基于DSP+CPLD的無刷直流電機(jī)三環(huán)控制設(shè)計(jì)

摘要：以先進(jìn)的TMS320F2812型數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)為主控制芯片，利用CPLD實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)(BLDCM)的邏輯換相，以位置環(huán)控制為主，速度環(huán)和電流環(huán)控制為輔，設(shè)計(jì)了一套BLDCM的三環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)數(shù)字電路與功率電路進(jìn)行光耦隔離，確保整個(gè)系統(tǒng)具有良好的電磁兼容性?？刂栖浖捎枚ㄖ芷诳刂疲h(huán)等待中斷發(fā)生。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，具有良好的動(dòng)、靜態(tài)特性，且實(shí)時(shí)性強(qiáng)。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；三環(huán)控制；數(shù)字信號(hào)處理器

1 引言
    現(xiàn)有的BLDCM控制系統(tǒng)大多采用單環(huán)控制，很難同時(shí)滿足系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性的要求。此處采用TMS320F2812型DSP為主控制芯片，采用EPM3128ATC100-10型CPLD實(shí)現(xiàn)BLDCM的邏輯換相與速度計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的三環(huán)控制。

2 系統(tǒng)組成和工作原理
    三相BLDCM的三環(huán)控制框圖如圖1所示。

    最內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，次內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，最外環(huán)為位置環(huán)。該三環(huán)控制以位置控制為最終目標(biāo)，給定位置與位置反饋量形成偏差，經(jīng)位置調(diào)節(jié)后產(chǎn)生速度參考量，它與速度反饋量的偏差經(jīng)速度調(diào)節(jié)后形成電流參考量，它與電流反饋量的偏差經(jīng)電流調(diào)節(jié)后形成PWM占空比的控制量，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的速度控制，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的位置控制。
    系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

    BLDCM的三環(huán)控制系統(tǒng)的基本工作原理為：①電機(jī)控制系統(tǒng)與上位機(jī)通過通訊單元進(jìn)行實(shí)時(shí)通信；②DSP接收位置反饋信號(hào)、電流反饋信號(hào)、速度反饋信號(hào)后，根據(jù)位置指令和位置反饋信號(hào)形成的偏差信號(hào)進(jìn)行控制律的計(jì)算，輸出電機(jī)控制信號(hào)；③CPLD對(duì)電機(jī)霍爾信號(hào)和電機(jī)控制信號(hào)進(jìn)行邏輯處理產(chǎn)生6路控制功率管開關(guān)的相序，通過隔離電路輸入驅(qū)動(dòng)電路；④驅(qū)動(dòng)電路采用三相全橋方式，采用上橋臂調(diào)制方式，采用驅(qū)動(dòng)芯片IR2130控制逆變電路MOSFET功率管的開通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的PWM控制；⑤電機(jī)電流經(jīng)過電流采樣電路與隔離放大電路后，送入DSP，形成電流環(huán)。CPLD接收電機(jī)霍爾信號(hào)，經(jīng)計(jì)算得到電機(jī)速度信息，送入DSP，形成速度環(huán)。電機(jī)輸出帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，位置傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置信息，通過位置采樣、放大電路反饋給DSP，實(shí)現(xiàn)位置環(huán)。
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3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3．1 DSP芯片
    系統(tǒng)選用TMS320F2812型DSP，TMS320F2812實(shí)行低功耗設(shè)計(jì)，I／O引腳電壓3．3 V，內(nèi)核電壓1．8 V，最高主頻150 MHz，最小指令周期6．67 ns，外部采用低頻時(shí)鐘，通過片內(nèi)鎖相環(huán)進(jìn)行倍頻。SCI外設(shè)接口可方便地與上位機(jī)進(jìn)行RS-422串口通訊。
3．2 CPLD
    此處選用EPM3128ATE100-10型CPLD，具有2 500個(gè)可用門，128個(gè)宏陣列，最多可用I／O口為80個(gè)，可滿足系統(tǒng)的需要。系統(tǒng)中CPLD主要功能是對(duì)電機(jī)霍爾位置信號(hào)和DSP給出的PWM信號(hào)和電機(jī)轉(zhuǎn)向信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合處理，產(chǎn)生控制功率管開關(guān)的相序，使電機(jī)的三相電樞繞組按一定順序?qū)◤亩鴮?shí)現(xiàn)對(duì)BLDCM的控制。
    系統(tǒng)中CPLD另外一個(gè)功能是根據(jù)電機(jī)霍爾位置信號(hào)計(jì)算電機(jī)速度。對(duì)于只有一對(duì)極的三相BLDCM，每個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)子有6次換相，即轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)
過60°機(jī)械角都有一次換相。測(cè)得每?jī)纱螕Q相的時(shí)間間隔為△t，就可根據(jù)公式ω=60°／△t計(jì)算出兩次換相間隔間的平均角速度。
3．3 功率驅(qū)動(dòng)電路
    采用三相全橋驅(qū)動(dòng)，上橋臂功率MOSFET管進(jìn)行PWM的方式控制。功率元件采用N溝道MOSFET管IRF250，驅(qū)動(dòng)元件采用柵極驅(qū)動(dòng)專用電路IR2130，其獨(dú)有的HVIC技術(shù)使得它可以用來驅(qū)動(dòng)工作在母線電壓高達(dá)600 V的電路中的MOSFET器件。

