朱淑云， 黃燦英， 陳 艷

(南昌大學(xué) 科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 南昌 330029)

無(wú)刷直流電機(jī)是一種使用電子換相方式將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，具有良好的啟動(dòng)和調(diào)速性能，同時(shí)兼具易實(shí)現(xiàn)、易維護(hù)、穩(wěn)定性強(qiáng)和效率高的特點(diǎn)[1].在此背景下，無(wú)刷直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于航天、工業(yè)和醫(yī)療等領(lǐng)域[2-4]，然而隨著科技的進(jìn)步，無(wú)刷直流電機(jī)也逐漸轉(zhuǎn)換為由DSP專用芯片的全數(shù)字化控制[5-7].

目前，TI公司生產(chǎn)控制精度最高的DSP電機(jī)芯片具有大型算法的實(shí)時(shí)控制能力，例如卡爾曼濾波算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法及多種PID控制算法等[8-10].本文介紹了無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計(jì)了硬件電路，重點(diǎn)闡述了調(diào)速系統(tǒng)各模塊，其主要模塊包括速度環(huán)、電流環(huán)、轉(zhuǎn)子檢測(cè)換相、PWM波生成等，完成了無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，并測(cè)試了無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的具體性能.

1 結(jié)構(gòu)原理

無(wú)刷直流電機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)、位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)線路3部分組成，其具體組成如圖1所示.

圖1 無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of BLDCM

電動(dòng)機(jī)可分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分，定子由鐵心與電樞繞組構(gòu)成，具有能量轉(zhuǎn)換的作用，本文選用軸向氣隙和非重疊繞組類型的定子；轉(zhuǎn)子由極對(duì)數(shù)結(jié)構(gòu)的永磁體構(gòu)成，與定子繞組一起旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生足夠的電磁轉(zhuǎn)矩，保證電機(jī)的持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng).位置傳感器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的位置變化，并將其轉(zhuǎn)換為邏輯信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)功率的開(kāi)關(guān)控制，考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和體積因素，本文選用磁敏式傳感器作為無(wú)刷直流電機(jī)的位置傳感器.電子開(kāi)關(guān)線路一般由邏輯開(kāi)關(guān)和信號(hào)處理模塊組成，其中，邏輯開(kāi)關(guān)主要負(fù)責(zé)管理電源功率的分配，而信號(hào)處理模塊需要使用霍爾位置傳感器，負(fù)責(zé)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置信息[11-12].根據(jù)功率控制方法，無(wú)刷直流電機(jī)可分為半橋和全橋兩種；根據(jù)繞組連接方法，無(wú)刷直流電機(jī)可分為星形和三角形連接.本文選用全橋功率控制的三相星形電機(jī).

2 控制系統(tǒng)

2.1 控制方案

為了更加精確地控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，本文使用TI公司的TMS320F28335芯片進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)了無(wú)刷直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，其控制方案如圖2所示.

圖2 調(diào)速系統(tǒng)控制方案Fig.2 Scheme for speed control system

無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括電流檢測(cè)、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)和速度檢測(cè)等.調(diào)速系統(tǒng)的電流檢測(cè)主要通過(guò)調(diào)整波占空比改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，而本文選擇了霍爾電流傳感器完成檢測(cè)電流的任務(wù).轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)主要被用于控制電機(jī)的時(shí)間順序，為了準(zhǔn)確檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，本文在三相電機(jī)中安裝了3個(gè)霍爾位置傳感器，采集相應(yīng)的邏輯信號(hào)，并傳輸?shù)紻SP芯片進(jìn)行處理.本文選用了光電編碼器，該編碼器包含光柵編碼器和光電檢測(cè)器，即利用傳感器將光源的遮擋情況轉(zhuǎn)換為規(guī)律的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)DSP芯片處理，即可得到精確的電機(jī)轉(zhuǎn)速.

