基于F2806平臺(tái)無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

李軍科， 楊國(guó)華， 吳建軍

(1.江蘇省無(wú)線傳感系統(tǒng)應(yīng)用工程技術(shù)開發(fā)中心，江蘇無(wú)錫 214153;

2.無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院，江蘇無(wú)錫 214153)

0 引言

無(wú)刷直流電機(jī)采用電子換向原理，調(diào)速性能好、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、維護(hù)方便，在醫(yī)療儀器、機(jī)床工業(yè)、紡織工業(yè)、汽車等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)作為實(shí)時(shí)處理的高速度、高精度CPU，相對(duì)單片機(jī)可完成更加復(fù)雜算法的電機(jī)控制，DSP與無(wú)刷電機(jī)相結(jié)合是目前無(wú)刷直流電機(jī)(Brushless DC Motor，BLDCM)數(shù)字控制的熱點(diǎn)［1］。

TMS320F2806芯片作為美國(guó) TI公司的TMS320C2000TM系列產(chǎn)品，以高集成、高性能優(yōu)點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域產(chǎn)品開發(fā)提供了良好平臺(tái)。本文以TMS320F2806芯片(以下簡(jiǎn)稱F2806)為主處理器，完成了BLDCM驅(qū)動(dòng)器的外圍電路設(shè)計(jì)與軟件實(shí)現(xiàn)，并對(duì)樣品性能進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試。感器、控制電路及邏輯開關(guān)換向裝置。定子繞組所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)動(dòng)中轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁磁場(chǎng)，在空間始終保持90°電角度。這樣就使得兩個(gè)磁場(chǎng)產(chǎn)生最大平均轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動(dòng)電機(jī)不停地旋轉(zhuǎn)。如圖1所示，目前在無(wú)刷電機(jī)控制領(lǐng)域，六管全橋逆變器應(yīng)用最為廣泛。對(duì)VTx(x=1，2…6)如何控制，以便獲取最好的轉(zhuǎn)矩與調(diào)速性能十分重要。

圖1 三相星型BLDCM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 BLDCM原理及單斬PWM控制

BLDCM由定子與轉(zhuǎn)子組成，同時(shí)包含位置傳

如圖2所示。采用常用的兩兩導(dǎo)通Y型連接，每個(gè)瞬間只有兩個(gè)功率管VTx導(dǎo)通，每隔1/6周期換相一次，每次換相一個(gè)功率管，每個(gè)功率管導(dǎo)通120°電角度。各功率管的導(dǎo)通順序VT6VT1—VT1VT2—VT2VT3—VT3VT4—VT4VT5—VT6VT1。例如，當(dāng)功率管VT6VT1導(dǎo)通時(shí)，電流從VT1管流入A相繞組，再?gòu)腂相繞組流出，經(jīng)VT6管回到地。每次換相合成轉(zhuǎn)矩方向大小不變，方向按電角度60°變化。假設(shè)正轉(zhuǎn)按如上次序換相，反轉(zhuǎn)則逆次序換相。

圖2 兩兩導(dǎo)通Hpwm-Lon PWM方式

開關(guān)管控制采用PWM方式。不同的PWM方式對(duì)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)影響不同。必須選擇合適的調(diào)制方式使換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小。圖2給出了單斬控制PWM波調(diào)制過(guò)程。分析證明，在給定相同的占空比及相同的母線電壓下，單斬方式下繞組電流的穩(wěn)態(tài)值要大于雙斬方式下繞組電流的穩(wěn)態(tài)值，并且雙斬方式下功率開關(guān)動(dòng)態(tài)功耗大，發(fā)熱比較嚴(yán)重。本設(shè)計(jì)方案采用上橋 PWM，下橋恒通［2］。

2 系統(tǒng)硬件電路

控制器總體方案如圖3所示。以F2806為主控芯片，包括電流采樣與調(diào)理電路、逆變器功率驅(qū)動(dòng)電路、過(guò)電流保護(hù)電路、PC機(jī)通信RS-232接口電路、光藕隔離電路、轉(zhuǎn)速給定及系統(tǒng)電源電路。由于篇幅所限，只詳細(xì)介紹主控芯片、功率驅(qū)動(dòng)電路、電流檢測(cè)及系統(tǒng)電源電路。

