基于dsPIC30F4012的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳青萍

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州213164)

0引 言

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是由電機(jī)本體(定子側(cè)為電樞，轉(zhuǎn)子側(cè)為永磁體)、位置傳感器和電子換向線路三大部分組成，如圖1所示［1］。

圖1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)框圖

由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)沒(méi)有換向器和電刷組成的機(jī)械接觸機(jī)構(gòu)，因此無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)沒(méi)有換向火花，壽命長(zhǎng)，運(yùn)行可靠、維護(hù)簡(jiǎn)便，因此在需要長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的風(fēng)機(jī)和泵的負(fù)載條件下得到了廣泛的應(yīng)用。

1基于dsPIC的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如下:輸入額定電壓為直流270 V、輸入額定電流4．2 A、額定電機(jī)轉(zhuǎn)速為12 000±200 r/min，額定輸出功率1 000 W;產(chǎn)品具有軟起動(dòng)、轉(zhuǎn)速可調(diào)、溫度保護(hù)的功能;結(jié)合要求，我們選擇dsPIC30F4012作為主控制芯片，其A/D通道、I/O等能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要，經(jīng)濟(jì)性也較好。

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制方案采用典型的三相六狀態(tài)電路［3］，其主電路框圖如圖2所示。

圖2 控制電路主框圖

其工作原理是輸入功率電源270 V電壓通過(guò)濾波電路后施加在由功率MOSFET管組成的三相功率橋上;由霍爾換相信號(hào)檢測(cè)與整形電路產(chǎn)生的三路轉(zhuǎn)子位置信息信號(hào)經(jīng)dsPICF4012處理后產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，通過(guò)功率驅(qū)動(dòng)模塊，輸出三組電機(jī)方波驅(qū)動(dòng)電壓，依次給電機(jī)三相繞組導(dǎo)電，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 dsPIC30F4012外圍電路

(1)dsPIC30F4012外圍電路設(shè)計(jì)

外圍電路主要包含仿真接口、模擬輸入接口、振蕩電路、復(fù)位電路、通信接口等。電路如圖3所示，實(shí)驗(yàn)證明該外圍電路能夠使芯片正常穩(wěn)定工作。

(2)MOS管驅(qū)動(dòng)電路及三相全橋功率變換電路設(shè)計(jì)

為了保護(hù)邏輯電路安全工作并產(chǎn)生足夠大的電流驅(qū)動(dòng)功率MOS管，必須采用一定的裝置來(lái)滿(mǎn)足這一功能。6ED003L06-F是Infineon生產(chǎn)的MOS功率器件專(zhuān)用柵極驅(qū)動(dòng)集成電路，可輸出的最大正向峰值驅(qū)動(dòng)電流為440 mA，通過(guò)內(nèi)部自舉技術(shù)，外部的三個(gè)高反壓快恢復(fù)二極管D2、D3、D4和自舉電容C37～C42可以產(chǎn)生足夠的電流驅(qū)動(dòng)功率MOS管。本文采用典型的三相全橋功率變換電路，采用SPW47N60C3高壓功率MOS管，可通過(guò)的最大電流為47 A、耐壓650 V，滿(mǎn)足本文的技術(shù)要求。電路如圖4所示。

圖4 MOS管驅(qū)動(dòng)電路及三相全橋功率變換電路

(3)溫度保護(hù)電路及參數(shù)設(shè)計(jì)

本文采用NTC熱敏電阻，保護(hù)電路及參數(shù)如圖5所示。

表1 NTC熱敏電阻的溫度特性

圖5 溫度保護(hù)電路

NTC為熱敏電阻，過(guò)溫電路一直有效。常態(tài)下，溫度處于120℃以?xún)?nèi)，U9B的MCP6002的引腳7的輸出一直保持在高電平狀態(tài)(該引腳的低電平狀態(tài)會(huì)引起單片機(jī)的外部中斷)，當(dāng)NTC的溫度達(dá)到120℃時(shí)，保護(hù)電路將在U9B的MCP6002的引腳7輸出低電平，并輸入dsPIC單片機(jī)的INT1引腳，引發(fā)中斷并關(guān)斷所有的PWM脈沖輸出，從而達(dá)到過(guò)溫保護(hù)的作用。

(4)母線電流檢測(cè)電路及參數(shù)設(shè)計(jì)

為了對(duì)電流進(jìn)行有效控制，采用電流環(huán)控制，因此需實(shí)時(shí)精確測(cè)量母線電流，電路如圖6所示。

圖6 母線電流檢測(cè)電路

電路采用差分放大的形式，可有效解決DGND與AGND間的電平不等帶來(lái)的誤差問(wèn)題。

2實(shí)驗(yàn)研究

圖7 程序流程圖

在調(diào)試完成的硬件平臺(tái)上，編制控制系統(tǒng)的換相和速度控制PI程序，并進(jìn)行了帶載調(diào)試。換相和速度控制PI程序的流程圖如圖7所示。

(1)控制系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程

電機(jī)起動(dòng)時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)為零，因此起動(dòng)電流:

式中:racp為電樞繞組的平均電阻;ΔU是功率管飽和管壓降。

因此起動(dòng)電流可為正常工作電流的幾倍到幾十倍，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)不能正常起動(dòng)并影響其他系統(tǒng)工作，在低壓起動(dòng)過(guò)程中的母線電壓波形如圖8所示。

圖8 低壓起動(dòng)母線電壓波形

波形表明，起動(dòng)電流過(guò)大導(dǎo)致了電源電壓的迅速下降，因此在母線上并聯(lián)兩個(gè)450 V/220 μF的電解電容后，電機(jī)能夠正常起動(dòng)。

(2)電機(jī)正常工作時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)波形

電機(jī)正常起動(dòng)后，有部分電機(jī)出現(xiàn)了特別的反電動(dòng)勢(shì)波形，如圖9所示。在與其它幾組電機(jī)進(jìn)行比較后，確定在硬件和軟件上都沒(méi)有差異，因此確定為霍爾傳感器沒(méi)有在正確的位置，導(dǎo)致了反電動(dòng)勢(shì)波形的階躍式下降，在對(duì)霍爾傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)后，得到了正確的反電動(dòng)勢(shì)波形，如圖10所示。

圖9 異常反電動(dòng)勢(shì)波形

(3)過(guò)流保護(hù)電路及實(shí)驗(yàn)波形研究

在圖6的過(guò)流保護(hù)電路檢測(cè)平臺(tái)上，得到了如圖11所示的母線電流和相電流波形，母線電流能夠跟隨相電流變化，只是由于系統(tǒng)干擾等因素，出現(xiàn)了較多的毛刺，在采用軟件中位值平均濾波后，系統(tǒng)能夠進(jìn)行正常的母線過(guò)電流保護(hù)而避免誤動(dòng)作。

圖10 正常反電動(dòng)勢(shì)波形

圖11 過(guò)流保護(hù)電路實(shí)驗(yàn)波形

4結(jié) 語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)證明，本文基于dsPIC的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案具有理論可行性和良好的性?xún)r(jià)比，與電機(jī)聯(lián)合進(jìn)行的帶載實(shí)驗(yàn)及改進(jìn)措施表明了本方案軟硬件系統(tǒng)各部分的可靠性和先進(jìn)性。目前，此項(xiàng)目已進(jìn)入中試階段，具有較好的市場(chǎng)前景。

［1］ 張琛．直流無(wú)刷電機(jī)原理及應(yīng)用［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1996．

［2］ Microchip公司．dsPIC30F4011/4012數(shù)據(jù)手冊(cè)［M］．Microchip Technology Inc，2007．