基于TMS320F2812的無傳感器無刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

徐 宇，傅惠南，劉 凱

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

0 引言

無刷直流電機(jī)是近年來隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展而涌現(xiàn)出的一種新型直流伺服電機(jī)。無刷直流電機(jī)以電子換向器代替機(jī)械換向而實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的換相，既具備交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)[1]。對(duì)于無傳感器無刷直流電機(jī)的控制，有些采用單片機(jī)加專用控制芯片來控制，雖降低了控制的復(fù)雜性和控制系統(tǒng)的成本，但單片機(jī)的指令功能不強(qiáng)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度慢，尤其是對(duì)于無位置傳感器的無刷電機(jī)，還需檢測(cè)電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)子位置，使得它在運(yùn)行速度和控制精度上往往無法達(dá)到要求。DSP 是一種高速信號(hào)處理芯片，其對(duì)電機(jī)的控制原理和單片機(jī)一樣，但DSP 擁有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，能使用一些先進(jìn)的控制策略，從而提高控制器和電機(jī)的性能。本文采用TMS320F2812 處理器為中心，搭建了無刷電機(jī)的雙閉環(huán)（電流、速度）數(shù)字化控制平臺(tái)。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)原理如圖1 所示。主要由功率放大與光耦隔離電路、無刷直流電機(jī)、反電勢(shì)過零檢測(cè)電路、相電流檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)逆變電路、保護(hù)電路和以TMS320F2812 為核心的控制器等7 部分組成。TMS320F2812 芯片具有較高的信號(hào)處理速度以及較強(qiáng)的運(yùn)算能力，可以實(shí)現(xiàn)無刷電機(jī)高精度、高效率的全數(shù)字化控制[2]。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該控制器采用了PWM調(diào)試方式實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷直流電機(jī)的控制。其中DSP的6路PWM輸出端口經(jīng)光耦隔離電路進(jìn)行強(qiáng)弱電隔離，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)六個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管，從而實(shí)現(xiàn)三相無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制。其中，電流檢測(cè)形成負(fù)反饋，還通過檢測(cè)無刷直流電機(jī)端電壓估算轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)位置和相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。因此可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度環(huán)和電流環(huán)的兩閉環(huán)控制。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 光耦隔離與功率放大電路

由于TMS320LF2812 DSP 芯片輸出的6 路PWM信號(hào)為3.3V而不足以驅(qū)動(dòng)功率管的通斷。因此在控制信號(hào)和功率管之間加入功率放大電路，本系統(tǒng)采用驅(qū)動(dòng)芯片IR2106來實(shí)現(xiàn)功率放大，其中IR2106是專用的半橋驅(qū)動(dòng)芯片，可輸出兩路輸出脈沖，驅(qū)動(dòng)延時(shí)信號(hào)為ns 級(jí)，開關(guān)頻率在20kHz 以上，能夠產(chǎn)生10～20V 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，符合功率驅(qū)動(dòng)電路的要求。此外出于安全考慮，采用光耦使控制部分和功率部分隔離，有利于對(duì)控制器提供保護(hù)和減少干擾。

如圖2 所示，在圖2 中由控制器發(fā)出的兩路PWM 脈沖信號(hào)經(jīng)反相器74HC04 反相后經(jīng)高速光耦隔離器件6N137，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電隔離，再經(jīng)反相器反相從而得到和控制器發(fā)出的相同的波形信號(hào)。然后，該信號(hào)分別輸入到IR2106 的HIN 和LIN 引腳，根據(jù)IR2106 芯片的驅(qū)動(dòng)輸出規(guī)則得到15VPWM 電壓信號(hào)，故足以驅(qū)動(dòng)全橋電路功率管的通斷。

2.2 逆變主電路與端電壓檢測(cè)電路

圖2 光耦隔離與功率驅(qū)動(dòng)電路

圖3 逆變電路與端電壓檢測(cè)電路

本系統(tǒng)主功率電路采用三相全橋逆變電路，主功率開關(guān)器件采用東芝公司的MOSFET K2544。K2544擁有較快的開關(guān)速度，且其內(nèi)部集成有反向快速恢復(fù)二極管，可以對(duì)MOS管起保護(hù)作用而不用外接。六個(gè)MOSFET K2544 按一定的順序通斷將直流電逆變?yōu)榻涣麟娞峁┙o三相無刷直流電動(dòng)機(jī)的定子繞組。

