DSP在三相無刷直流電機控制系統(tǒng)的應用

1 概述
無刷直流電機是隨著電力電子器件及新型材料發(fā)展而迅速成熟起來的一種新型機電一體化電機，它既具有交流電機的結構簡單，運行可靠，維護方便等優(yōu)點，又具備直流電機那樣良好的調速特性而無由于機械式換向器帶來的問題，還具有運行轉速穩(wěn)定、效率高、相對成本低等優(yōu)點，因此被廣泛應用于各種調速驅動場合[1]。以往的無刷直流電機多由單片機附加許多種接口設備構成.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, 擴展方便，可以實現(xiàn)位置、速度和電流環(huán)的全數(shù)字化控制[2]。
本文采用ＴI公司推出的240xDSP作為無刷直流電機全數(shù)字控制核心，組成的伺服系統(tǒng)只需要很少的系統(tǒng)元件。TMS320Ｆ240X是美國ＴI公司推出的高性能16位數(shù)字信號處理器(DSP)，是專門為電機的數(shù)字化控制而設計的。這種DSP包括一個定點DSP內核及一系列微控制器外圍電路，將數(shù)字信號處理的運算能力與面向電機的高效控制能力集于一體，可以實現(xiàn)用軟件取代模擬器件，方便地修改控
制策略，修正控制參數(shù)，兼具故障檢測、自診斷和與上位機通信等功能。
2 硬件介紹
TMS320LF2407A的內核是TMS320C2XX(圖1)，內部采用了哈佛結構，流水線作業(yè)，在20MHz的時鐘頻率下，指令周期僅為50ns，且多數(shù)指令都能在一個指令周期內完成。其中央算術邏輯部分包括32位中央算術邏輯單元(CALU)，32位累加器，CALU的輸入/輸出數(shù)據(jù)定標移位器，16位×16位乘法器，乘積定標移位器，數(shù)據(jù)地址發(fā)生邏輯(包括8個輔助寄存器和1個輔助寄存器算術單元(ARAU)，程序地址發(fā)生邏輯。當處理器連續(xù)工作時，還能同時執(zhí)行：a、經(jīng)由串行口的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送；b、內部定時器減數(shù)；c、產(chǎn)生三相脈寬調制(PWM)波形；d、采集4個模擬信號；e、看門狗定時器減數(shù)。它還包含有其它系列的ＤＳＰ芯片所沒有的雙10位模數(shù)轉換器、基于ＰＷＭ控制的管理器(6個比較單元、12路ＰＷＭ輸出、2路光電編碼器接口的編碼單元)。其ＰＷＭ波形生成單元包含可編程死區(qū)控制，可輸出非對稱ＰＷＭ波形、對稱ＰＷＭ波形和空間矢量ＰＷＭ波形[4]。LF2407是x240x系列DSP中唯一能夠擴展外部存儲器，也是其中控制功能最強、片上設施最完備的一個型號，廣泛的用于代碼開發(fā)、系統(tǒng)仿真以及實際系統(tǒng)中。

圖1 TMS320Lx240x系列DSP控制器總體結構
3 DSP控制流程
圖2是用TMS320LF2407A實現(xiàn)三相無刷直流電動機調速的控制和驅動電路。本設計采用TMS320LF2407A微控制器為系統(tǒng)控制器核心，以功率MOSFET場效應管為功率變換元件，任意時刻電機只有兩相導通來控制換流元件，采用PWM方式來控制電機的轉矩和轉速。在這里，三個位置間隔120O分布的霍爾傳感器H1，H2，H3經(jīng)整形隔離電路后分別與TMS320LF2407A的三個捕捉引腳CAP1，CAP2，CAP3相連，通過產(chǎn)生捕捉中斷來給出換相時刻，同時給出位置信息。

