基于ADMCF340的永磁無刷直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：隨著直流無刷電機應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性提出了更高的要求。以DSP芯片ADMCF340為控制核心，設(shè)計了永磁無刷直流電機的控制系統(tǒng)，并給出了部分硬件電路圖和控制軟件流程圖。該系統(tǒng)利用DSP芯片的快速運算功能和面向電機控制的專用外圍設(shè)備，實現(xiàn)了電流、速度的全數(shù)字雙閉環(huán)控制。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，實時性良好，為永磁無刷直流電機的廣泛應(yīng)用提供了一定的理論參考依據(jù)和工程實際方法。
關(guān)鍵詞：永磁無刷直流電機；DSP控制器；ADMCF340芯片；電機控制

0 引言
直流無刷電機實際屬于永磁同步電機，一般轉(zhuǎn)子為永磁材料，隨定子磁場同步轉(zhuǎn)動。這種電機結(jié)構(gòu)簡單，而且由于移去了物理電刷，使得電磁性能可靠，維護簡單，從而被廣泛應(yīng)用于辦公自動化、家電等領(lǐng)域。直流無刷電機的運行過程要進行兩種控制，一種是轉(zhuǎn)速控制，也即控制提供給定子線圈的電流；另一種是換相控制，在轉(zhuǎn)子到達指定位置改變定子導(dǎo)通相，實現(xiàn)定子磁場改變，這種控制實際上實現(xiàn)了物理電刷的機制。因此這種電機需要有位置反饋機制，比如霍爾元件、光電碼盤，或利用梯形反電動勢特點進行反電動勢過零檢測等。電機速度控制也是根據(jù)位置反饋信號，計算出轉(zhuǎn)子速度，再利用PI或PID等控制方法，實時調(diào)整PWM占空比等來實現(xiàn)定子電流調(diào)節(jié)。因此，控制芯片要進行較多的計算過程。當(dāng)然也有專門的直流無刷電機控制芯片，但一般來說，在大多數(shù)應(yīng)用中，除了電機控制，總還需要做一些其他的控制和通信等事情，所以，選用帶PWM、同時又有較強數(shù)學(xué)運算功能的芯片也是一種很好的選擇。
ADI的數(shù)字信號處理器ADMCF34X系列整合了通用數(shù)字信號處理器快速運算功能和單片機外圍豐富的特點，使得該系列特別適合于那些要求有較強的數(shù)據(jù)處理能力，同時又要有較多控制功能的應(yīng)用中，對直流無刷電機的控制就是這一系列DSP的典型應(yīng)用之一。

1 ADMCF340芯片簡介
ADMCF340集成了一個20 MIPS定點DSP內(nèi)核和一整套外部接口。其中的DSP是完全與ADSP-2100系列數(shù)字信號處理器兼容的，這為熟悉ADSP-2100系列的用戶使用該控制器帶來了便利。
ADMCF340包括一個三相16位基于中心點脈寬調(diào)制(PWM)發(fā)生器，可編程脈寬調(diào)制，脈沖分辨率達50 ns，可編程窄脈沖檢測，最低開關(guān)頻率可至153 Hz，雙／單脈沖工作時間更新方式控制，死區(qū)可編程控制器；13個模擬輸入通道，高達12位的分辨率；3個雙極性模擬電流Isense輸入引腳，并具有可編程采樣和保持放大器以及過電流保護；兩個可用于模擬量輸出的輔助PWM輸出通道；25個引腳數(shù)字輸入／輸出I／O口，均可獨立配置成中斷源輸入，可用于捕捉直流無刷電機的換相。

2 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
對BLDC電機的控制可分為兩個分立的過程。
第一，保持轉(zhuǎn)子和定子磁場同步；第二，控制定子的電流值。這兩個過程都要經(jīng)過逆變器實現(xiàn)。磁場同步信號來自于位置傳感器，根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置DSP處理器決定適當(dāng)?shù)木w管的導(dǎo)通。
電流控制一般采用PWM模式，根據(jù)電流誤差信號調(diào)節(jié)PWM信號的占空比。因此，電流值和電流的變化率都可以被控制。電流取樣電路僅用一只串聯(lián)取樣電阻即可完成。如圖1所示，其阻值由電機的最大電流決定，即分壓電阻上的最大壓降不超過0．5 V。圖1中RC電路有兩個作用，一是濾掉換相噪聲，二是濾掉斬波噪聲。