基于DSP無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引 言

眾所周知，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能好，但存在機(jī)械換向裝置易造成換向火花、電磁干擾及需要定期維護(hù)等不足；同步電動(dòng)機(jī)效率高，功率因數(shù)可調(diào)，但存在啟動(dòng)困難，重載時(shí)易振蕩失步等問(wèn)題。

隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和新型永磁材料的不斷發(fā)展，為提出一種利用電子換向原理實(shí)現(xiàn)永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制創(chuàng)造了條件。特別是近幾年推出的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)芯片，解決了原來(lái)微處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單片微處理速度達(dá)不到實(shí)時(shí)系統(tǒng)控制的要求，為無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的復(fù)雜算法提供了軟硬件基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

無(wú)刷電動(dòng)機(jī)屬于一種自控同步電動(dòng)機(jī)，它主要由DSP電機(jī)專用高速處理器芯片、轉(zhuǎn)子位置傳感器、邏輯驅(qū)動(dòng)電路、功率電子開(kāi)關(guān)、電流和電壓檢測(cè)等裝置組成。DSP控制的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，無(wú)刷電動(dòng)機(jī)定子繞組為星形接法；DSP控制芯片ADMCF328驅(qū)動(dòng)專用集成芯片IR2130；逆變橋采用三相橋式電路；轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器利用霍爾元件檢測(cè)，并利用位置信號(hào)估算轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子采用永磁體，產(chǎn)生直軸位置的勵(lì)磁磁場(chǎng)，定子為電樞繞組，通過(guò)功率控制器控制各相繞組的通斷狀態(tài)而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。設(shè)計(jì)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如果選擇轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器，當(dāng)電動(dòng)機(jī)定子電樞系統(tǒng)直接由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制。當(dāng)電動(dòng)機(jī)速度降低時(shí)，位置檢測(cè)器的輸出信號(hào)頻率也降低，電樞電流頻率及其旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度也隨之降低，但若使電樞磁場(chǎng)與勵(lì)磁磁場(chǎng)的相對(duì)位置仍保持不變，則電動(dòng)機(jī)就不會(huì)失步。同時(shí)，由無(wú)刷電動(dòng)機(jī)調(diào)速特性可知，調(diào)節(jié)直流電壓Ud的大小，可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速性能，這與有刷直流電動(dòng)機(jī)有相似的機(jī)械特性。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)采用速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，兩個(gè)反饋環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器都采用PID數(shù)字調(diào)節(jié)器，如圖2所示。計(jì)算電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的目的是為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和計(jì)算出電樞電流的指令值。在直流母線上采集電流調(diào)節(jié)器的采樣信號(hào)，采樣信號(hào)與前端值比較計(jì)算后輸出給PWM同步調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器的計(jì)算除了調(diào)節(jié)器設(shè)定的PID參數(shù)KP，kI和kD外，還要設(shè)定PWM周期參數(shù)等。

2．2 DSP控制板

DSP控制板由ADI公司生產(chǎn)的專用DSP芯片ADMCF328、硬件控制與恢復(fù)電路等組成。ADM-CF、328芯片具有強(qiáng)大、快速的處理能力，主要完成控制算法的處理、PWM輸出、模／數(shù)轉(zhuǎn)換、與上位機(jī)通信和輸出顯示等功能。

該芯片只有28個(gè)外部引腳，縮小了控制板尺寸，提高了系統(tǒng)的可靠性，而且具有價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。芯片的內(nèi)部集成了一個(gè)具有反向功能的5倍放大器，用于精確的電流采樣，實(shí)現(xiàn)電流的閉環(huán)控制。芯片與IR2130驅(qū)動(dòng)電路、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器、鍵盤和計(jì)算機(jī)等外設(shè)備連接，可實(shí)現(xiàn)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)控制和運(yùn)行監(jiān)視。

2．3 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器

轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器是無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的重要組成部分，常用的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器有電磁感應(yīng)式、光電式、霍爾開(kāi)關(guān)式和接近開(kāi)關(guān)式。高性能的無(wú)刷電機(jī)位置檢測(cè)器、磁電碼盤和旋轉(zhuǎn)變壓器式，可根據(jù)實(shí)際控制系統(tǒng)的要求予以選擇。

該系統(tǒng)選用霍爾開(kāi)關(guān)式轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器，具有性價(jià)比高的特點(diǎn)。它的工作原理是：在霍爾元件的輸入端通入控制電流，當(dāng)霍爾元件受到外磁場(chǎng)作用時(shí)，輸出端便有了信號(hào)輸出，根據(jù)霍爾元件的控制信號(hào)便可判斷轉(zhuǎn)子磁極的位置。同時(shí)利用定時(shí)器確定相鄰兩次霍爾位置狀態(tài)變化所需的時(shí)間，就可以估算出轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)數(shù)和轉(zhuǎn)向。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與上述硬件電路密切相關(guān)。軟件程序設(shè)計(jì)主要包括主程序和中斷服務(wù)子程序。主程序主要完成ADFVCF328的初始化、變量與常量參數(shù)的設(shè)置等。主程序?qū)嶋H上是進(jìn)入一個(gè)查詢過(guò)程，程序不斷查詢電壓狀態(tài)、電流狀態(tài)，更新標(biāo)志并調(diào)入換相服務(wù)子程序，給電動(dòng)機(jī)相應(yīng)的定子繞組通電。中斷服務(wù)子程序主要完成ADC轉(zhuǎn)換，測(cè)量電機(jī)定子電流、直流電壓、PID數(shù)字比較運(yùn)算，確定PWM占空比、PMW周期中斷，計(jì)算及更新PWM寄存器的值。軟件程序設(shè)計(jì)還要考慮轉(zhuǎn)子位置傳感器、霍爾元件信號(hào)接口的初始化及功能設(shè)計(jì)、PID數(shù)字反饋系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定等。

由于ADMCF328芯片數(shù)字PIO口以串口多路復(fù)用，因此選擇引腳時(shí)要特別注意。圖3給出了無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中部分主程序和中斷服務(wù)子程序的軟件程序框圖。

DSP芯片軟件編程一般分為兩部分：首先用匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言編寫(xiě)DSP程序編譯、匯編并鏈接成為可執(zhí)行的DSP程序；然后利用代碼調(diào)試工具對(duì)生成的可執(zhí)行的：DSP程序進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。該控制系統(tǒng)可以根據(jù)軟件程序框圖編寫(xiě)DSP程序代碼清單。

4 結(jié) 語(yǔ)

利用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)電機(jī)專用高速芯片ADMCF328、轉(zhuǎn)子位置傳感器、專用集成芯片IR2130、功率電子開(kāi)關(guān)、電流和電壓檢測(cè)裝置等設(shè)計(jì)的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，具有效率高，功率因數(shù)可調(diào)，啟動(dòng)方便和重載時(shí)不失步等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)刷電動(dòng)機(jī)選用新型永磁材料和DSP電機(jī)專用高速處理器芯片，解決了原來(lái)微處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單片微處理器速度達(dá)不到實(shí)時(shí)系統(tǒng)控制要求的不足。用Matlab/Simulink軟件對(duì)無(wú)刷電動(dòng)控制系統(tǒng)搭建了仿真模型。仿真輸出的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和電流波形及數(shù)據(jù)證明，該控制系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)性能好，擾動(dòng)作用下運(yùn)行穩(wěn)定，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良。