dsPIC30F6010的直流無刷電機控制系統

張健，王笑竹

（營口理工學院 機電工程系，營口115014）

引 言

無刷直流電動機作為機電一體化產品，既具備交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等一系列優點，又具備有刷直流電機的運行效率高、無勵磁損耗以及調速性能好等諸多優點。同時，它克服了有刷直流電機由于機械電刷和換向器的存在所帶來的噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等弊病，并且制造成本低，簡化了電機的維修，因此在工業上（特別是微特電機領域），以及在小功率、高轉速的調速領域的應用越來越廣泛。

基于dsPIC30F6010微處理器的無刷直流電機控制系統，分析了永磁無刷直流電動機的工作原理，并建立數學模型，然后根據原理和模型制定出無刷直流電動機的調速系統方案，并仿真得到理論上的PI參數。根據調速系統方案，在MPLAB系統開發平臺上運用匯編語言分別用電機自帶的位置傳感器和反電動勢過零檢測法兩種方法進行編程、調試，實現無刷直流電動機的數字控制。

1 無刷直流電動機數學模型

式中：ua，ub，uc表示電機三相相電壓；ea，eb，ec表示電機各相反電勢；ia，ib，ic表示電機三相相電流；La，Lb，Lc表示電機三相繞組的自感；R、Lσ為每相繞組電阻和電感；ω為轉子電角速度；θ為轉子電角度；un為定子繞組中性點電壓；t為時間量[1-2]。

由于每相繞組漏電感等效為常數，即d Lσ/dt＝0，所以可將式（1）～（3）整理成下式：

無刷直流電動機的電磁轉矩方程如下：

式中：Te為電機的電磁轉矩；ω為電機轉子的機械角速度，可以看出其轉矩方程與普通直流電機方程相似，轉矩隨著電流幅值的增大而增大。

給任意兩相無刷直流電動機通電，假設無轉矩脈動，相電流與之對應的感應電動勢平頂部分完全重合，則發現任意兩相相電流大小相等，方向相反，不通電相相電流為零，通過式（5）得出電磁功率和電磁轉矩，分別表示如下：

無刷直流電機的運動方程為：

式中：TL為負載轉矩；B為阻尼系數；J為轉動慣量。

2 系統控制方案

由于受IGBT等器件的功率限制，PWM調速只能應用在中、小功率情況下，電機為小功率電機，用PWM改變電樞端電壓進行調速。

理想無刷直流電動機的感應電動勢和電磁轉矩公式如下[3-7]：

其中：Np為通電導體數；l為轉子鐵心長度；r為轉子半徑；is為定子電流。無刷直流電動機調速原理框圖如圖1所示。

2.1 有位置傳感器法

給定轉速與速度反饋量形成偏差，經速度PI調節后產生電流參考值，與電流反饋值的偏差經電流PI調節后形成PWM占空比的控制量，實現電動機的速度控制。

2.2 反電勢過零檢測法

三相無刷直流電動機每轉過60°需要換相一次，而轉過一周需要6個換相點。無刷直流電機在任意6個換相階段，只有兩相通電并且通電電流方向相反，第三相不通電，相電流為零。假設其為斷開相，則可列出方程：

圖1 無刷直流電動機調速原理框圖

將三個分式相加可得：

無論哪一相感應電動勢的過零點，都存在EA＋EB＋EC＝0的關系成立。在感應電動勢過零點有：

可得出任意相感應電動勢方程為：

3 控制系統硬件結構設計

dsPIC30F6010為16位（數據）改進的哈佛結構，是一款專為電機控制應用設計的80引腳的DSC，運算靈活，數據處理能力強（內部有兩個40位的累加器），指令集靈活并且支持小數運算。

3.1 有位置傳感器法硬件系統

有位置傳感器法無刷直流電動機硬件系統框圖如圖2所示。

圖2 有位置傳感器法無刷直流電動機硬件系統框圖

3.2 反電勢過零檢測法硬件系統

反電勢過零檢測法無刷直流電動機硬件系統框圖如圖3所示。

4 控制系統的軟件設計

4.1 有位置傳感器程序總體結構設計

圖3 反電勢過零檢測法的硬件系統框圖

軟件設計主要采用 MPLAB IDE 7.40作為開發環境。整個控制系統的軟件部分由主程序、A/D中斷服務子程序（其中包括速度調節子程序和電流調節子程序）、電平變化中斷子程序以及故障引腳子程序和中斷陷阱組成。

