基于dsPIC30F3010的無刷直流電動機控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：針對電機應(yīng)用場合、體積縮小與節(jié)約成本等諸多問題，采用反電動勢過零點檢測方法，設(shè)計了基于dsPIC30F3010芯片的無刷直流電機無位置傳感器控制系統(tǒng)。分析了dsPIC30F3010外圍電路，逆變及其驅(qū)動電路。反電動勢檢測電路，電流采樣與過流保護電路，開發(fā)了主程序和中速事件處理程序，并給出了電機正常運行時端電壓的波形。實驗結(jié)果表明系統(tǒng)能夠控制電機順利起動，而且實現(xiàn)了電機正確的換相和正常運行，證明了系統(tǒng)設(shè)計的可行性。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機；反電動勢(BEMF)；無位置傳感器；數(shù)字信號控制器

    無刷直流電動機(BLDCM)是隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型電動機，具有可靠性高，易維護等一系列優(yōu)點，在家用電器和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。就其基本結(jié)構(gòu)而言，無刷直流電動機可以認為是一個由電機本體、轉(zhuǎn)子位置檢測電路以及電子開關(guān)電路三者共同組成的“電動系統(tǒng)”。
    無刷直流電動機電子開關(guān)線路是用來控制電動機定子上各相繞組通電的順序和時間的，主要由功率邏輯開關(guān)單元和位置傳感器信號處理單元兩個部分組成。功率邏輯開關(guān)單元是控制電路的核心，其功能是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給無刷直流電動機定子上各相繞組，以便使電動機產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。而各相繞組導(dǎo)通的順序和時間主要取決于來自轉(zhuǎn)子位置檢測電路的轉(zhuǎn)子位置信號。但轉(zhuǎn)子位置檢測電路所產(chǎn)生的信號一般不能直接用來控制功率邏輯開關(guān)單元，往往需要經(jīng)過一定邏輯處理(功率放大)后才能去控制邏輯開關(guān)單元。
    無刷直流電機的無位置傳感器控制的難點在于轉(zhuǎn)子位置信號的檢測。國內(nèi)外研究人員提出了諸多方法，典型的方法有：反電動勢法、三次諧波檢測法、電感檢測法和擴展卡爾曼濾波法等。三次諧波檢測法在高速時能夠準(zhǔn)確快速地估計轉(zhuǎn)子位置，但是當(dāng)電機的轉(zhuǎn)速低于某個值時，檢測到的三次諧波嚴(yán)重畸變，不能準(zhǔn)確估計轉(zhuǎn)子的位置。電感檢測法需要對繞組電感進行不斷的實時檢測，實現(xiàn)難度較大。擴展卡爾曼濾波器法計算繁瑣，對微機性能要求較高，實現(xiàn)較麻煩。反電動勢過零點檢測法通過檢測各相反電動勢的過零點，延遲30°電角度，獲得相應(yīng)的換相時刻，該方法雖然存在低速時難以得到有效的轉(zhuǎn)子位置信號，由RC濾波電路引起的過零點相移等缺點，但該方法是目前技術(shù)最成熟，實現(xiàn)最簡單，應(yīng)用最廣泛的轉(zhuǎn)子位置檢測方法。
    普遍采用的控制方案為基于DSP的控制和基于專用集成電路的控制等，受芯片功能、速度和結(jié)構(gòu)的限制，硬件設(shè)計中往往需要較多的外圍電路，導(dǎo)致裝置的整體集成度不高，硬件開發(fā)相對復(fù)雜。本文采用反電動勢過零點檢測方法，設(shè)計了基于dsPIC30F3010芯片的無刷直流電機無位置傳感器控制系統(tǒng)，將高性能16位單片機的控制特點和DSP高速運算的優(yōu)點相結(jié)合，為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計提供了合適的單芯片、單指令流的解決方案，其結(jié)構(gòu)簡單，運行性能良好。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    本無刷直流電動機無位置傳感器控制系統(tǒng)的硬件以美國微芯公司(Microchip)生產(chǎn)的數(shù)字信號控制器dsPIC30F3010為核心控制器。dsPIC 30F3010具有6路10位A／D、專門針對電機設(shè)計的6路PWM模塊、5路16位定時器、24 kB Flash程序存儲器以及1 kB RAM。dsPIC30F系列器件采用功能強大的16位架構(gòu)，無縫集成了單片機(MCU)的控制功能和數(shù)字信號處理器的計算能力。因此是以高速、重復(fù)計算和控制為基礎(chǔ)的應(yīng)用的理想選擇。
1．1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計
    系統(tǒng)硬件電路由主電路、驅(qū)動電路、過零點檢測電路、采樣電路、各種保護電路組成。dsPIC30F3010控制器首先通過反電動勢檢測法獲得轉(zhuǎn)子的位置信號，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置發(fā)出相應(yīng)的控制字來改變PWM信號的當(dāng)前值，從而改變直流電動機驅(qū)動電路中功率管的導(dǎo)通順序，實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速的控制。然后系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置和間隔時間測出電機轉(zhuǎn)速。將檢測到的各相的電流轉(zhuǎn)換成電壓信號降壓后輸入到DSC的A／D轉(zhuǎn)換器，其值與經(jīng)速度調(diào)節(jié)后產(chǎn)生的電流參考值比較，形成PWM占空比的控制量，來改變直流無刷電機電樞電流，從而達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。控制系統(tǒng)中采用全橋PWM調(diào)節(jié)方式，通過改變PWM控制脈沖的占空比來調(diào)節(jié)輸入無刷直流電機的平均直流電壓，以達到調(diào)速的目的。整個系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