2.2 硬件電路

在無(wú)刷直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中，其硬件電路主要包含電源控制、DSP芯片控制、電流檢測(cè)、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)、轉(zhuǎn)速檢測(cè)、保護(hù)、功率驅(qū)動(dòng)、顯示等電路.其中，調(diào)速系統(tǒng)的電源控制電路使用了線性電源、無(wú)源電容濾波和整流電路為各個(gè)部件供電.功率驅(qū)動(dòng)電路使用集成的IGBT功率器件，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的換相和轉(zhuǎn)速控制等操作，其具體電路設(shè)計(jì)如圖3所示，其中，顯示電路選擇74AC245作為顯示屏LCD的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)相關(guān)信息的反饋。

3 軟件設(shè)計(jì)

為了完成無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，本文引入了適用于DSP專用芯片的集成開(kāi)發(fā)軟件CCS3.3.該軟件具有源程序編寫、鏈接、調(diào)試和結(jié)果分析等多種功能.該軟件有兩種運(yùn)行模式，第一種是軟件仿真模式，而第二種是硬件在線編程調(diào)試模式.本文使用第二種模式實(shí)現(xiàn)了編程和程序調(diào)試等功能.

3.1 系統(tǒng)主程序

在CCS3.3開(kāi)發(fā)環(huán)境中，本文使用C語(yǔ)言編寫系統(tǒng)的核心程序，其中包括系統(tǒng)主函數(shù)和主中斷程序.系統(tǒng)主函數(shù)程序需要實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)子功能的初始化，這些子功能包括外圍時(shí)鐘、PIE寄存器、GPIO、SCI& FIFO寄存器、CPU定時(shí)器、PID算法參數(shù)設(shè)置、PWM模塊、ADC模塊和HALL模塊等.而在主中斷程序中，系統(tǒng)需要具備霍爾信號(hào)的檢測(cè)能力，從而區(qū)分PWM模塊的輸出時(shí)序.系統(tǒng)的QEP模塊和ADC模塊需要具有速度、電流的采樣及運(yùn)算能力，實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)節(jié)，從而完成電機(jī)的調(diào)速.系統(tǒng)的主程序流程如圖4所示.

圖3 功率驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 Power drive circuit

3.2 速度環(huán)程序

在無(wú)刷直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中，速度的檢測(cè)和采樣等操作主要由QEP模塊的光電式編碼器完成，其具體過(guò)程描述如下：設(shè)A、B分別是光電式編碼器的兩路正交信號(hào)，進(jìn)行光耦隔離，并將其傳送給DSP芯片，經(jīng)過(guò)4倍鑒頻處理后，最終使用M/T測(cè)速方法得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并反饋到系統(tǒng)中.速度環(huán)程序的流程圖如圖5所示.

3.3 電流環(huán)程序

在速度環(huán)的檢測(cè)結(jié)果輸入之后，電流環(huán)需要使用霍爾傳感器將相電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)整后傳送給DSP芯片.然后利用芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能得到電流的采樣值，再將這些采樣值與速度環(huán)的輸出結(jié)果進(jìn)行比較和調(diào)節(jié)，最后得到電流環(huán)的檢測(cè)結(jié)果，具體的程序流程如圖6所示.

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖Fig.4 Flow chart of system main program

圖5 速度環(huán)程序流程圖Fig.5 Flow chart of speed loop program

圖6 電流環(huán)程序流程圖Fig.6 Flow chart of current loop program

3.4 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)程序

轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)程序是調(diào)速系統(tǒng)控制程序的重要環(huán)節(jié)，具體控制方法為：通過(guò)霍爾位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置變化，得到相應(yīng)的數(shù)字邏輯信號(hào)；經(jīng)過(guò)隔離操作再傳輸?shù)紻SP芯片的HALL檢測(cè)模塊中，程序流程如圖7所示.

圖7 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)程序流程圖Fig.7 Flow chart of detection program for rotor position

根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)的功率控制和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)工作原理，可以得出換相控制參數(shù)與開(kāi)關(guān)管工作狀態(tài)的具體對(duì)應(yīng)關(guān)系.令CAP1、CAP2和CAP3表示系統(tǒng)的3個(gè)霍爾位置傳感器(1表示檢測(cè)到信號(hào)，0表示未檢測(cè)到信號(hào))，HA、HB和HC表示邏輯信號(hào)，V1、V2、V3、V4、V5和V6表示6個(gè)開(kāi)關(guān)管，則正向轉(zhuǎn)換及反向轉(zhuǎn)換的對(duì)應(yīng)關(guān)系分別如表1、2所示.

