基于DSP的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

引言
    近幾年來，隨著電力電子器件和現(xiàn)代控制理論的迅速發(fā)展，無刷直流電動(dòng)機(jī)由于沒有接觸式換向裝置，不存在換向引起的火花，其具有效率高，轉(zhuǎn)速不受機(jī)械換向所限制，可維護(hù)性強(qiáng)，安全性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，而被人們廣泛應(yīng)用于光驅(qū)、智能機(jī)器人、電動(dòng)交通工具等領(lǐng)域。DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)則以其高速的數(shù)據(jù)處理能力、豐富的內(nèi)部資源、集成度高和功耗低等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用在控制領(lǐng)域中。本文提出了一種基于DSP的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)結(jié)合模糊控制方法來實(shí)現(xiàn)無刷直流電動(dòng)機(jī)的智能化控制。

1 無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型
    根據(jù)物理學(xué)公式，單根導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)e為：
   
    式中，B為磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度，l為磁場(chǎng)中導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度，v為導(dǎo)體垂直于磁力線運(yùn)動(dòng)的線速度。在電機(jī)中，v與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為：
   
    這樣，無刷直流電機(jī)在運(yùn)行過程中所感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小為：
   
    式中，E為無刷直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)；α為極弧系數(shù)；W為點(diǎn)數(shù)繞組每一相的繞線匝數(shù)；ψ為每一極的磁通量；n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
    假設(shè)無刷直流電動(dòng)機(jī)的繞組采用三相星型結(jié)構(gòu)，定子三相完全對(duì)稱，空間上互差120°的電角度，三相繞組電阻的電感量參數(shù)相同。同時(shí)忽略電樞繞組之間產(chǎn)生的互感，電機(jī)的氣隙磁導(dǎo)均勻，磁路不飽和，并忽略渦流損耗。則無刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型如下：
   
    式中，Va、Vb、Vc分別為三相端壓；R為三相繞組電阻；L為三相繞組電感；Ea、Eb、Ec分別為電動(dòng)機(jī)的三相感應(yīng)電勢(shì)；ia、ib、ic分別為三相繞組流過的電流。這樣，其電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式可以表示為：
   
    而根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)定律。電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式也可以表示為：
   
    式中，T1為電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，J為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Z為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的阻尼系數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)大致可分為功率驅(qū)動(dòng)部分、DSP控制核心部分、A／D信號(hào)檢測(cè)部分等，圖1所示是一個(gè)基于DSP的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的總體硬件系統(tǒng)框圖。

2．2 功率驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)
    圖2所示是本文所介紹的三相無刷直流電機(jī)的功率變換橋路電路圖。圖中共使用了6個(gè)N溝道的MOSFET功率元件IRF540，可構(gòu)成三相橋路以作為無刷直流電機(jī)的電子換相器，其完成的功能與傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)的換相器的功能一致。電阻R107作為過電流保護(hù)功能的采樣電阻。其實(shí)是一個(gè)小型的錳銅分流器，取值0．01Ω，可保證平時(shí)在正常工作電流以及額定啟動(dòng)電流通過電阻時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生大的電壓，而當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)、某處短路或者上下MOSFET同時(shí)導(dǎo)通短路時(shí)，該電阻則可產(chǎn)生大電流，當(dāng)在此電阻上的壓降達(dá)到一定程度時(shí)，電路可迅速激活過電流保護(hù)電路以停止所有MOSFET的工作，同時(shí)斷開主電路電源，防止事態(tài)進(jìn)一步惡化。

