利用DSP控制直流無刷電機

　　直流無刷電機實際屬于永磁同步電機，一般轉子為永磁材料，隨定子磁場同步轉動。這種電機結構簡單，而且由于移去了物理電刷，使得電磁性能可靠，維護簡單，從而被廣泛應用于辦公自動化、家電等領域。直流無刷電機運行過程要進行兩種控制，一種是轉速控制，也即控制提供給定子線圈的電流；另一種是換相控制，在轉子到達指定位置改變定子導通相，實現定子磁場改變，這種控制實際上實現了物理電刷的機制。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，或者利用梯形反電動勢特點進行反電動勢過零檢測等。利用光電編碼器的系統(tǒng)在軟件實現上更方便。電機速度控制也是根據位置反饋信號，計算出轉子速度，再利用PI或PID等控制方法，實時調整PWM占空比等來實現定子電流調節(jié)。因此，控制芯片要進行較多的計算過程。當然也有專門的直流無刷電機控制芯片；但一般來說，在大多數應用中，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，同時又有較強數學運算功能的芯片也是一種很好的選擇。Motorola的數字信號處理器DSP568xx系列整合了通用數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據處理能力，同時又要有較多控制功能的應用中，對直流無刷電機的控制就是這一系列DSP的典型應用之一。

直流無刷電機結構和連接
　　三相直流無刷電機采用二二導通、三相六狀態(tài)PWM調制方式。電機定子繞組軸向示意圖如圖1所示。

　　當電流從A到B時，定子繞組產生的磁場為圖1中A－B方向，如果電機順時針運行，此時，永磁轉子磁場應位于III區(qū)，產生的扭矩最大。當轉子轉過III區(qū)和IV區(qū)的交界，到達IV區(qū)時，定子繞組電流應相應改變成為從A到C，即產生的磁場成為圖1中A－C方向。

　　這樣，定子磁場總超前轉子磁場約90，使轉子不斷的向前跟進。實現這個過程的關鍵是取得轉子位置，積分編碼器就起這個作用，如它的三路輸出：PHASEA、PHASEB、PHASEC，在轉子分別位于圖1中的I到VI各區(qū)時，輸出信號相應為：011、001、101、100、110、010。這樣，通過捕捉積分編碼器任一路輸出上的跳變沿，讀取跳變沿后的積分編碼器輸出狀態(tài)，就可以確定轉子的新位置，實現定子繞組電流換向。同時，利用定時器檢測兩次換向之間的時間間隔，計算出電機運行的速度，再通過調整PWM信號的占空比，調整定子電流，實現調速。

DSP568xx中使用到的主要模塊
　　在Motorola的DSP568xx系列數字信號處理器的軟件開發(fā)包中，給出了一個利用上述思路對直流無刷電機控制的應用程序：bldc_sensors。主要用到了DSP的脈寬調制PWM模塊、定時器模塊、相位檢測器DECODER模塊。

　　PWM模塊共有六路輸出，分別用來控制三相的頂底共六個功率管。
　　模塊可以被配置成互補通道模式，即PWM0與PWM1為一對互補對，共三對互補對，如圖2所示?；パa對內的兩個信號可以在芯片內部被互相交換，如圖2中C相所示；也可以同時被屏蔽，使得輸出全為0，該相就關斷，如圖2中A相所示。

　　定時器模塊是最普通的外設，在這個應用中，使用了5個定時器模塊，它們分別是A0、A1、A2、A3和D0。前3個分別接積分編碼器的一路輸出，利用它們的輸入捕捉功能，產生中斷，在中斷子程序內檢測新的積分編碼器輸出狀態(tài)，實現換相。A3接的也是積分編碼器的一路輸出，它用來測量某路霍爾信號兩個跳變沿間的時間間隔，計算轉子速度。D0用來產生20ms間隔的節(jié)拍，周期性的對系統(tǒng)狀態(tài)進行轉換和檢測。

　　相位檢測器DECODER模塊對于電機控制非常有用，它不僅能用于本文所說的六狀態(tài)積分編碼器，還能用于轉子每轉一圈產生相當多數目脈沖的積分編碼器。該模塊框圖如圖3所示。

　　但在本應用中，只用到了它的干擾信號濾波器，即使用了積分編碼器的三路輸出經過濾波后的值。六狀態(tài)積分編碼器的三個輸出PHASEA、PHASEB、PHASEC分別接到相位檢測器的PHASEA、PHASEB、INDEX三個輸入端上。

控制算法
　　對于無刷直流電機的控制，軟件上的內容是主體。
　　程序是一種前后臺結構，前臺是一個死循環(huán)，死循環(huán)內作兩個工作，一個是程序狀態(tài)轉換ApplicationStateMachine()，另一個是20ms時鐘節(jié)拍觸發(fā)的LED控制、直流電壓數字值讀取和速度控制等服務性工作ServiceLedISR()。程序中有一個全局變量ApplicationMode，取值可以是Init、Stopped、Running和Fault，用來指示系統(tǒng)的狀態(tài)。main()函數一開始在初始化函數Initialize()中先把系統(tǒng)狀態(tài)設置為Init，然后在程序狀態(tài)機ApplicationStateMachine()里實現如圖4所示的轉換。