    圖3為功率驅(qū)動(dòng)電路示意圖。Rx為電流采樣電阻，對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行采樣。Rx應(yīng)選取溫度系數(shù)小的電阻，且阻值也應(yīng)盡量小，系統(tǒng)選用0．05 Ω／4 W的固定線繞電阻。R1和R2構(gòu)成分壓網(wǎng)絡(luò)，采樣信號(hào)經(jīng)過電阻輸入到電流比較器的輸入端ITRIP，當(dāng)主電路發(fā)生過流或橋臂直通(ITRIP端輸入電平高于0．5 V)時(shí)，IR2130內(nèi)部保護(hù)電路使其輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)全為低電平，從而使被驅(qū)動(dòng)功率管全部截止。故障輸出端FAULT變?yōu)榈碗娖?，二極管VD1發(fā)光報(bào)警。FAULT端的輸出經(jīng)過R3，R4組成的分壓網(wǎng)絡(luò)接入DSP的功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷輸入引腳PDPINTA，PDPINTA是一個(gè)下降沿有效的中斷，有效時(shí)將事件管理器A的PWM輸出引腳置為高阻態(tài)。S1’～S6’為來自CPLD并經(jīng)過光耦隔離的控制信號(hào)。
3．4 其他硬件電路設(shè)計(jì)
    電機(jī)在啟動(dòng)與換向過程中，會(huì)產(chǎn)生較大幅度的電流，電機(jī)功率供電地會(huì)產(chǎn)生較大幅度的毛刺。為了使整個(gè)系統(tǒng)具有良好的電磁兼容性，數(shù)字電路地與電機(jī)功率地應(yīng)完全分開。
    信號(hào)地和功率地的隔離由光耦實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)選用多路高速光耦HCPL5631。CPLD輸出的6路控制信號(hào)經(jīng)光耦隔離輸入功率驅(qū)動(dòng)電路，如圖4所示。

    電流環(huán)的組成包括電流采樣與處理。圖3中，Rx對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行采樣。采樣后的電流值變?yōu)殡妷褐担?jīng)過線性光耦，輸入DSP的A／D單元，完成對(duì)電流的采樣。
    位置傳感器采用電位器，可輸出反映位置信息的電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)過阻容網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器等組成的濾波、放大環(huán)節(jié)，輸入DSP的A／D單元，完成對(duì)位置的采樣。
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4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)采用C語(yǔ)言按模塊化編寫軟件，主程序流程圖如圖5a所示。CPU定時(shí)器0采用定時(shí)周期中斷，定時(shí)器中斷程序流程圖如圖5b所示。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    圖6示出實(shí)驗(yàn)波形。

    此處采用上述硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方案，選用稀土永磁BLDCM作為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行研究，電機(jī)額定功率為320W，空載轉(zhuǎn)速為15000r·min-1。根法，測(cè)試該系統(tǒng)在1°階躍和10 Hz正弦信號(hào)指令下的響應(yīng)曲線，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。其結(jié)果表明，該系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)具有良好的響應(yīng)。

6 結(jié)論
    采用位置、速度、電流三閉環(huán)控制方式，完成了基于DSP+CPID的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。充分利用DSP的高速運(yùn)算能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)資源，及CPLD強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算能力，使該控制系統(tǒng)具備了較好的快速性與穩(wěn)定性，同時(shí)由于速度環(huán)與電流環(huán)的存在，使系統(tǒng)的可靠性與動(dòng)態(tài)性能大大提高，在實(shí)際應(yīng)用及理論研究方面均具有重要意義。