基于DSP的無刷直流電機速度控制系統(tǒng)

永磁無刷直流電機(Brushless DC Motor，BLDCM)既具有同步電機的優(yōu)點，又有直流電機優(yōu)良的調速性能，在工業(yè)領域，尤其是調速和伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。高速數(shù)字信號處理器(DSP)在伺服系統(tǒng)中的應用，大大簡化了控制系統(tǒng)結構，提高了系統(tǒng)性能，使無刷直流電機的優(yōu)點更加突出。

本文主要研究采用TI公司的TMS320LF2407A DSP作為控制器的無刷直流電機全數(shù)字化控制系統(tǒng)。

1控制系統(tǒng)硬件框圖設計

由直流電動機的運動方程可知：加速度與電動機的轉矩成正比，而轉矩又與電動機的電流成正比，因此，要實現(xiàn)電機的高精度高動態(tài)性能控制，就需要同時對電機的速度、電流及位置進行檢測和控制。圖1是無刷直流電機控制系統(tǒng)框圖，在系統(tǒng)中設置了速度調節(jié)器和電流調節(jié)器，分別調節(jié)電機的轉速和電流，兩者之間實行串級連接，把速度調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制PWM裝置。

如圖1所示，整個系統(tǒng)控制單元可分為兩大部分：虛線框內的功能由TMS320LF2407A DSP組成的最小系統(tǒng)實現(xiàn)，他包括DSP和片外存儲器，另一部分則為反饋信號采集部分。電流反饋信號由霍爾元件測得，通過F2407的A／D模塊轉化為數(shù)字量，轉子位置信號則用于產(chǎn)生正確的轉子換向，光電編碼器檢測電機的轉動方向及轉角并反饋回DSP系統(tǒng)，形成閉環(huán)控制。系統(tǒng)位置給定由上位機發(fā)出。三相交流輸入經(jīng)整流、穩(wěn)壓后為逆變電路提供直流電源，逆變電路的觸發(fā)信號由上位機提供，其目的是輸出占空比可調的PWM信號，通過調整PWM信號寬度以控制功率管的開、關時間，從而實現(xiàn)對無刷電機的控制。

2控制策略

本系統(tǒng)通過三閉環(huán)(即位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán))結構實現(xiàn)電機的伺服控制。如圖2所示。

當電機處于運行狀態(tài)時，給定的位置信號Ua與反饋位置信號Ub的偏差經(jīng)過(位置環(huán))PID調節(jié)得到速度的參考值Vg，控制器根據(jù)測出的反饋位置信息計算出當前轉速ωs，Vg與ωs在DSP中進行PI計算(速度環(huán))得到電流的給定電壓參考值Uig，電機繞組電流反饋信號經(jīng)過電流傳感器的檢測從A／D口送入DSP，經(jīng)轉換得到當前主回路的電流反饋電壓值Uif將Uif與Uig進行PI計算，得到的電流調節(jié)器的輸出去調節(jié)占空比，進而控制功率開關管的導通與關斷，從而實現(xiàn)對無刷直流電動機位置、轉速、電流或轉矩的控制。

在三閉環(huán)控制系統(tǒng)中，電流環(huán)和速度環(huán)均為內環(huán)，位置環(huán)為外環(huán)。電流環(huán)的作用是提高系統(tǒng)的快速性，抑制電流環(huán)內部干擾，限制最大電流保障系統(tǒng)安全運行，電流環(huán)采用PI調節(jié)器。速度環(huán)的作用是增加系統(tǒng)抗負載擾動的能力，抑制速度波動，速度環(huán)采用PI調節(jié)器。位置環(huán)的作用是保證系統(tǒng)靜態(tài)精度和動態(tài)跟蹤的性能。位置環(huán)采用積分分離的PID控制，即在開始跟蹤被控量時，先取消積分作用，使比例項迅速跟蹤偏差的變化，當被控量接近新的設定值時再將積分作用加入。這樣既可以避免超調又可縮短達到穩(wěn)態(tài)的時間，起到了積分校正的作用。圖3為位置階躍響應曲線和位置階躍式跟蹤結果。

由試驗結果可以看出，位置環(huán)采用積分分離的PID控制器調節(jié)以后，控制效果有很大改善，動態(tài)響應曲線具有良好的跟蹤性能和較小的超調。

3系統(tǒng)控制方案的實現(xiàn)

在本系統(tǒng)控制方案中，以TMS320LF2407A微控制器為控制系統(tǒng)核心，以功率MOSFET管構成逆變器，功率器件的排列順序采用上橋臂V1，V3，V5，下橋臂V2，V4，V6的順序，按照一定的邏輯關系打開6個功率器件。根據(jù)磁極位置傳感器的信息組合，有6種狀態(tài)，一一對應于橋臂的開關組合：V1V6，V6V3，V3V2，V2V5，V5V4，V4V1，V1V6……這樣轉子每轉過一對N-S極，V1～V6功率管即按固定組合成6種狀態(tài)依次導通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場沿軸線轉動電角度60°，如此循環(huán)，無刷直流電機將產(chǎn)生連續(xù)轉矩，拖動負載作連續(xù)轉動，反過來即可實現(xiàn)反轉。

