基于DSP的兩相無刷直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

0 引 言

稀土永磁無刷直流電機采用高性能的稀土永磁材料和非接觸換相技術(shù)，體積小，效率高，無電火花，工作可靠，同時又具有類似普通直流電動機的調(diào)速性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、精密儀器和工業(yè)控制自動化等領(lǐng)域。無刷直流電機采用電子換相裝置，沒有機械電刷；采用永磁體轉(zhuǎn)子，沒有激磁損耗；發(fā)熱的電樞繞組置于外圍的定子上，散熱性好，效率高，過載能力強，無換相火花，在高轉(zhuǎn)速領(lǐng)域尤為適合，是高速電機的一個重點發(fā)展方向。

目前，在一些特殊領(lǐng)域，對電機體積、連線數(shù)目以及可靠性等方面有著嚴格要求，在這些場合，無位置傳感器無刷直流電機(BLDCM)就成了理想的選擇。課題利用DSP，CPLD等數(shù)字化設(shè)計技術(shù)構(gòu)建了一個體積較小的高轉(zhuǎn)速、高可靠性電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用兩相無刷直流電機，以無位置傳感器方式，用電機繞組的反電勢作為信號，由CPLD生成電機換相時序，通過硬件啟動和鎖相環(huán)跟蹤，實現(xiàn)對無刷直流電機的穩(wěn)速控制。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)和電子控制線路簡單、運行可靠、維護方便等特點。

1 無刷直流電機的數(shù)學(xué)模型

以兩相導(dǎo)通、三相星形六狀態(tài)為例，無刷直流電機三相繞組的電壓平衡方程為：

式中：uA，uB，uC為定子相繞組電壓；eA，eB，eC為定子相繞組電動勢；iA，iB，iC為定子相繞組電流；L為定子每相繞組自感；M為定子每兩相繞組間的互感；R為三相定子電阻；p為微分算子。

由式(1)可以得到永磁無刷直流電動機的等效電路模型，如圖l所示。

定子繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩表達式為：

永磁無刷直流電機轉(zhuǎn)子運動方程為：

式中：Tn為電磁轉(zhuǎn)矩；TL為負載轉(zhuǎn)矩；B為阻尼系數(shù)；ω為電機機械轉(zhuǎn)速；J為轉(zhuǎn)動慣量。

2 控制系統(tǒng)的控制策略和硬件組成

2．1 控制系統(tǒng)的控制策略

系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，用數(shù)字器件構(gòu)成速度控制部分，電流環(huán)采用傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器。DSP作為中央控制器，發(fā)出各種指令，并構(gòu)成速度回路的PI調(diào)節(jié)器，可以進行智能PID控制； CPLD一部分構(gòu)成鎖相環(huán)用以檢測輸入頻率與反饋頻率的誤差值，另一部分利用電樞反電勢產(chǎn)生逆變器的換相控制信號。系統(tǒng)的控制原理框圖如圖2所示。

2．2 控制系統(tǒng)的硬件組成

無刷直流電機控制系統(tǒng)的硬件連接框圖如圖3所示，主要由無刷直流電機、逆變器、控制器和電源等組成。

由于電機的轉(zhuǎn)速較高，達到19 500 r／min，所以采用運算速度較快的大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?CPLD)進行速度反饋和電機換相信號的處理，TMS320F2812(DSP)構(gòu)成速度控制器。電機的速度反饋量經(jīng)CPLD的內(nèi)置鎖相環(huán)74LS297處理，產(chǎn)生偏差量輸入DSP進行速度回路校正，經(jīng)4通道、12位分辨率的D／A轉(zhuǎn)換器 DAC7724輸給電流控制器，經(jīng)電流校正后進入逆變器，EPM7128S(CPLD)接收電機繞組的反電勢產(chǎn)生控制4組功放開關(guān)的導(dǎo)通信號。電機有A， B兩個繞組，兩個繞組依次正、反導(dǎo)通，按照A-B-A-B的順序連續(xù)給定子繞組通電，則轉(zhuǎn)子就以一定的轉(zhuǎn)速順時針旋轉(zhuǎn)。

控制系統(tǒng)的DSP核心控制部分的硬件電路連接圖如圖4所示。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件由DSP程序和CPLD程序兩部分組成。進行軟件設(shè)計時，先進行系統(tǒng)分析，將整個程序按功能需求劃分子模塊。考慮到控制系統(tǒng)的實時性要求，采用中斷方式編程，整個DSP軟件系統(tǒng)由一個主程序和若干中斷服務(wù)程序組成。

主程序的作用主要是對系統(tǒng)進行初始化，包括對DSP本身寄存器、中斷、定時器、GPIO等進行初始化。初始化DSP，使其內(nèi)部產(chǎn)生工作時鐘；初始化DSP 內(nèi)部模塊；禁止全局中斷，初始化中斷向量表，根據(jù)需要對中斷進行設(shè)置；打開全局中斷，進入循環(huán)等待主程序，等待內(nèi)部和外部中斷信號。中斷子程序完成轉(zhuǎn)速環(huán)的校正控制任務(wù)。DSP中斷子程序的流程圖如圖5所示。

CPLD部分完成電機的換相處理和速度反饋控制功能，采用圖形化設(shè)計和VHDL語言混合設(shè)計完成時序部分的編寫。CPLD接收電機繞組反電勢，經(jīng)片內(nèi)邏輯電路處理，形成4路逆變器的導(dǎo)通控制信號，用以控制電機繞組的加電順序；通過CPLD內(nèi)置的數(shù)字鎖相環(huán)74LS297進行鎖相處理，完成對電機轉(zhuǎn)速的恒定控制。利用CPLD將鎖相環(huán)和換相處理電路封裝在一起，形成一個完整的速度反饋控制模塊。CPLD部分程序流程圖如圖6所示。

4 控制系統(tǒng)仿真及其結(jié)果比較分析

在進行了VHDL描述和編譯后，就可應(yīng)用EDA軟件進行時序功能仿真。功能仿真是在QuartusⅡ軟件開發(fā)環(huán)境下進行的，時序仿真波形如圖7所示。

對速度控制器進行仿真，采用Matlab仿真軟件進行，得到的模擬系統(tǒng)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖8所示。

采用雙線性變換法將連續(xù)系統(tǒng)離散化，得到的數(shù)字系統(tǒng)速度響應(yīng)曲線如圖9所示。

圖中：n為電機轉(zhuǎn)動速度；r為電機轉(zhuǎn)數(shù)。

實驗結(jié)果表明，改進后的數(shù)字系統(tǒng)的速度響應(yīng)指標(biāo)：上升時間、調(diào)節(jié)時間、超調(diào)量等均獲得了改善，系統(tǒng)有著較好的快速性和穩(wěn)定性。

5 結(jié) 語

在分析無刷直流電機運行原理的基礎(chǔ)上，提出了基于TMS320F2812的無刷直流電機控制系統(tǒng)解決方案，充分利用DSP的強大功能，使系統(tǒng)獲得較高的控制精度和動靜態(tài)特性。將鎖相速度控制應(yīng)用于無刷直流電機系統(tǒng)，將模擬和數(shù)字系統(tǒng)的仿真結(jié)果加以比較和分析，證明本系統(tǒng)具有較強的魯棒性和自適應(yīng)能力，實現(xiàn)了對電機輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制，改善了電機的調(diào)速性能。