基于dsPIC30F6010的無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)

摘要：研究了基于dsPIC30F6010的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)有位置傳感器法和反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法兩大調(diào)速系統(tǒng)。完成了硬件和軟件的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，電機(jī)起動(dòng)穩(wěn)定快速、正常，運(yùn)轉(zhuǎn)良好，具有較寬的調(diào)速范圍，精度高，滿足了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)高性能伺服控制的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性的要求。
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；dsPIC30F6010；有位置傳感器法；反電勢(shì)

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電一體化產(chǎn)品，由于其既具備交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備有刷直流電機(jī)的運(yùn)行效率高、無(wú)勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了有刷直流電機(jī)由于機(jī)械電刷和換向器的存在所帶來(lái)的噪聲、火花、無(wú)線電干擾以及壽命短等弊病，并且制造成本低，簡(jiǎn)化了電機(jī)的維修，使得它在工業(yè)上的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。本文涉及的系統(tǒng)以dsPIC30F6010為核心的數(shù)字信號(hào)控制器(Digital Signal ControlIer，DSC)為基礎(chǔ)，迎合了控制領(lǐng)域的數(shù)字化和智能化的趨勢(shì)。目前在控制上較多應(yīng)用以DSP作為控制器，傳統(tǒng)的DSP用做數(shù)字信號(hào)處理，使其在滿足系統(tǒng)快速性和實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)上兼顧控制能力。而dsPIC30F6010作為一款為控制領(lǐng)域應(yīng)用的數(shù)字信號(hào)控制器，是一款性價(jià)比優(yōu)越的控制器(略低于DSP)，保證控制要求的前提下加快了運(yùn)算速度。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1．1 控制器dsPIC30F6010簡(jiǎn)介
dsPIC30F6010為16位(數(shù)據(jù))改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，是一款專為電機(jī)控制應(yīng)用設(shè)計(jì)的80引腳的DSC。它運(yùn)算靈活，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)(內(nèi)部有兩個(gè)40位的累加器)，指令集靈活并且支持小數(shù)運(yùn)算。該DSC內(nèi)部包含4M×24位的數(shù)據(jù)RAM、4 KB的E2PROM和32 KB的FLASH程序存儲(chǔ)空間，便于構(gòu)成最小的控制系統(tǒng)。該DSC擁有豐富的外設(shè)，適合各種電機(jī)的數(shù)字控制，其中專門設(shè)計(jì)了8路死區(qū)時(shí)間可編程的PWM輸出通道(可控制四相電機(jī))和5個(gè)16位計(jì)時(shí)器，可以直接用于控制電機(jī)；具有的4個(gè)16位的輸入捕捉和輸出比較功能，可以方便地捕獲電機(jī)位置傳感器信號(hào)；16通道10位A ／D轉(zhuǎn)換器可用于處理電機(jī)速度反饋、電壓、電流等模擬信號(hào)的采用，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的各種控制功能；專為編碼器設(shè)計(jì)的QEI編碼器接口；而且它具備故障檢測(cè)接口，可以很好的對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)。
1．2 驅(qū)動(dòng)電路
智能功率模塊(Intelligent Power Modulation)不但提供一定的功率輸出，并且具有邏輯、控制、傳感、檢測(cè)、保護(hù)和自診斷等功能。它內(nèi)含驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路，可實(shí)現(xiàn)過(guò)流、短路、欠壓和過(guò)壓等保護(hù)。由于采用了隔離技術(shù)，散熱更均勻，體積更加緊湊。如果與單片控制芯片結(jié)合則可以實(shí)現(xiàn)兩片式集成化控制系統(tǒng)。故成為當(dāng)今電機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)者首先考慮的選擇，可提高系統(tǒng)可靠性，大幅度降低開發(fā)時(shí)間和費(fèi)用。
本文采用的是以三菱公司生產(chǎn)的第三代單電源供電智能功率模塊(IPM)PS21563為核心組成的驅(qū)動(dòng)電路。并設(shè)計(jì)了其外圍電路：光耦電路、自舉電路、短路保護(hù)電路。
1．3 有位置傳感器法硬件系統(tǒng)
給定轉(zhuǎn)速與速度反饋量形成偏差，經(jīng)速度PI調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流參考值，它與電流反饋值的偏差經(jīng)電流PI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。以下為如何根據(jù)位置參數(shù)確定速度以及電流檢測(cè)的方法：
(1)位置檢測(cè)與速度反饋值的計(jì)算。圖1為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)三個(gè)空間上相差120°霍爾信號(hào)的電平變化圖形。每一個(gè)霍爾傳感器都產(chǎn)生180°脈寬的輸出信號(hào)。從圖1中可以看出只要任意一階段電平變化就到了換相時(shí)刻，檢測(cè)到三個(gè)霍爾信號(hào)的電平狀態(tài)(這里稱之為換相控制字)即可給相對(duì)應(yīng)的開關(guān)管打開或關(guān)閉。