3.1相電流的檢測

在該設計方案中，功率電子主回路采用兩兩通電方式，在任意時刻，電流僅僅流人三相繞組中的兩相，因此從另一角度看，只需控制一個電流，亦即只需要一個相電流檢測傳感器。在本系統(tǒng)中，使用一個旁路電阻檢測各項的電流。該電阻位于三相全控功率變換電路的下端功率橋臂與地之間，同時起到一個功率變換電路的過電流保護作用。電阻上的壓降信號經(jīng)過放大以后，送到TMS320F240片上的某一路A／D轉換通道，經(jīng)過A／D轉換以后，得到合適的電流信號。在A／D轉換結束以后，A／D轉換模塊向CPU發(fā)出一個中斷請求信號，等待CPU對該電流信號的檢測。每隔50μs，DSP對相電流進行采樣，從而實現(xiàn)了頻率為20 kHz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)。

3.2磁極的位置檢測

采用DSP控制電機時，無需再設計專門的PWM調制電路，因此選用TMS320LF2407A DSP來實現(xiàn)三相無刷直流電機調速的控制和驅動電路。本設計方案中，使用了3個位置間隔120°分布的霍爾傳感器，由霍爾器件所輸出的轉子位置信號送到功率變換電路后，直接送至TMS320LF2407A的捕獲單元進行處理，每個霍爾傳感器的輸出與捕獲單元的一個輸入引腳相連。通過產(chǎn)生捕捉中斷來給出換相時刻，同時給出位置信息，實現(xiàn)定頻PWM和換相控制。3個霍爾傳感器輸出3個180°的交疊信號，每個輸出信號的上升沿和下降沿都被檢測到，從而產(chǎn)生6個強制換向信號，每2個換向信號之間相差60°。在本方案中，片內通用定時器2用作捕獲單元的時基，定時器2設為連續(xù)計數(shù)模式，其周期寄存器(T2PER)被設定為0FFFEH，預定標因子被設定為128；當CPUCLK=20 MHz時，定時器的這種設置使得電動機的最小可調整轉速為24 r／min。

3.3 速度檢測

根據(jù)位置傳感器的輸出信號，可以計算得到電動機的轉動速度。轉子旋轉一周的時間內，霍爾器件共產(chǎn)生6個換向信號。在2個換向信號之間存在60°機械角度，當前的轉速可通過下式計算得到：

n=△θ／△T

式中，θ為機械角度；T為轉子轉過θ所花費的時間。

捕獲單元對每個霍爾器件輸出信號的兩個邊沿都進行檢測，當上升沿被捕獲到時，捕獲單元設置相應的中斷標志。在中斷服務子程序中，CPU首先判斷所檢測到的是上升沿還是下降沿，然后計算從上次邊沿被檢測到以來所經(jīng)過的時間T，根據(jù)該時間實現(xiàn)繞組電流的換向。由于霍爾傳感器相對于電動機轉子而言位置是固定的，2個換向信號之間的軸偏移是常數(shù)θ。

4系統(tǒng)軟件設計

主程序主要是初始化DSP所需要用到的控制寄存器(包括設定系統(tǒng)時鐘、系統(tǒng)狀態(tài)寄存器等)、初始化I／O端口(包括設定LF2407A片內多路復用的I／O口功能及其極性)、初始化中斷設置(確定系統(tǒng)所需要用到的中斷類別及中斷源)、檢測電機的初始位置以及初始化需用到的控制變量等。

中斷程序主要包括調節(jié)子程序、ADC轉換中斷子程序(位置調節(jié)子程序，速度調節(jié)子程序，電流調節(jié)子程序)，如圖4和圖5所示。

圖6為積分分離式PID控制算法流程圖，在位置環(huán)控制時采用此算法。通過DSP檢測出給定位置信號和實際反饋位置信號的偏差e(k)，根據(jù)實際情況，認為設定閾值ε>0；當∣e(k)∣>ε時，采用PD控制，可避免產(chǎn)生較大的超調，又使系統(tǒng)有較快的響應；當∣e(k)∣≤ε時，采用PID控制，保證系統(tǒng)的控制精度。

5結語

本文應用TI公司的TMS320LF2407A DSP設計了一個基于位置、速度、電流三閉環(huán)結構的直流無刷電機控制系統(tǒng)，并對直流無刷電機的原理及其控制算法進行了研究。經(jīng)分析，該系統(tǒng)不僅成本低，易于實現(xiàn)并且性能穩(wěn)定，方便擴展，無論是對工程實踐還是對電機調速方面的研究都有重要意義.