王 越，甄長(zhǎng)飛

(重慶理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054)

直流電動(dòng)機(jī)具有非常優(yōu)秀的線性機(jī)械特性、較寬的調(diào)速范圍、簡(jiǎn)單的控制電路、大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩等，但是直流電動(dòng)機(jī)的電刷和換向器卻成為其發(fā)展的障礙。而無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)利用電子換向器取代機(jī)械電刷和機(jī)械換向器，既保留了直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，又具有交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等特點(diǎn)。隨著大功率開關(guān)器件、集成電路及高性能磁性材料的進(jìn)一步發(fā)展，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)更是得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的微處理器控制系統(tǒng)由于存在處理速度慢、乘除法所用周期過(guò)長(zhǎng)、外圍電路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度慢等缺點(diǎn)，使無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的性能得不到充分發(fā)揮［1-3］。本文基于美國(guó)TI公司TMS320LF2407A數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，闡述了實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)DSP控制的原理與方法［4-12］。

1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)可以被認(rèn)為是一個(gè)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，包括電子開關(guān)電路、永磁式同步電動(dòng)機(jī)和位置傳感器。與普通直流電動(dòng)機(jī)相反，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)將電樞放到定子上，把轉(zhuǎn)子做成永磁體。為使定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁場(chǎng)始終保持90°左右的空間夾角，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)必須使定子電樞各相繞組不斷地?fù)Q相通電，才能使定子磁場(chǎng)隨轉(zhuǎn)子的位置不斷變化。這個(gè)換相通電過(guò)程也可以說(shuō)是磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)過(guò)程。在換相過(guò)程中，定子各相繞組在工作氣隙中所形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是做跳躍式運(yùn)動(dòng)的。它們跟蹤轉(zhuǎn)子，并與轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)相互作用，從而產(chǎn)生推動(dòng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩。

2 DSP控制策略

理想的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為:

其中:Np為通電導(dǎo)體數(shù);B為永磁體產(chǎn)生的氣隙磁通密度;l為轉(zhuǎn)子鐵心長(zhǎng)度;r為轉(zhuǎn)子半徑;is為定子電流。

由式(1)、(2)可知，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)成正比，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流成正比，因此無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與有刷直流電動(dòng)機(jī)一樣具有良好的控制性能。

圖1是用TMS320LF2407A DSP實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的控制和驅(qū)動(dòng)電路。

本設(shè)計(jì)采用TMS320LF2407A微控制器為控制核心，以功率MOSFET為功率變換元件，任意時(shí)刻電機(jī)只有兩相導(dǎo)通，并采用PWM方式控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。圖1中的3個(gè)霍爾傳感器經(jīng)整形隔離電路后分別與DSP的3個(gè)捕捉引腳相連，通過(guò)產(chǎn)生捕捉中斷來(lái)給出換相時(shí)刻，同時(shí)給出位置信息。而電流反饋輸出經(jīng)濾波放大電路連接到TMS320LF2407A的ADC輸入端ADCIN00，在每一個(gè)PWM周期都對(duì)電流進(jìn)行一次采樣，對(duì)速度(PWM占空比)進(jìn)行控制，其方法是通過(guò)與DSP的PWM1～PWM6引腳經(jīng)反向驅(qū)動(dòng)電路的6個(gè)開關(guān)管實(shí)現(xiàn)PWM定頻和換相控制［13-15］。

圖1 DSP控制和驅(qū)動(dòng)電路

無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)矩與電流成正比。圖2為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制框圖。給定的轉(zhuǎn)速與速度反饋量形成偏差，經(jīng)速度調(diào)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(diào)節(jié)后形成PWM占空比控制量，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的速度控制。其中速度反饋由霍爾位置傳感器輸出量經(jīng)計(jì)算得到，而電流反饋通過(guò)監(jiān)測(cè)電阻R得到。

圖2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制框圖

2.1 電流檢測(cè)

用電阻R作電流傳感器。將其放在電源對(duì)地端，而電動(dòng)機(jī)只有兩相通電，且與電阻R形成回路，電流的檢測(cè)則可由分壓電阻R來(lái)實(shí)現(xiàn)。電流反饋經(jīng)濾波放大電路鏈接到TMS320LF2407A的ADCIN00，每一個(gè)PWM周期對(duì)電流采樣1次，從而對(duì)速度(占空比)進(jìn)行控制。

2.2 位置和速度檢測(cè)

位置信號(hào)通過(guò)3個(gè)霍爾傳感器得到，傳感器的輸出端直接連接到CAP/QEP引腳。3個(gè)霍爾傳感器的輸出信號(hào)為相位差為120°的脈沖信號(hào)，它們?cè)诿恳粋€(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)中共有6個(gè)上升或下降沿。將DSP的捕捉接口CAP1～CAP3設(shè)置為I/O口，檢測(cè)電平狀態(tài)就可以知道哪一個(gè)霍爾傳感器的什么沿觸發(fā)的捕捉中斷。本研究將捕捉口的電平狀態(tài)稱為換相控制字，根據(jù)表1所示的對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)換相。

位置信號(hào)還可以產(chǎn)生速度控制量。只要測(cè)得2次換相時(shí)間間隔Δt，就可以計(jì)算出2次換相間隔期的平均角速度。

2次換相的時(shí)間間隔Δt可以通過(guò)捕捉中斷發(fā)生時(shí)讀定時(shí)器2的T2CNT寄存器的值來(lái)獲得。

表1 換相控制字與換相的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.3 速度調(diào)節(jié)

速度調(diào)節(jié)采用最通用的PI算法，計(jì)算公式為

其中:Vk為速度調(diào)節(jié)輸出;ek為第k次速度偏差;Kp為速度比例系數(shù);Ki為速度積分系數(shù);T為速度調(diào)節(jié)周期。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于直流電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)同樣需要位置信號(hào)，因此通過(guò)3個(gè)霍爾傳感器的輸出來(lái)判斷應(yīng)該先給哪兩相通電，并且給出一個(gè)不變的供電電流，直到第1次速度調(diào)節(jié)。根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)控制程序如圖3～4所示。

圖3 主程序框圖

圖4 捕捉中斷子程序框圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究所設(shè)計(jì)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)利用了TMS320LF2407A芯片運(yùn)算速度快、閃存大等特點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)模轉(zhuǎn)換(A/D)迅速、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，能使電動(dòng)機(jī)迅速加速運(yùn)轉(zhuǎn)，是當(dāng)前直流電動(dòng)機(jī)快速控制的主流方式。

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