1．2 dsPIC30F3010外圍電路的設(shè)計
    圖2為控制芯片dsPIC30F3010及其外圍電路圖。圖中上接的是復(fù)位電路，S1是復(fù)位按鈕，通過上拉電阻R2，這樣VPP／MCLR引腳可置低電平來復(fù)位PIC單片機；S2為啟停按鈕，控制電機啟停；SW1為調(diào)試／編程開關(guān)，閉合SW1即可切換到MPLAB ICD時鐘線和數(shù)據(jù)線進行編程；HA，HB，HC為三相電壓反饋；VBUS、IMOTOR接口分別是電機母線電壓與電流的輸入接口；在電路上通過一個可調(diào)電阻串一個電阻到地的方式，作為給定轉(zhuǎn)速的設(shè)置。其中所串的小電阻，讓AD無法讀到0這么低的值，規(guī)避了給定轉(zhuǎn)速下限的問題。用RB3／AN3、RB4／AN4、RB5／AN5實現(xiàn)電機端電壓檢測，得到反電動勢過零點。PWM1L／YPWM1H、PWM2L／PWM2H、PWM3L／PWM3H分別是A、B、C三相逆變橋電路上、下橋臂開關(guān)信號接口，采用PWM模塊控制6個MOSFET通斷，實現(xiàn)換相。

[!--empirenews.page--]
1．3 逆變及其驅(qū)動電路的設(shè)計
    逆變及驅(qū)動電路如圖3所示。主電路采用三相橋式逆變電路，由控制部分產(chǎn)生六路的PWM脈沖，分別送到三片IR2101的2、3管腳，經(jīng)IR21 01內(nèi)部處理產(chǎn)生兩個驅(qū)動信號驅(qū)動一個橋臂的兩個功率MOS管。C15是自舉電容，為上橋臂功率管驅(qū)動的懸浮電源存儲能量，D1的作用防止上橋臂導(dǎo)通時的直流母線電壓到IR2101的電源上而使器件損壞，因此應(yīng)有足夠的反向耐壓，當(dāng)然由于D1與C15串聯(lián)，為了滿足主電路功率管開關(guān)頻率的要求，D1應(yīng)選快速恢復(fù)二極管，而且自舉電容容量取決于被驅(qū)動功率器件的開關(guān)頻率、占空比以及充電回路電阻，必須保證電容充電到足夠的電壓。在本電路中，自舉電容選的是2．2μF的電解電容。R30、R31、R32和R33作為限流電阻，防止驅(qū)動信號電流過大，損壞器件。