圖2 用TMS320LF2407A實現(xiàn)三相無刷直流電動機調速的控制和驅動
從理論上來看，直流無刷電動機的速度和轉矩控制主要依據(jù)如下的轉矩和反電動勢工程計算方程
其中，N為直流無刷電動機定子每相線圈數(shù)， 為轉子的長度，r為轉子的內徑，B為轉子的磁通密度，為電動機的角速度，i為相電流，L為相感抗， 為轉子的位置，R為相阻抗[5]。
從方程可以看到，反電動勢與電動機的轉速成比例，而轉矩與相電流也幾乎勢成比例的。根據(jù)這些特點，在方案中采用了圖3所示的控制策略。給定轉速與速度反饋形成偏差，經(jīng)速度調節(jié)后產(chǎn)生電流參考量，它與電流反饋量的偏差經(jīng)電流調節(jié)后形成PWM占空比的控制量，實現(xiàn)電動機的速度控制。電流的反饋是通過檢測電阻上的壓降來實現(xiàn)的。速度反饋是通過霍爾傳感器輸出的位置量，經(jīng)過計算得到的。位置傳感器輸出的位置量還用于控制換相。

圖3 三相無刷直流電動機的速度和電流控制
4 軟件控制
系統(tǒng)采用PWM控制算法，電機輸入直流電流且每一時刻只有兩個功率管導通，從2407來的PWM控制信號直接連至驅動器，驅動器的輸出再連至功率MOSFET管的控制極。2407的CPU時鐘頻率是20MHz，PWM頻率是20kHz。
4.1相電流檢測
TMS320LF2407A接受到電阻上放大的壓降信號后，經(jīng)由A/D轉換后得到電流信號。在轉換結束時，A/D模塊向CPU發(fā)送一個中斷請求信號，等待CPU處理。每隔50us，DSP控制器對相電流進行采樣，從而實現(xiàn)20kHz的電流調節(jié)環(huán)。根據(jù)電流誤差，PID控制器在每個PWM周期開始時對PWM脈沖的占空比進行調節(jié)。

4.2轉子位置和速度檢測
掌握好恰當?shù)膿Q相時刻，可以減小轉矩的波動。位置檢測不但用于換相控制，而且還用于產(chǎn)生速度控制量。
位置信號是通過3個霍爾傳感器得到的。他們的輸出信號相差1200。每個機械轉有6次換相，通過將DSP設置為雙沿觸發(fā)捕捉中斷功能，可以獲得正確的換相時刻。通過將DSP的捕捉口CAP1～CAP3設置為I/O口，并檢測該口的電平狀態(tài)，來的到具體的捕捉中斷。
位置信號還可以用于產(chǎn)生速度控制量。只要測得兩次換相的時間間隔 ，就可以根據(jù)下式計算出兩次換相時間的平均角速度。
兩次換相的時間間隔可以通過捕捉中斷發(fā)生時讀定時器2的T2CNT寄存器的值來獲得。
4.3電流和速度調節(jié)
相電流的調節(jié)可以通過調節(jié)載頻為20kHz的PWM信號的脈沖寬度來實現(xiàn)。
Ierror=Iref － Imea
cyclenew=cycleold+IerrorK
如果cyclenew>=Timer_period, 那么cyclenew=Timer_period
如果cyclenew>Timer_period，那么cyclenew＝0
其中Iref—用戶想要的參考電流；
Imea——實際測得的相電流；
Ierror——要調節(jié)的相電流誤差；
速度調節(jié)采用PI算法，以獲得最佳的動態(tài)效果。計算公式如下：
式中Iref－速度調節(jié)輸出；
ek －第k次速度偏差；
Kp －速度比例系數(shù)；
Ki －速度積分系數(shù)；
T －速度調節(jié)周期；
試驗證明能產(chǎn)生很好的三相PWM控制波形。圖5為產(chǎn)生的PWM波形。

圖5 利用DSP控制三相無刷直流電動機產(chǎn)生的PWM波形
前面所敘述的系統(tǒng)初始化、位置信號檢測、PWM信號輸出等軟件模塊，可以實現(xiàn)一個基本的具有位置傳感器的三相直流無刷電動機速度控制系統(tǒng)。然而為了建立一個更完善的系統(tǒng)，還需要增加一些功能模塊，如調節(jié)電動機轉速的控制模塊、保存系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)記錄模塊等，

TMS320LF2407與pc機之間采用的通訊是采用RS－485進行半雙工的接口電路。由于pc機提供的是RS233接口，需要RS－32和RS－85間進行接口轉換。[6]
5 結束語
本文作者創(chuàng)新點:將工業(yè)控制中普遍使用的PI算法在DSP上實現(xiàn)PWM波形輸出，由于單片機自身性能的限制，已難以滿足高速度，高精確的電機控制要求，而用DSP則很好的實現(xiàn)用于直流無刷電機控制的PWM波形輸出。