F2806處理器是基于TMS320C2xx內(nèi)核的定點(diǎn)DSP，是集成度較高、性能較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制系列器件。F2806相比F2812提供了增強(qiáng)型外設(shè)模塊ePWM、eCAP和eQEP。內(nèi)核與I/O電壓1.8 V與3.3 V。時(shí)鐘頻率經(jīng)內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻后可達(dá)100 MHz。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電流與轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)與PWM邏輯輸出［3］。

功率驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，逆變功率開關(guān)管采用IRF540N，其額定電壓和額定電流分別達(dá)500 V和20 A，驅(qū)動(dòng)芯片采用 IR公司生產(chǎn)的IR2103，該芯片輸入HIN和輸出HO同相，LIN與LO反向。這一點(diǎn)與IR2101不同，后者輸入與輸出都同相。最高能夠驅(qū)動(dòng)直流電壓為600 V。輸入端HIN、LIN具有施密特觸發(fā)器，能夠自動(dòng)屏蔽小的擾動(dòng)，防止誤動(dòng)作。在系統(tǒng)上電復(fù)位時(shí)，DSP的電機(jī)PWM控制模塊要設(shè)置為通用IO口，HIN控制管腳設(shè)置低電平，LIN控制管腳接高電平。IRF540高電平導(dǎo)通。這樣就可以確保在復(fù)位時(shí)不會(huì)出現(xiàn)橋臂直通燒壞MOS管。這里給出了A相半橋驅(qū)動(dòng)電路。B相、C相驅(qū)動(dòng)電路與A相相同。自舉電容選擇10 μf無(wú)極性電容。開關(guān)管并聯(lián)快速恢復(fù)二極管US2D。0.22 Ω/2 W的兩個(gè)電阻并聯(lián)串接在直流母線與地之間完成電流采樣。

圖4 A相功率驅(qū)動(dòng)電路

圖3 BLDCM硬件總體方案圖

過(guò)電流保護(hù)電路如圖5所示。母線電流信號(hào)經(jīng)采樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸入“軌到軌”運(yùn)放LMV324放大。其中一路經(jīng)低通RC濾波器后輸?shù)紽2806的AD口，另一路作為L(zhǎng)M393比較器輸入，當(dāng)檢測(cè)電流大于設(shè)定電流時(shí)，LM393輸出高電平信號(hào)送IR2103接切斷PWM波輸出，以防意外事故發(fā)生。

圖5 過(guò)電流檢測(cè)電路

系統(tǒng)電源電路見(jiàn)圖6，UC3843是一種高性能固定頻率電流型控制器，包含誤差放大器、PWM發(fā)生器、PWM鎖存器、振蕩器、內(nèi)部基準(zhǔn)電源和欠壓鎖定等單元。開機(jī)時(shí)，24～50 V電壓經(jīng)電阻分壓后向UC3843芯片7腳提供16 V起動(dòng)電壓，正常工作后，變壓器輸出12 V電壓作為其工作電壓。反饋電壓與內(nèi)部誤差放大器同向輸入端基準(zhǔn)電壓比較，作電壓反饋控制。在開關(guān)管源極串接小阻值電阻電流采樣，作電流反饋控制。4腳時(shí)鐘振蕩器接定時(shí)電阻與定時(shí)電容。T1是高頻開關(guān)電源變壓器。12 V電壓輸出提供IR2103工作電壓，經(jīng)由7805芯片輸出5 V電壓。TI專用電源芯片TPS767HD318接受5 V輸入，并輸出兩路1.8 V/3.3 V供F2806內(nèi)核和外設(shè)單元。

圖6 系統(tǒng)電源電路

3 電機(jī)換相、轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)

3.1 換相與轉(zhuǎn)速計(jì)算

轉(zhuǎn)子位置信號(hào)是通過(guò)三個(gè)霍爾傳感器得到的，每一個(gè)霍爾傳感器都能夠產(chǎn)生180°脈寬的輸出信號(hào)。并且輸出信號(hào)互差120°相位角。這樣它們?cè)诿總€(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)中共有6個(gè)上升或者下降沿，分別對(duì)應(yīng)著6個(gè)換相時(shí)刻。將F2806的eCAP單元設(shè)置為雙沿觸發(fā)捕捉中斷功能。在每個(gè)中斷捕獲程序內(nèi)設(shè)置CAP1～CAP3為I/O輸入口，并檢查它們的電平狀態(tài)，由此修改ePWM1～ePWM3單元AQCSFRC、AQCTLA/B寄存器，實(shí)現(xiàn)開關(guān)管控制信號(hào)輸出。在捕獲中斷程序中，執(zhí)行換相后重新設(shè)置CAP1～CAP3捕獲狀態(tài)，等待下一次換相操作［4］。