    圖3中僅為聯(lián)接電動機A相繞組橋臂的驅(qū)動電路。同理，聯(lián)接另外兩相繞組的橋臂驅(qū)動電路類似。
1．4 反電動勢檢測電路的設(shè)計
    無刷直流電動機穩(wěn)態(tài)運行時，忽略電機電樞反應(yīng)，通過檢測關(guān)斷相反電動勢的過零點來獲得永磁轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵位置信號，從而可以控制繞組電流的切換，實現(xiàn)電機的運轉(zhuǎn)。
    由無刷直流電機結(jié)構(gòu)知，反電動勢過零點與轉(zhuǎn)子位置有對應(yīng)關(guān)系，通過對定子繞組上反電動勢的檢測得到過零點，就可以得到轉(zhuǎn)子位置信息。在PWM導(dǎo)通期間，懸空繞組的端電壓等于反電勢與1／2電源電壓的疊加，檢測處于不通電相繞組的端電壓，其值等于電源電壓的一半時為反電動勢過零點信號。如果能夠準(zhǔn)確地檢測到反電勢的過零點信號，即可判斷出轉(zhuǎn)子的位置，經(jīng)過π／6電弧度延時處理后，可確定出換相時刻，再根據(jù)功率管的導(dǎo)通順序觸發(fā)相應(yīng)的功率管以實現(xiàn)無刷直流電機的換相，保證電機按固定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

    假設(shè)速度大于零，則每個電周期中某相的BEMF為零的位置只有兩個，如圖4所示，通過過零點時BEMF的斜率來區(qū)分這些位置。每一段對應(yīng)電周期中的一個60°部分(共有6個相等的60°部分)。換相發(fā)生在每一段的邊界處，因此需要檢測段的邊界。BEMF過零點和需要換相的位置之間有30°的偏移，必須對其進行補償，以確保電機平穩(wěn)高效運轉(zhuǎn)。[!--empirenews.page--]

    三相反電動勢檢測電路圖如圖5所示。圖中畫出了3個檢測通道，分別是U、V、W三相反電動勢的檢測，其電路原理其實是簡單的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，主要是為了將較高的信號電壓降低，滿足單片機AD轉(zhuǎn)換輸入要求。3相電壓經(jīng)過22 kΩ與2．4 Ω電阻的分壓后，再經(jīng)過300 Ω電阻進入AN3，AN4，AN5這3個AD管腳，用AN3、AN4、AN5實現(xiàn)電機端電壓檢測，得到反電動勢過零點。在PWM開通期間，檢測處于不通電相繞組的端電壓，其值等于電源電壓的一半時為反電動勢過零點信號。
1．5 電流采樣與過流保護電路
    電流采樣與過流保護電路如圖6所示。為了獲得電機的電流反饋信息，在DC母線負電壓與地之間連接了一個低阻值的電流檢測電阻(25 mΩ)。由此電阻產(chǎn)生的電壓被一個外部運放(MCP6002)放大并反饋到ADC輸入(RB1)。

