基于DSP的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

引言
近幾年來，隨著電力電子器件和現(xiàn)代控制理論的迅速發(fā)展，無刷直流電動(dòng)機(jī)由于沒有接觸式換向裝置，不存在換向引起的火花，其具有效率高，轉(zhuǎn)速不受機(jī)械換向所限制，可維護(hù)性強(qiáng)，安全性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，而被人們廣泛應(yīng)用于光驅(qū)、智能機(jī)器人、電動(dòng)交通工具等領(lǐng)域。DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)則以其高速的數(shù)據(jù)處理能力、豐富的內(nèi)部資源、集成度高和功耗低等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用在控制領(lǐng)域中。本文提出了一種基于DSP的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)結(jié)合模糊控制方法來實(shí)現(xiàn)無刷直流電動(dòng)機(jī)的智能化控制。

1 無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型
根據(jù)物理學(xué)公式，單根導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)e為：

式中，B為磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度，l為磁場(chǎng)中導(dǎo)體的有效長度，v為導(dǎo)體垂直于磁力線運(yùn)動(dòng)的線速度。在電機(jī)中，v與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為：

這樣，無刷直流電機(jī)在運(yùn)行過程中所感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小為：

式中，E為無刷直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)；α為極弧系數(shù)；W為點(diǎn)數(shù)繞組每一相的繞線匝數(shù)；ψ為每一極的磁通量；n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
假設(shè)無刷直流電動(dòng)機(jī)的繞組采用三相星型結(jié)構(gòu)，定子三相完全對(duì)稱，空間上互差120°的電角度，三相繞組電阻的電感量參數(shù)相同。同時(shí)忽略電樞繞組之間產(chǎn)生的互感，電機(jī)的氣隙磁導(dǎo)均勻，磁路不飽和，并忽略渦流損耗。則無刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型如下：

式中，Va、Vb、Vc分別為三相端壓；R為三相繞組電阻；L為三相繞組電感；Ea、Eb、Ec分別為電動(dòng)機(jī)的三相感應(yīng)電勢(shì)；ia、ib、ic分別為三相繞組流過的電流。這樣，其電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式可以表示為：

而根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)定律。電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式也可以表示為：

式中，T1為電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，J為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Z為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的阻尼系數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)大致可分為功率驅(qū)動(dòng)部分、DSP控制核心部分、A／D信號(hào)檢測(cè)部分等，圖1所示是一個(gè)基于DSP的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的總體硬件系統(tǒng)框圖。

2．2 功率驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)
圖2所示是本文所介紹的三相無刷直流電機(jī)的功率變換橋路電路圖。圖中共使用了6個(gè)N溝道的MOSFET功率元件IRF540，可構(gòu)成三相橋路以作為無刷直流電機(jī)的電子換相器，其完成的功能與傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)的換相器的功能一致。電阻R107作為過電流保護(hù)功能的采樣電阻。其實(shí)是一個(gè)小型的錳銅分流器，取值0．01Ω，可保證平時(shí)在正常工作電流以及額定啟動(dòng)電流通過電阻時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生大的電壓，而當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)、某處短路或者上下MOSFET同時(shí)導(dǎo)通短路時(shí)，該電阻則可產(chǎn)生大電流，當(dāng)在此電阻上的壓降達(dá)到一定程度時(shí)，電路可迅速激活過電流保護(hù)電路以停止所有MOSFET的工作，同時(shí)斷開主電路電源，防止事態(tài)進(jìn)一步惡化。