3.2 轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)

電機(jī)轉(zhuǎn)速采用經(jīng)典PID控制。假設(shè)r(t)是給定值，y(t)是系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差e(t)，e(t)作為PID控制器

同時(shí)，轉(zhuǎn)子位置信號(hào)還用于檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速。選擇定時(shí)器0對(duì)兩次換相時(shí)間間隔頻率計(jì)數(shù)。在每次捕獲中斷中，首先把計(jì)數(shù)器的值保存在速度參數(shù)變量區(qū)，并與上次計(jì)數(shù)器的值相差，就能得到兩次換相的時(shí)間間隔。每次換相對(duì)應(yīng)60°轉(zhuǎn)子電角度變化。在捕獲中斷程序結(jié)束時(shí)對(duì)定時(shí)器先關(guān)后開，計(jì)數(shù)清零，進(jìn)行下次換相測(cè)量。電機(jī)轉(zhuǎn)速n、極對(duì)數(shù)p、定時(shí)器計(jì)數(shù)值T、計(jì)數(shù)頻率f四者之間關(guān)系可用式(1)計(jì)算［5］:的輸入，u(t)作為PID控制器的輸出和被控對(duì)象的輸入。模擬PID寫成式(2):

本系統(tǒng)采用TMS320F2806對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速作數(shù)字控制，需對(duì)模擬PID離散化處理，得到離散PID公式，如式(3)所示:

式中:Kp，Ki，Kd分別稱之為PID控制器的比例、積分、微分系數(shù)。

為了計(jì)算方便，對(duì)式(3)變化形式，只計(jì)算控制量的增量Δu，可以使用增量式PID控制算法，如式(4)所示:

可以看出，如果PID參數(shù)確定，只要用前后3次測(cè)量值的偏差，就可以由式(4)求出控制增量。結(jié)合上一次輸出Uk－1，可以計(jì)算當(dāng)前PID輸出Uk。

在實(shí)際控制電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，通過(guò)積分限幅和輸出限幅，可有效減小超調(diào)。為了使控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定，當(dāng)速度采樣誤差小于某設(shè)定閥值時(shí)，就可以認(rèn)為當(dāng)前次誤差為零，這樣可以避免一些小的擾動(dòng)引起的系統(tǒng)振蕩。PID轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在電流采樣中斷程序中完成。考慮到母線電壓、電流脈動(dòng)，程序中對(duì)電流、電壓采樣數(shù)值作多次平均計(jì)算。同時(shí)，在程序中設(shè)計(jì)PID調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)變量，以250 ms為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)間單位。PID輸出分別更新ePWM1、ePWM2、ePWM3 單元 CMPA.half.CMPA、CMPB比較寄存器［6］。

4 BLDCM軟件實(shí)現(xiàn)

本文項(xiàng)目程序在CCS2.2版本下完成。CCS代碼設(shè)計(jì)工作室是TI公司推出的集成可視化DSP軟件開發(fā)工具。無(wú)刷直流驅(qū)動(dòng)軟件主要包含三個(gè)功能模塊:主程序、捕獲中斷程序、adc采樣中斷程序。

