基于DSP的無刷直流電機控制系統(tǒng)研究
發(fā)布日期：2022/6/5點擊次數(shù)：631
基于DSP的無刷直流電機控制系統(tǒng)研究敖銀輝（廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州510090）制接口形成單片DSP控制的電機系統(tǒng)。使用霍爾元件檢測轉(zhuǎn)子磁極位置，形成電子換相邏輯。通過數(shù)字PI速度和電流控制器控制電機速度。最后給出了實驗結(jié)果和結(jié)論。
無刷直流電動機作為一種新型的無級變速電動機，不僅具有交流電機的體積小、重量輕、慣量小等特點，而且擁有直流電動機優(yōu)良的調(diào)速性能，但又沒有機械換向器的缺點，因此得到了廣泛的應(yīng)用。無論在數(shù)控機床、機器人等制造加工領(lǐng)域，還是家用電器如洗衣機、電腦硬盤等場合都日益受到重視111.以往的無刷直流電機多由單片機附加許多種接口設(shè)備構(gòu)成。不僅復雜，而且速度也受到限制，難于實現(xiàn)從位置環(huán)到速度、電流環(huán)的全數(shù)字控制，也不方便擴展。而應(yīng)用數(shù)字信號處理器（DSP）實現(xiàn)的電機伺服系統(tǒng)卻可以只用一片DSP就可以替代單片機和各種接口，且由于DSP芯片的快速運算能力，可以實現(xiàn)更復雜、更智能化的算法12；可以通過高速網(wǎng)絡(luò)接口進行系統(tǒng)升級和擴展；可以實現(xiàn)位置、速度和電流環(huán)的全數(shù)字化控制。
本文介紹使用TI公司的TMS320LF2407DSP為控制器，組成無刷直流電機的伺服控制系統(tǒng)。首先介紹了無刷直流電機的原理，然后給出了控制系統(tǒng)的框圖，說明軟硬件設(shè)計方法，最后給出了實驗結(jié)論。
1無刷直流電機的工作原理無刷直流電動機的本體基本上是一個永磁同步電動機，定子三相繞組通過交流方波，轉(zhuǎn)子為永磁體。勵磁由轉(zhuǎn)子的永磁體提供，定子的三相繞組中的交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。電樞磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢共同作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。仿照直流電機特性，如果兩個磁場始終垂直，則產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為****131.由于轉(zhuǎn)子是轉(zhuǎn)動的，其磁場方向也是旋轉(zhuǎn)的，因此必須通過控制三相定子的通電順序來改變定子磁場使其與轉(zhuǎn)子磁場基本垂直（即轉(zhuǎn)矩角為90°）。實際上，定子換相邏輯使其轉(zhuǎn)矩角的平均值為90°。首先應(yīng)知道目前轉(zhuǎn)子的位置，再根據(jù)換相要求確定三相定子的通電順序，這也就是無刷直流電動機需要轉(zhuǎn)子位置傳感器的原因。本實驗中轉(zhuǎn)子磁極位置由敷貼在定子鐵心表面的霍爾元件來檢測。
電機采用Y型連接，三對橋式逆變電路驅(qū)動（），工作在兩相導通三相六狀態(tài)方式。三個霍爾元件給出60°電角度位置信息，即它們互差120°脈沖寬度為180°。三個霍爾元件的組合在一個周期可給出6個狀態(tài)（另兩個狀態(tài)一般不出現(xiàn)），即每60°就變換一個不同的狀態(tài)。根據(jù)傳感器狀態(tài)信息，結(jié)合換相邏輯控制輸出連接到三相定子的PWM逆變器模塊的6個功率晶體管導通或截止，就可以滿足轉(zhuǎn)矩角要求，使轉(zhuǎn)子持續(xù)獲得穩(wěn)定電磁轉(zhuǎn)矩。由于任一時刻只有兩相導通，其電流大小相等，方向相反，因此可以認為其效果等同于直流電流。整體上，定子電流為方波，只要按照轉(zhuǎn)子的磁極位置進行適時的換相，就可以保持這種直流驅(qū)動的特性，又因為換向是通過電子電路或軟件而不是電刷完成，故稱其為無刷直流電動機。