　　狀態(tài)之間轉換的各種條件均標在圖4的各個箭頭上。硬件上的其他事件：定時器A0、A1、A2的輸入捕捉，A3的輸入捕捉和溢出，D0的輸出比較以及加減速按鍵都是通過中斷的方式打入。所以整個軟件的結構如圖5所示。

　　系統(tǒng)一加電，程序進入初始化函數Initialize()，在這個函數中，做了以下工作：
　　◆啟動直流電壓ADC；
　　◆初始化Led，開始20ms的周期時鐘中斷D0；
　　◆開關狀態(tài)初始化；
　　◆PWM參數初始化；
　　◆捕捉積分編碼器跳變沿的定時器A0、A1、A2初始化；
　　◆相位檢測器初始化；
　　◆ApplicationMode = Init；
　　◆取得轉子位置，設好初始的導通相；
　　◆PI控制器初始化；
　　◆用于測量轉速的定時器A3的初始化。

　　從Initialize()返回后，立刻進入前臺死循環(huán)。
在轉子運行過程中，定時器A0、A1、A2輸入捕捉的發(fā)生，標志著轉子運行到了一個需要換相的位置。輸入捕捉事件觸發(fā)中斷ISRQTimer()，在這個中斷服務程序中，完成以下的工作：
　　◆從相位檢測器取得當前積分編碼器的三路輸出狀態(tài)；
　　◆根據當前積分編碼器輸出狀態(tài)，判斷轉子運轉方向；
　　◆并調整PWM模塊的交換和屏蔽，即定子電流換相。

　　所以說，定子電流的換相，是在緊隨著積分編碼器輸出跳變沿的中斷服務子程序中完成的。在判斷轉子運轉方向的時候，使用了一個常數組：DIRECTION_TABLE[8] = {0, 5, 3, 1, 6, 4, 2, 0}。這個數組元素的下標和元素的值對應轉子在順時針運轉情況下，當前編碼器狀態(tài)和下一個編碼器狀態(tài)（見圖1）。比如，當前編碼器輸出011，轉子磁場位于I區(qū)，那么順時針運轉時，下一個編碼器狀態(tài)應為001，這正好對應于上述數組中，下標為011的元素值為001。這樣，通過比較以編碼器上一個狀態(tài)作為下標的數組元素值與當前狀態(tài)是否相同，就可以判斷轉子運轉方向。在實現定子電流換相時，也以當前狀態(tài)為下標，從專門數組中取得PWM模塊通道交換與屏蔽所需的參數。在本應用中，將三對PWM互補通道對的參數設成一致，通過屏蔽某一相，交換另外一相，實現定子繞組電流狀態(tài)的控制，如在圖2中，A相被屏蔽，B相頂功率管開關占空比為70％，而將C相兩個PWM通道交換，C相的底功率管開關占空比就由原來的30％成為70％，從而使電流由B相流入定子繞組而從C相流出，確定定子繞組B－>C的電流狀態(tài)。

　　積分編碼器的某一路輸出，比如PHASEC的跳變，還觸發(fā)了定時器A3的輸入捕捉中斷。在輸入捕捉中斷中，取得各個跳變沿之間的時間間隔，用來計算轉子速度。定時器A3的溢出中斷，也是為取得各個跳變沿之間的時間間隔服務。

　　在Initialize()函數中調用的LedInit()函數內部已經將定時器D0進行了初始化，所以從那時開始，定時器D0開始運行，每20ms產生一個中斷，觸發(fā)中斷服務子程序LedISR()的運行。在LedISR()中，只是設了一個標志位bLedISROccurred為真。但這會使得死循環(huán)內ServiceLedISR()函數的具體內容被執(zhí)行，而不是直接返回。ServiceLedISR()函數的具體代碼完成以下工作：
　　◆Led閃爍周期計算和控制；
　　◆UpButton、DownButton按鍵延時控制；
　　◆從ADC讀取直流電壓值并重啟ADC；
　　◆取得一路積分編碼器的跳變沿間隔并計算速度，進行速度控制。

　　所以，轉子運轉的速度控制是在幾乎每20ms周期的ServiceLedISR()內完成。

　　加減速按鍵也觸發(fā)中斷，在中斷服務子程序內，調用相應函數，實現系統(tǒng)設定速度的改變。

結束語
　　Motorola的數字信號處理器DSP568xx系列憑借著較強的數據處理能力和強大豐富的外圍，尤其是相位檢測器、脈寬調制等模塊，非常適用于直流無刷電機控制這樣的實時應用中。前后臺方式的控制算法，反應速度快，代碼量少，在直流無刷電機等控制過程不很復雜，但對于實時性要求較高的場合，有比較好的特性。