主程序主要完成變量與參數(shù)的初始化設(shè)置。數(shù)據(jù)類型由 int、unsigned int、float組成，整個(gè)程序執(zhí)行浮點(diǎn)計(jì)算。分別定義hall信號(hào)狀態(tài)、電機(jī)轉(zhuǎn)向、直流母線電壓、電流、PWM占空比、轉(zhuǎn)速為基本變量。采用比例積分 PI調(diào)節(jié)，令微分系數(shù)Kd=0。Kp、Ki根據(jù)電機(jī)與負(fù)載環(huán)境采用“試湊法”方法確定。主程序開始階段，在系統(tǒng)初始化函數(shù)中對(duì)時(shí)鐘鎖相寄存器作10倍頻設(shè)置，確保主芯片在100 MHz工作。初始化eCAP1/2/3捕獲引腳為GPIO輸入。選擇ADCINA0/1為直流母線電壓與電流采樣通道。單序列SEQ1順序采樣。采樣中斷觸發(fā)起用ePWM周期匹配。ePWM1/2/3模塊六路輸出經(jīng)光耦隔離后經(jīng)IR2103驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，完成兩管導(dǎo)通H_pwm－L_on調(diào)制。BLDCM起動(dòng)時(shí)，占空比寄存器初始值設(shè)定為50%。eCAP、ePWM、ADC模塊初始化后，開中斷等待中斷發(fā)生［7-8］，如圖7所示。

圖7 BLDCM驅(qū)動(dòng)主程序

捕獲中斷程序主要完成三路hall信號(hào)電平檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)到狀態(tài)與電機(jī)轉(zhuǎn)向設(shè)定完成機(jī)械轉(zhuǎn)6次換相。ePWM單元管腳輸出有強(qiáng)制高、強(qiáng)制低、高有效及低有效四種不同情況。電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算時(shí)，定義定時(shí)器0中斷計(jì)數(shù)變量count為全局型。在捕獲中斷程序中讀count值可以確定兩次換相時(shí)間間隔，如圖8所示。

采樣中斷程序主要完成母線電壓與電流采樣，本項(xiàng)目中只對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行PI調(diào)節(jié)。電流電壓主要用于過(guò)/欠電壓、過(guò)電流保護(hù)。對(duì)多次采樣值作簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)平均完全可以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)采用增量PID算法，調(diào)節(jié)過(guò)程中每次增量值限幅，減少調(diào)節(jié)過(guò)程中振蕩現(xiàn)象，如圖9所示。HO、LO信號(hào)波形。這兩路波形完成A相上管與下管控制。上管PWM調(diào)制期間，下管保持截止?fàn)顟B(tài)。不存在死區(qū)控制。

圖11 A相上下橋開關(guān)管控制信號(hào)

圖8 捕獲中斷程序

圖9 采樣中斷程序

除此之外，系統(tǒng)通過(guò)F2806的SCI口完成了與上位機(jī)的RS-232通信。用戶可以通過(guò)PC機(jī)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、過(guò)流保護(hù)值設(shè)定，同時(shí)也可以把所出現(xiàn)的故障反饋給上位機(jī)，供上位機(jī)參考及處理。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

在前面理論分析與實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上構(gòu)建了試驗(yàn)系統(tǒng)。對(duì)F2806平臺(tái)無(wú)刷直流系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速性能測(cè)試。BLDCM型號(hào)選擇57BL，極對(duì)數(shù)4，額定功率80 W，額定電壓24 V，額定電流5 A，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min。

圖10是轉(zhuǎn)速設(shè)定2 000 r/min時(shí)霍爾傳感器兩路波形輸出。霍爾電路使用+5 V電源。霍爾信號(hào)周期 7 ms，兩路時(shí)延 4.7 ms，相位差 120°。測(cè)試結(jié)果還表明，選擇TDS1012B雙通道示波器檢測(cè)任意兩路霍爾信號(hào)，都滿足三相BLDCM霍爾信號(hào)相位角相差120°的設(shè)計(jì)要求。

圖12給出了A相上管PWM調(diào)制與C相下管恒通的HO與LO輸出波形。邏輯控制完全滿足圖2設(shè)計(jì)要求。兩次換相時(shí)間間隔為1.16 ms，即60°電角度換相。選擇下橋換相。

圖12 兩管導(dǎo)通H_pwm－L_on調(diào)制波形

圖13給出了帶載下A相電流“方波”波形。轉(zhuǎn)速給定，加大負(fù)載，電流的方波特征更為明顯。

圖10 兩路霍爾信號(hào)波形

圖13 A相電流波形(帶載)

圖11給出了A相半橋芯片IR2103輸出

6 結(jié)語(yǔ)

本文在F2806 DSP平臺(tái)上設(shè)計(jì)了BLDCM的調(diào)速系統(tǒng)的硬件與軟件，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。PI算法很好地改善了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)速性能，但換相瞬間產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題需要增加系統(tǒng)分析。

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