定子三相換相順序（正轉(zhuǎn)）與霍爾傳感器的邏輯輸出之間的關(guān)系可由表1得Zll逆變器與定子繞組接線2無刷直流電機實驗控制表1傳感器信號與換相邏輯廣東工業(yè)大學學報系統(tǒng)構(gòu)成TI公司的TMS320LF2407是專門面向運動控制應(yīng)用的數(shù)字信號處理器，其上包含了電機控制應(yīng)用所需要的各個主要功能模塊。它不僅有16bit定點處理器內(nèi)核，更重要的是它將許多電機控制常用的接口集成到一個DSP控制器上。如擁有兩個事件管理器，其中有定時器和PWM發(fā)生器能驅(qū)動兩臺電機，編碼器檢測電路能直接與電機的編碼器連接；標準的CAN現(xiàn)場總線可與外界高速通訊；同步與異步串行端口SPI和SCI可與多種標準串行設(shè)備通信；通用雙向I（）通道及AD轉(zhuǎn)換接口直接采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)；這些使得用DSP實現(xiàn)的電機控制系統(tǒng)簡單化、模塊化。系統(tǒng)硬件基本上包括一個以TMS320LF2407為處理核心的DSP板，一個配套的功率驅(qū)動板和PM50電動機。各部分主要功能為1）DSP板：這是實現(xiàn)電機控制的核心部分。本系統(tǒng)程序主要利用了DSP的如下功能塊：（1）SCI接口用于同主PC機通訊。
AD轉(zhuǎn)換接口用于測量電機的相電流、4. PWM發(fā)生器用于產(chǎn)生需要的PWM信號以驅(qū)動功率模塊上的PWM逆變器。
1產(chǎn)生電流和速度控制的周期。
使用QEP單元和Timer2連接編碼器信號的輸出。編碼器安裝在電機轉(zhuǎn)子上，用于測量電機的位置，并經(jīng)過微分得到電機速度。
使用通用并聯(lián)GPIO接口獲得3個霍爾元件的狀態(tài)。
2）功率模塊功率模塊是連接DSP板和電動機的仔間模塊。主要功能是接受DSP發(fā)出的PWM控制信號，采集電機的反饋信號，并送回給DSP的相關(guān)接口。因此其上主要有PWM逆變器（見）、電機電源接口、定子電流檢測、編碼器接口等。
定子電流檢測是通過在逆變器的下橋臂上串接電阻進行的。將定子電流以0.益轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的爨后暴蹦艦此檢紐兩%C相電流可通過wwx =0求得。這種電流檢測方法比較簡單但要求軟件上必須保證在輸出PWM逆變器的命令時，同時檢測PWM逆變器下橋臂的電流，以保證電流檢測的正確性。
存儲在DSP中的程序協(xié)調(diào)各部分的功能。主程序采用循環(huán)方式不斷調(diào)用數(shù)據(jù)記錄模塊、與主機串行通訊的監(jiān)視模塊等。在主程序執(zhí)行過程中，不斷有T1中斷發(fā)生，在中斷服務(wù)程序中處理電流讀取、換算編碼器讀取、速度換算等。更重要的是要完成電流控制和速度控制環(huán)的計算。
是根據(jù)控制原理在程序中實現(xiàn)的系統(tǒng)運行框圖。通過ADC04和ADC05端口讀入兩相電流后，結(jié)合由GPI0口獲得的霍爾元件所表示的轉(zhuǎn)子磁極位置信息，根據(jù)表1計算等效的直流電流流電機像直流電動機一樣只需要一個電流調(diào)節(jié)器，而不是正弦波永磁同步電動機那樣需要兩個電流調(diào)節(jié)器。由軟件完成的電壓換相模塊實現(xiàn)對施加于逆變器的相電壓值的計算。實際上DSP控制器接受三相電壓，由6個全比較PWM輸出逆變器模塊所需要的方波脈沖。在一個給定位置，只有兩相導通，只需控制逆變器的四個晶體管。由中可看出，系統(tǒng)存在兩個閉環(huán)，實際控制時，外環(huán)速度控制的周期為1ms，而內(nèi)環(huán)電流控制的周期為0.1ms.這是因為內(nèi)環(huán)的電流變化速度快，較短的控制周期可使轉(zhuǎn)矩波動減小。
3實驗結(jié)果實驗裝置由永磁同步電機、功率模塊、DSP板、PC機組成。伺服電機帶500線的編碼器用于提供電機位置，本系統(tǒng)將其微分后得到速度信息。電機的基本參數(shù)為：相電阻：。25相電感：0.46mH，反電勢常數(shù)：2. min）額定電壓：19.1V，額定電流：1.16A，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量9X10―7kg.m2.是速度跟蹤效果，（a）是A相電流的波形，（b）是根據(jù)A、B相電流計算出的等效/q電流波形。
顯示了實際速度可以很好的跟蹤指令速度，而且在正反運行中都表現(xiàn)出較小的跟蹤誤差。的電流波形說明DSP控制系統(tǒng)用數(shù)字方式實現(xiàn)了定子電流的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)控制4結(jié)論無刷直流電機的優(yōu)越性能使得它得到了廣泛應(yīng)用，而使用DSP實現(xiàn)無刷直流電機控制則不僅比傳統(tǒng)的模擬電路成本低，而且結(jié)構(gòu)簡單方便擴展。DSP的快速運算能力還可以實現(xiàn)更復雜的控制算法，可以將速度環(huán)和電流環(huán)都以數(shù)字方式實現(xiàn)，形成全數(shù)字形式的無刷直流電機控制系統(tǒng)。
