基于ＤＳＰ的無刷直流電機速度控制系統(tǒng)

摘 要：為實現(xiàn)無刷直流電機的精確可控性，應(yīng)用TI公司的TMS320LF2407A DSP作為控制器建立了無刷直流電機全數(shù)字三閉環(huán)控制系統(tǒng)，并介紹了該電動機控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及軟件流程。該系統(tǒng)的控制算法采用變速積分PID算法，經(jīng)分析，該控制系統(tǒng)不僅成本低，結(jié)構(gòu)簡單，方便擴展，而且系統(tǒng)響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好。

關(guān)鍵詞：無刷直流電動機；DSP；控制系統(tǒng)；硬件；軟件

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0512103

Speed Control System of Brushless DC Motor Based onDSP

HAN Xuejun，HOU Jianxun，ZHANG Genyuan

(College of Electrical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin，132012，China)

Abstract：To realize the precise control of the Brushless DC Motor(BLDCM)，this paper proposes a digital control system of BLDCM with three-closed-loop using TMS320LF2407A Digital Signal Processor(DSP)of TI.The method of hardware electric circuit design and software programming are presented in detail.The digital PID control algorithm with the variable-integrator is also used in the system.The analysis shows that the control system has simple structure and good control function，such as good stability performance，fast response ability.

Keywords：brushless DC motor;DSP;control system;hardware;software

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(diào)速性能，在工業(yè)領(lǐng)域，尤其是調(diào)速和伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用^[1]。高速數(shù)字信號處理器(DSP) [2] 在伺服系統(tǒng)^[3]中的應(yīng)用，大大簡化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(shè)計

由直流電動機的運動方程可知:加速度與電動機的轉(zhuǎn)矩成正比，而轉(zhuǎn)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(shè)置了速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間實行串級連接，把速度調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)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(nèi)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(zhuǎn)化為數(shù)字量，轉(zhuǎn)子位置信號則用于產(chǎn)生正確的轉(zhuǎn)子換向，光電編碼器檢測電機的轉(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn)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(diào)的PWM信號，通過調(diào)整PWM信號寬度以控制功率管的開、關(guān)時間，從而實現(xiàn)對無刷電機的控制。

rushless 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(diào)速性能，在工業(yè)領(lǐng)域，尤其是調(diào)速和伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用^[1]。高速數(shù)字信號處理器(DSP) [2] 在伺服系統(tǒng)^[3]中的應(yīng)用，大大簡化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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)。

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(jié)構(gòu)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Ua與反饋位置信號Ub的偏差經(jīng)過(位置環(huán))PID^[4，5]調(diào)節(jié)得到速度的參考值Vg，控制器根據(jù)測出的反饋位置信息計算出當前轉(zhuǎn)速ωs，Vg 與ωs在DSP中進行PI計算(速度環(huán))得到電流的給定電壓參考值Uig，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(zhuǎn)換得到當前主回路的電流反饋電壓值Uif，將Uif與Uig進行PI計算，得到的電流調(diào)節(jié)器的輸出去調(diào)節(jié)占空比，進而控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實現(xiàn)對無刷直流電動機位置、轉(zhuǎn)速、電流或轉(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)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(diào)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(diào)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(shè)定值時再將積分作用加入。這樣既可以避免超調(diào)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(yīng)曲線和位置階躍式跟蹤結(jié)果。

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

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(gòu)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(guān)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(yīng)于橋臂的開關(guān)組合:V1V6，V6V3，V3V2，V2V5，V5V4，V4V1，V1V6……這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)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(dǎo)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(zhuǎn)動電角度60°，如此循環(huán)，無刷直流電機將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動負載作連續(xù)轉(zhuǎn)動，反過來即可實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。

3.1 相電流的檢測

在該設(shè)計方案中，功率電子主回路采用兩兩通電方式，在任意時刻，電流僅僅流入三相繞組中的兩相，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(zhuǎn)換通道，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換以后，得到合適的電流信號。在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束以后，A/D轉(zhuǎn)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50 μs，DSP對相電流進行采樣，從而實現(xiàn)了頻率為20 kHz的電流調(diào)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(diào)節(jié)。

3.2 磁極的位置檢測

采用DSP 控制電機時，無需再設(shè)計專門的PWM調(diào)制電路，因此選用TMS320LF2407A DSP來實現(xiàn)三相無刷直流電機調(diào)速的控制和驅(qū)動電路。本設(shè)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(zhuǎn)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(nèi)通用定時器2用作捕獲單元的時基，定時器2設(shè)為連續(xù)計數(shù)模式，其周期寄存器(T2PER)被設(shè)定為0FFFEH，預(yù)定標因子被設(shè)定為128;當CPUCLK=20 MHz時，定時器的這種設(shè)置使得電動機的最小可調(diào)整轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動速度。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的時間內(nèi)，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(zhuǎn)速可通過下式計算得到:

式中，θ為機械角度；T為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(shè)置相應(yīng)的中斷標志。在中斷服務(wù)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(zhuǎn)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(shè)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(shè)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(shè)定LF2407A片內(nèi)多路復(fù)用的I/O口功能及其極性)、初始化中斷設(shè)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(diào)節(jié)子程序、ADC轉(zhuǎn)換中斷子程序(位置調(diào)節(jié)子程序，速度調(diào)節(jié)子程序，電流調(diào)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(shè)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(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)；當|e(k)| ≤ε時，采用PID控制，保證系統(tǒng)的控制精度。

5 結(jié) 語

本文應(yīng)用TI公司的TMS320LF2407A DSP設(shè)計了一個基于位置、速度、電流三閉環(huán)結(jié)構(gòu)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(diào)速方面的研究都有重要意義。

參考文獻

［1］張琛.直流無刷電動機原理及應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社，2004.

［2］王曉明，王玲.電動機的DSP控制——TI公司DSP應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［3］胡楷，潘孟春，張忠懷.全數(shù)字化無刷直流電機伺服系統(tǒng)[J].電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2006，19(2):121-123.

［4］羊彥，景占榮，畢強.無刷直流電動機數(shù)字PID控制的研究[J].電機與控制學(xué)報，2004，7(4):299-302.

［5］謝世杰，陳生譚，樓順天.數(shù)字PID 算法在無刷直流電機控制器中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，27(2):59-61.

作者簡介 韓學(xué)軍 男，1953年出生，吉林人，碩士，教授。主要研究方向為電力電子與電力傳動。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文?！?/p>