表1 正向轉(zhuǎn)動(dòng)換相控制與開(kāi)關(guān)管對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.1 Corresponding relationship between commutation control of forward rotation and switch tubes

3.5 PWM程序

在所使用的DSP芯片中，有3個(gè)比較單元能夠生成6個(gè)PWM波形.通過(guò)死區(qū)單元、邏輯化處理和光耦隔離等硬件電路處理后，這些波形可以驅(qū)動(dòng)絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)運(yùn)行，從而控制無(wú)刷直流電機(jī)的電樞繞組換相和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速度.若PWM波占空比值增加，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加；否則，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低.

在PWM程序運(yùn)行過(guò)程中，為了保證逆變電路的正常運(yùn)行，還需在同相位的開(kāi)關(guān)信號(hào)之間預(yù)留死區(qū)時(shí)間.這是因?yàn)楫?dāng)某一電路元件未完全關(guān)閉時(shí)，若另一電路元件導(dǎo)通，則電路的兩個(gè)元件將產(chǎn)生短路，燒壞電路的多個(gè)元件.本文將絕緣柵雙極型晶體管的死區(qū)時(shí)間設(shè)置為2～5 μs.

表2 反向轉(zhuǎn)動(dòng)換相控制與開(kāi)關(guān)管對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 軟件仿真

為了驗(yàn)證電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的正確性，對(duì)該系統(tǒng)軟件進(jìn)行了仿真.在軟件仿真過(guò)程中，本文添加了相應(yīng)的圖形窗口，顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速的波形曲線圖.由于仿真的目的是考察無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟件的性能表現(xiàn)，所以圖形窗口的波形曲線圖應(yīng)顯示電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際反饋速度.

經(jīng)過(guò)多次仿真，本文給出了電機(jī)速度為750 r/min和1 200 r/min時(shí)的波形曲線圖，其波形曲線如圖8、9所示.同時(shí)，為了闡述系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)越性，本文還使用同樣的仿真技術(shù)，對(duì)基于NiosⅡ的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟件進(jìn)行了具體的測(cè)試，所得的波形曲線如圖10、11所示.

圖8 DSP電機(jī)速度為750 r/min時(shí)的波形圖Fig.8 Waveform of DSP motor at speed of 750 r/min

圖8～11中，中間的紅線表示無(wú)刷直流電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速，黑線表示無(wú)刷直流電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速.對(duì)比圖8和圖10可知，當(dāng)給定轉(zhuǎn)速為750 r/min時(shí)，基于DSP的無(wú)刷直流電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速有微小抖動(dòng)，總體保持穩(wěn)定；而基于NiosⅡ的直流電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，對(duì)比圖9和圖11也可以發(fā)現(xiàn)這樣的結(jié)論.當(dāng)給定轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時(shí)，無(wú)刷直流電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速抖動(dòng)小于給定轉(zhuǎn)速為750 r/min的抖動(dòng)，即該軟件系統(tǒng)在給定轉(zhuǎn)速較高時(shí)，其實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性更好.

圖9 DSP電機(jī)速度為1 200 r/min時(shí)的波形圖Fig.9 Waveform of DSP motor at speed of 1 200 r/min

圖10 NiosⅡ電機(jī)速度為750 r/min時(shí)的波形圖Fig.10 Waveform of NiosⅡ motor at speed of 750 r/min

圖11 NiosⅡ電機(jī)速度為1 200 r/min時(shí)的波形圖Fig.11 Waveform of NiosⅡ motor at speed of 1 200 r/min

5 結(jié) 論

基于DSP芯片、控制方案和相應(yīng)的硬件電路，通過(guò)使用CCS3.3軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，本文提出了無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字化運(yùn)行.然而，本文未分析軟件系統(tǒng)的魯棒性，同時(shí)，本文仍然是在PID算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，沒(méi)有應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊自適應(yīng)等新型算法，所以，如何保證系統(tǒng)的魯棒性，并將更加優(yōu)秀的算法和技術(shù)應(yīng)用到無(wú)刷直流電機(jī)的軟件設(shè)計(jì)方案中是未來(lái)研究和努力的方向.