狀態(tài)值，以確定轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置。再通過改變PWM信號的占空比控制驅(qū)動電路，改變IGBT的導(dǎo)通順序，實現(xiàn)電機(jī)的換相控制．并調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)驅(qū)動電路控制橋臂上的功率管導(dǎo)通順序為VQ1，VQ2→VQ2，VQ3→VQ3，VQ4→VQ4，VQ5→VQ5，VQ6→VQ6，VQ1(兩兩通電)。電機(jī)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈，H1，H2，H3將出現(xiàn)10l→100→110→010→011→00l的6種狀態(tài)，DSP對每一種狀態(tài)發(fā)送相應(yīng)的控制字。改變電機(jī)的通電相序，實現(xiàn)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行。圖3給出電機(jī)驅(qū)動電路控制原理圖。

3．2 相電流檢測電路
    電流反饋通道由霍爾元件、運(yùn)算放大器和A／D轉(zhuǎn)換器組成。電流反饋采用變比為1：1 000的磁平衡式霍爾元件，該元件的輸出為電流信號，并且信號較弱，必須經(jīng)過精密電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號，再經(jīng)過放大處理，得到電流的雙極性信號。因為DSP中A／D轉(zhuǎn)換單元的輸入范圍是0～3．3 V(單極性)，需要設(shè)計將雙極性信號變?yōu)閱螛O性的電路，再送到A／D轉(zhuǎn)換器。圖4給出電路原理圖。

3．3 驅(qū)動電路
    電機(jī)控制器驅(qū)動電路采用IR2131(見圖5)。IR2131／IR2132是一種采用高壓、高速功率MOSFlET和IGBT的驅(qū)動器。IR2131可同時控制6個功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷。通過輸出端口H01，H02，H03分別控制三相全橋驅(qū)動電路中上半橋VQ1、VQ5、VQ5的導(dǎo)通和關(guān)斷，通過輸出端口L0l、L02、L03分別控制三相全橋驅(qū)動電路中下半橋VQ4、VQ6、VQ2的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而實現(xiàn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)。

3．4 系統(tǒng)保護(hù)電路
    在無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，保護(hù)電路具有重要作用，可保護(hù)控制系統(tǒng)的核心器件DSP免受高壓、過電流的沖擊，同時也保護(hù)電機(jī)的驅(qū)動電路免遭損壞。整個系統(tǒng)的保護(hù)電路主要由電路隔離、信號隔離和驅(qū)動保護(hù)3部分組成。
3．4．1 隔離電路
    信號隔離電路是把控制電路與驅(qū)動電路之間的控制信號和驅(qū)動信號通過光電隔離器進(jìn)行信號隔離，實現(xiàn)不同電壓之間的信號傳輸，如圖6所示。該隔離電路可實現(xiàn)對DSP的6路PWM輸出信號與IGBT的光電隔離，并實現(xiàn)驅(qū)動和電平轉(zhuǎn)換功能。

3．4．2 保護(hù)電路
    為保證系統(tǒng)中功率轉(zhuǎn)換電路及電機(jī)驅(qū)動電路安全可靠工作，TMS320F2812還提供了PDPINT輸入信號，利用它可方便地實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的各種保護(hù)功能。圖7給出具體實現(xiàn)電路。各種故障信號由CD8128綜合后，經(jīng)光電隔離輸入到PDPINT引腳。有任何故障狀態(tài)出現(xiàn)時CD8128輸出低電平，PDPINT引腳也被拉為低電平。此時，DSP內(nèi)的定時器立即停止計數(shù)，所有PWM輸出引腳全部呈高阻狀態(tài)．同時產(chǎn)生中斷信號，通知CPU有異常情況發(fā)生。整個過程不需程序干預(yù)，全部自動完成，這對實現(xiàn)各種故障狀態(tài)的快速處理非常有用。

4 系統(tǒng)與上位機(jī)的通訊
    系統(tǒng)采用SCI接口完成與上位機(jī)的通訊功能，采用RS一232通信，通過上位機(jī)給定位置量．同時控制過程中電機(jī)的速度、電流、位置反饋量等參數(shù)，以實時發(fā)送上位機(jī)顯示；SPI接口完成串行驅(qū)動數(shù)碼管顯示功能．通過數(shù)字I／0擴(kuò)展的鍵盤設(shè)定位置給定量，由數(shù)碼管顯示。

5 實驗結(jié)果
    在硬件電路的基礎(chǔ)上，通過軟件編程得到圖8所示的兩個實驗結(jié)果。其中，圖8(a)為系統(tǒng)在常規(guī)PID控制下的系統(tǒng)跟蹤特性曲線；圖8(b)為系統(tǒng)在模糊PID系統(tǒng)跟蹤特性下的試驗曲線。

6 結(jié)語
    采用TMS320F2812為核心設(shè)計的數(shù)字伺服系統(tǒng)，解決了伺服系統(tǒng)中PWM信號的生成、電機(jī)速度反饋及電機(jī)電流反饋問題，方便地實現(xiàn)了保護(hù)功能，極大地簡化了系統(tǒng)硬件設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可靠性，減小了伺服系統(tǒng)的體積。降低了成本(降低約20％)。實驗結(jié)果驗證了該方法的有效性。