本文中無刷直流電機(jī)內(nèi)部沒有位置傳感器，故采用反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)法來判斷轉(zhuǎn)子換相時(shí)刻[3]。通過對(duì)電機(jī)三相端電壓的檢測(cè)來判斷反電動(dòng)勢(shì)過零時(shí)刻從而再延長30°電角度到達(dá)換相時(shí)刻。由于直接檢測(cè)A、B、C相端電壓時(shí)，發(fā)現(xiàn)端電壓波動(dòng)非常大，不利于信號(hào)采集和分析處理，且端電壓幅值較大無法直接連接于DSP 的A/D 轉(zhuǎn)換端口，故采用分壓濾波處理。電路如圖3所示。

2.3 相電流檢測(cè)電路

相電流檢測(cè)通常采用電阻采樣、霍爾電流檢測(cè)器采樣以及電流互感器采樣三種方式[4]。由于霍爾電流檢測(cè)器采樣方式精度較高，故本系統(tǒng)采用南京中霍傳感科技有限公司的霍爾傳感器TBC25C04 對(duì)電機(jī)相電流進(jìn)行采樣。TBC25C04 為多量程的電流傳感器，基于磁補(bǔ)償原理，可用于測(cè)量直流、交流或脈動(dòng)電流。該電流傳感器具有高精度、溫漂小、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，且還可以通過初級(jí)引腳的連接方式獲得不同的放大倍數(shù)。

由于DSP 的A/D 端口的輸入電壓范圍為0～3.3 V。故電流采樣電路的輸出信號(hào)不能直接連接于DSP的A/D端口，必須對(duì)TBC25C04的輸出電流調(diào)理后才能輸入到其A/D 端口。其中調(diào)理電路主要包括電壓跟隨和電壓提升。如圖4 所示，TBC25C04的輸出電流信號(hào)OUT經(jīng)過一個(gè)100 Ω 采樣電阻后±25 mA的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為±2.5 V的電壓信號(hào)。然后經(jīng)過一個(gè)RC 濾波再由運(yùn)放TL084 構(gòu)成的電壓跟隨及電壓提升電路將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～3 V。

2.4 過流過壓保護(hù)電路

為了出現(xiàn)故障時(shí)可以保護(hù)各個(gè)部件，系統(tǒng)還配備了保護(hù)電路。它主要包括過流保護(hù)、過壓欠壓保護(hù)電路。如圖5 所示，電流信號(hào)通過R1電阻的采樣再經(jīng)過濾波進(jìn)入比較器LM324 的負(fù)輸入端。若流過R1的電流大于設(shè)定值，則此電壓會(huì)大于5 V 從而輸出低電平。如當(dāng)R1=5 Ω 時(shí)，限流電流為：Iout=5V/5Ω=1A。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)的主程序流程圖如圖6 所示，主要包括系統(tǒng)初始化、三段式起動(dòng)、自同步運(yùn)行程序。其中，三段式起動(dòng)包括轉(zhuǎn)子預(yù)定位、外同步加速和自同步切換三個(gè)階段[5-7]。自同步運(yùn)行程序包括位置信號(hào)提取，轉(zhuǎn)速估算，換相邏輯判斷以及速度電流閉環(huán)控制。

圖4 相電流檢測(cè)電路

圖5 保護(hù)電路

圖6 主程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文以電腦硬盤上的主軸無刷直流電機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采用H_PWM-L_ON 的PWM 單邊調(diào)制方式。圖7、圖8及圖9分別表示控制器的功率管橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)、分壓濾波后端電壓信號(hào)和電機(jī)端電壓信號(hào)。由圖7 中可以看出，驅(qū)動(dòng)電壓波形平整有利于對(duì)驅(qū)動(dòng)橋的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)。由圖9 中可以看出，電機(jī)端電壓波動(dòng)較大，但經(jīng)過分壓濾波后如圖8 所示，波形干擾較小，且幅值控制在1 V 以內(nèi)，有利于控制器的信號(hào)采集與分析，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 A相上、下橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)

5 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的控制方案實(shí)現(xiàn)了無位置傳感器無刷直流電機(jī)的雙閉環(huán)控制方式，利用端電壓獲取轉(zhuǎn)子位置信號(hào)及對(duì)轉(zhuǎn)速的估算，并利用電流傳感器得出較高精度的電流信號(hào)用于二次轉(zhuǎn)速估算及調(diào)整，使得此系統(tǒng)具有較高的靈敏度和可靠性。此外，若對(duì)該系統(tǒng)軟件部分進(jìn)行適當(dāng)修改可實(shí)現(xiàn)一些更先進(jìn)的控制策略，如模糊控制，以達(dá)到更高的控制精度。

圖8 A、B相分壓濾波后端電壓信號(hào)

圖9 A、B相端電壓信號(hào)

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