2．3 DSP部分設(shè)計(jì)
    根據(jù)對(duì)電機(jī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行的分析。為實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的高精度可靠控制，本系統(tǒng)采用T1公司成熟的DSP產(chǎn)品TMS320LF2407。該數(shù)字信號(hào)處理器不但具有高速信號(hào)處理和數(shù)字功能所必需的體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，而且其低成本、低功耗及高性能的處理能力以及豐富的內(nèi)部資源，也對(duì)電機(jī)的數(shù)字化控制非常有用，此外，該數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)內(nèi)部還自帶高精度10位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和脈沖調(diào)制PWM模塊。
2．4 A／D信號(hào)檢測(cè)設(shè)計(jì)
    通過專用高端電流測(cè)量芯片AD8206以及高精度采樣電阻可以完成對(duì)A／D信號(hào)的檢測(cè)功能。即由三相功率變換橋路引出的Coil_A、Coil_ B、Coil_C分別經(jīng)過高精度超低阻值的0．01Ω采樣電阻后，將引出U、V、W三線分別接至定子電樞的A、B、C三相線圈上，這樣即可通過檢測(cè)采樣電阻之上的電壓來檢測(cè)出各相電樞繞組上通過的電流。測(cè)試每相相對(duì)于地電壓的方法比較簡(jiǎn)單，可以用電阻分壓法測(cè)試，A、B、C三相線圈上的電壓在U、V、W測(cè)試點(diǎn)上也可采用電阻分壓的方法得到，圖3所示是A相電壓電流的采樣電路。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 系統(tǒng)控制總圖
    圖4所示是本系統(tǒng)的控制框圖。根據(jù)該控制框圖可將系統(tǒng)劃分為若干個(gè)子任務(wù)。其中包括系統(tǒng)初始化任務(wù)、系統(tǒng)參數(shù)采樣任務(wù)、系統(tǒng)保護(hù)任務(wù)、模糊控制計(jì)算任務(wù)、電機(jī)控制任務(wù)、通信任務(wù)等。任何時(shí)刻都只能有一個(gè)子任務(wù)被系統(tǒng)調(diào)度選中而進(jìn)入系統(tǒng)的主循環(huán)中運(yùn)行，此時(shí)，其他任務(wù)都處于休眠或者掛起狀態(tài)。以等待系統(tǒng)的調(diào)用。每一個(gè)子任務(wù)都是以一個(gè)死循環(huán)的函數(shù)形式出現(xiàn)并供系統(tǒng)調(diào)用，每個(gè)子任務(wù)的死循環(huán)的打斷和切換一般都以系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)鐘為準(zhǔn)。由系統(tǒng)調(diào)度器決定的、合適下一個(gè)應(yīng)該調(diào)用的子任務(wù)框圖如圖5所示。

3．2 模糊控制參數(shù)的選擇
    本模糊控制器以電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出與期望的速度輸出的偏差e以及偏差的變化率ec作為輸入變量來輸出電機(jī)的控制值的變化值。在模糊控制區(qū)內(nèi)，可將速度偏差和偏差變化率量化為7個(gè)模糊子集，即模糊語言變量{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，簡(jiǎn)記{NL，NM，N-S，ZO，PS，PM，PL}。
    綜合考慮速度偏差和速度偏差變化率這兩個(gè)信號(hào)，可采用如下的模糊推力規(guī)則：
   
    由于e和ec各有一個(gè)模糊子集，所以，共有49條模糊規(guī)則，其具體規(guī)則如表1所列。

3．3 系統(tǒng)參數(shù)采樣
    電壓電流采樣單元共采集7個(gè)數(shù)據(jù)，分別是三相電壓、三相電流和定子電樞總電流，這些參數(shù)分別對(duì)應(yīng)A／D中的7個(gè)采樣通道。每一次采樣過程中。程序均按照采樣通道一次性順序采樣7個(gè)數(shù)據(jù)，并將采樣結(jié)果放入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，以供其他程序讀取和調(diào)用。假如被控電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)／分，即50轉(zhuǎn)／秒，且每一個(gè)電周期中有6個(gè)換相區(qū)間，那么，為了保證換相控制精度<15°，每個(gè)換相區(qū)間采樣5次。則可得到的每秒采樣次數(shù)為5x6x50=1500次／秒，每次采樣間隔時(shí)間大約為660μs。圖6所示是系統(tǒng)的電壓電流采樣程序流程圖。

4 系統(tǒng)仿真模型
    仿真可利用Matlab軟件中的Simulink功能來完成。Simulink是一個(gè)可進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。它可以處理的系統(tǒng)包括線性、非線性系統(tǒng)的離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)單任務(wù)、多任務(wù)離散事件系統(tǒng)。圖7所示是一個(gè)無刷直流電機(jī)本體的仿真模型。

5 結(jié)束語
    本文在分析了無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了一種基于TMS320LF2407A的永磁無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的解決方案。該方案充分利用DSP的強(qiáng)大運(yùn)算功能和豐富的內(nèi)部資源。并將模糊控制算法引入到控制系統(tǒng)中。仿真結(jié)果表明：該系統(tǒng)的控制波形符合理論分析，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，具有較好的靜、動(dòng)態(tài)特性。