主程序主要完成控制器系統時鐘模塊的初始化（為計算兩相換相時間）、中斷的設置、電機的初始位置檢測，之后主程序進入循環等待，直到觸發中斷跳入中斷子程序。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

4.2 反電動勢過零檢測法程序總體結構設計

主循環程序框圖如圖5所示。

圖5 主循環程序框圖

5 實驗研究

實驗所用電機為方波驅動的三相無刷直流電動機。電機內置的霍爾位置傳感器采用SS41霍尼韋爾開關量位置傳感器。相關參數如下：額定轉速3000 rpm、額定轉矩0.22 N·m、轉矩系數0.0522 Nm/A、額定電源電壓24 V、額定功率70 W、額定電流5.18 A、5對極、三相繞組電阻0.488Ω、三相繞組自感1.19 mH、電勢系數0.0482 Vs/rad、電氣時間常數2.44 ms、機械時間常數0.338 ms。

5.1 無刷直流電動機的開環試驗

分別測量6組數據，并記錄下轉速和與之對應的占空比，表1為一定占空比情況下電機所對應的轉速。從試驗現象可以看出，電機在空載或輕載條件下，系統能夠快速、穩定地達到設定轉速，調速范圍寬。其中，電機轉速在有位置傳感器條件下達到了100～2 850 r/min，整個系統能很好地實現電機的啟動、轉動、停止、反轉等功能。在反電動勢過零檢測法中，電機由于受到感應電動勢檢測困難的影響，啟動速度在730 r/min以下時，會造成電機轉動不連續或停止，但是在800 r/min以上時運行良好，與有位置傳感器在轉速上相比較，要比有位置傳感器更快。

表1 占空比對應的轉速

一方面可能是試驗所用電機的霍爾信號安裝工藝與感應電動勢之間存在差異，另一方面可能是電機自身電磁干擾、高頻PWM信號對位置反饋信號電路的干擾等影響了位置反饋的精度造成的。這更加證實了無位置傳感器應用在無刷直流電動機上的優越性。

5.2 無刷直流電動機兩種方法的閉環試驗

圖6可視為二階系統，從啟動到電機穩定運行共經過3 000個速度采樣點，每一次速度調節需6.4 ms。電機啟動時間為t＝1 s，上升時間tr＝3.03 s，峰值時間為tp＝3.10 s，最大超調量 Mp＝8%，調整時間為ts＝8.22 s，延遲時間為td＝2.48 s，在調整時間內響應曲線的振蕩次數為3次。開始的預定位時間為1 s，后突然換相，使得圖中0～4.5 s處振蕩頻繁且啟動調整時間長，屬于正常現象。采用雙比例調節時，電機啟動正常、系統超調量小、轉速精度較高。

圖6 位置傳感器法PI調節速度曲線

圖7同樣可視為二階系統，每一次速度調節需要10 ms，經過3 000采樣點后可知電機橫軸單位1代表30 s，其中電機定位時間為1 s。電機啟動時間為t＝3 s，上升時間tr＝2.11 s，峰值時間為tp＝2.50 s，最大超調量Mp＝5%，調整時間為ts＝7.68 s，延遲時間為td＝1.03 s，在調整時間內響應曲線的震蕩次數為4次。從圖中可以看出，采用PI調速系統時，電機啟動平穩、系統超調量小、轉速精度高。

圖7 反電動過零檢測法比例調節速度曲線

結 語

專用電機控制芯片硬件結構簡單、控制能力強、軟件實現方便、控制精度高、實時性強，能實現更為復雜的算法，升級空間較大，其高速的執行性能和豐富的內置資源很好地滿足了高性能無刷直流電動機調速控制系統的設計要求。開環環境下可以很迅速地達到速度要求，在閉環控制中啟動、運行良好，反應速度快。

本文利用dsPCI30F6010實現了電動機的全數字化控制，充分體現了系統控制和算法上的優越性。

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