    dsPIC30／33的電機控制系列MCU，都有一個FLTA腳，當(dāng)?shù)玫降碗娖捷敵鰰r，可以關(guān)斷PWM的有效輸出，使之成為無效。這是一個硬件處理的機制，因此可以快速處理故障事件，以實現(xiàn)安全操作。通過與電流反饋電路相連接的比較器電路(U6)可以獲得故障輸入信號，且比較器門限值可通過電位器POT2進行調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    軟件設(shè)計包括DSC事件管理器初始化程序、電機起動程序、換相子程序、中斷服務(wù)程序、速度環(huán)和電流環(huán)的控制程序等。主要實現(xiàn)了電機的開環(huán)啟動、過零檢測、換相、以及轉(zhuǎn)速和電流閉環(huán)控制等。軟件設(shè)計是在Microchip公司的集成開發(fā)環(huán)境MPLAB IDE中完成的，控制程序用C30語言編寫。
    主程序是一個死循環(huán)結(jié)構(gòu)，用來完成dsPIC30F3010初始化、看門狗程序和中速事件處理程序。軟件結(jié)構(gòu)是以主程序為主，通過函數(shù)調(diào)用和全局變量與子程序進行參數(shù)傳遞。中速事件處理程序每10 ms循環(huán)一次，包括電機啟動、速度控制、電流A／D轉(zhuǎn)換及循環(huán)調(diào)用中斷服務(wù)子程序等，是整個系統(tǒng)最重要的程序。主程序流程，中速事件處理程序流程分別如圖7、8所示。

    軟件設(shè)計需注意以下4個問題：1)使用電機控制PWM模塊的特殊事件觸發(fā)器來啟動A／D信號轉(zhuǎn)換，可以使A／D轉(zhuǎn)換與PWM時基同步。2)應(yīng)舍棄換相后的最初幾個反電勢采樣點，這樣很容易避開相繞組的去磁問題，因為換相后繞組電流不會立即為零，要經(jīng)過一個續(xù)流過程下降為零。3)不對端電壓波形用硬件進行明顯濾波，而是由軟件根據(jù)PWM波形仔細地選取信號采樣點，可排除互耦PWM于關(guān)噪聲和不連續(xù)電流問題。4)使用QEI計數(shù)器記錄連續(xù)監(jiān)測到兩個端電壓過零點的時間，除以2即為30°電角度的時間，把此時間裝載到定時器2中，定時器2經(jīng)過30°電角度時間觸發(fā)中斷，調(diào)用換相子程序進行電子換相。
[!--empirenews.page--]
3 實驗結(jié)果
    以42BLF02型24 V，52 W，最大電流9．4 A，額定轉(zhuǎn)速為4 000 rpm的三相八極無刷直流電機為實驗對象，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)方式。實驗平臺以及電機穩(wěn)定運行時其中兩相端電壓波形分別如圖9、10所示。

    在硬件和軟件分別調(diào)試成功后，基于dsPIC30F3010芯片的無位置傳感器控制系統(tǒng)能夠控制電機順利起動，并且很好地實現(xiàn)了實驗電機的正確換相，保證了無刷直流電機正常運行。整套方案是切實可行的，試驗結(jié)果也是比較理想的。
    電機正常運行時端電壓波形如圖10所示，從圖中可以看出端電壓波形是較好的梯形波，與理論上的端電壓波形一致。在箭頭所指的60°電角度區(qū)間，該相繞組處于懸空狀態(tài)，而另兩相繞組處于工作狀態(tài)。由理論分析可知，在相不導(dǎo)通時，相端電勢等于相反電動勢與1／2電源電壓的疊加，從圖中可以看出，在相不導(dǎo)通時，反電動勢過零出現(xiàn)在相不導(dǎo)通時的中間位置，且有12 V的偏移量，與理論分析完全相同。

4 結(jié)論
    本系統(tǒng)在無刷直流電機無位置傳感器控制系統(tǒng)的軟硬件方面都采取了簡約的設(shè)計方案。通過實驗證明，采用上述控制技術(shù)，電機系統(tǒng)起動平穩(wěn)，無振動和失步現(xiàn)象。與采用單片機的同類系統(tǒng)相比，DSC控制系統(tǒng)能夠達到相當(dāng)?shù)墓δ芘c控制精度，而成本更低，簡化了硬件的設(shè)計，是無刷直流電動機控制器的理想選擇。