基于DSP的無刷直流電機控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計

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，無刷直流電動機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)速不受機械換向所限制，可維護性強，安全性高等諸多優(yōu)點，而被人們廣泛應(yīng)用于光驅(qū)、智能機器人、電動交通工具等領(lǐng)域。DSP(數(shù)字信號處理器)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，已廣泛應(yīng)用在控制領(lǐng)域中。本文提出了一種基于DSP的無刷直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。該設(shè)計結(jié)合模糊控制方法來實現(xiàn)無刷直流電動機的智能化控制。

1 無刷直流電機的數(shù)學(xué)模型
    根據(jù)物理學(xué)公式，單根導(dǎo)體在磁場中切割磁力線運動時，所產(chǎn)生的電動勢e為：
   
    式中，B為磁場感應(yīng)強度，l為磁場中導(dǎo)體的有效長度，v為導(dǎo)體垂直于磁力線運動的線速度。在電機中，v與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為：
   
    這樣，無刷直流電機在運行過程中所感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小為：
   
    式中，E為無刷直流電動機產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢；p為電機的極對數(shù)；α為極弧系數(shù)；W為點數(shù)繞組每一相的繞線匝數(shù)；ψ為每一極的磁通量；n為電機的轉(zhuǎn)速。
    假設(shè)無刷直流電動機的繞組采用三相星型結(jié)構(gòu)，定子三相完全對稱，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。同時忽略電樞繞組之間產(chǎn)生的互感，電機的氣隙磁導(dǎo)均勻，磁路不飽和，并忽略渦流損耗。則無刷直流電動機的數(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分別為電動機的三相感應(yīng)電勢；ia、ib、ic分別為三相繞組流過的電流。這樣，其電磁轉(zhuǎn)矩的表達式可以表示為：
   
    而根據(jù)運動學(xué)定律。電磁轉(zhuǎn)矩的表達式也可以表示為：
   
    式中，T1為電動機的負載轉(zhuǎn)矩，J為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，Z為電機轉(zhuǎn)動的阻尼系數(shù)。

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

2．2 功率驅(qū)動部分設(shè)計
    圖2所示是本文所介紹的三相無刷直流電機的功率變換橋路電路圖。圖中共使用了6個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的電子換相器，其完成的功能與傳統(tǒng)的有刷直流電機的換相器的功能一致。電阻R107作為過電流保護功能的采樣電阻。其實是一個小型的錳銅分流器，取值0．01Ω，可保證平時在正常工作電流以及額定啟動電流通過電阻時，不會產(chǎn)生大的電壓，而當(dāng)電機堵轉(zhuǎn)、某處短路或者上下MOSFET同時導(dǎo)通短路時，該電阻則可產(chǎn)生大電流，當(dāng)在此電阻上的壓降達到一定程度時，電路可迅速激活過電流保護電路以停止所有MOSFET的工作，同時斷開主電路電源，防止事態(tài)進一步惡化。[!--empirenews.page--]

2．3 DSP部分設(shè)計
    根據(jù)對電機數(shù)學(xué)模型進行的分析。為實現(xiàn)對無刷直流電機轉(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)字信號處理器不但具有高速信號處理和數(shù)字功能所必需的體系結(jié)構(gòu)的特點，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，也對電機的數(shù)字化控制非常有用，此外，該數(shù)字信號處理器(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信號檢測設(shè)計
    通過專用高端電流測量芯片AD8206以及高精度采樣電阻可以完成對A／D信號的檢測功能。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，這樣即可通過檢測采樣電阻之上的電壓來檢測出各相電樞繞組上通過的電流。測試每相相對于地電壓的方法比較簡單，可以用電阻分壓法測試，A、B、C三相線圈上的電壓在U、V、W測試點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
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)保護任務(wù)、模糊控制計算任務(wù)、電機控制任務(wù)、通信任務(wù)等。任何時刻都只能有一個子任務(wù)被系統(tǒng)調(diào)度選中而進入系統(tǒng)的主循環(huán)中運行，此時，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。每一個子任務(wù)都是以一個死循環(huán)的函數(shù)形式出現(xiàn)并供系統(tǒng)調(diào)用，每個子任務(wù)的死循環(huán)的打斷和切換一般都以系統(tǒng)節(jié)拍時鐘為準。由系統(tǒng)調(diào)度器決定的、合適下一個應(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個模糊子集，即模糊語言變量{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，簡記{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信號，可采用如下的模糊推力規(guī)則：
   
    由于e和ec各有一個模糊子集，所以，共有49條模糊規(guī)則，其具體規(guī)則如表1所列。[!--empirenews.page--]

3．3 系統(tǒng)參數(shù)采樣
    電壓電流采樣單元共采集7個數(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)分別對應(yīng)A／D中的7個采樣通道。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。假如被控電機的最高轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)／分，即50轉(zhuǎn)／秒，且每一個電周期中有6個換相區(qū)間，那么，為了保證換相控制精度<15°，每個換相區(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是一個可進行動態(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所示是一個無刷直流電機本體的仿真模型。

5 結(jié)束語
    本文在分析了無刷直流電機數(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控制系統(tǒng)的解決方案。該方案充分利用DSP的強大運算功能和豐富的內(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，整個系統(tǒng)運行平穩(wěn)，具有較好的靜、動態(tài)特性。