无刷直流电机控制

摘要：该文介绍了数字信号处理在无刷直流电机控制中的应用，着重介绍以TMS320LF2407AAA为核心，实现无刷直流电机控制的硬件结构及软件算法。
关键词：数字信号处理；无刷直流电机；PWM控制
1、引言
数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应。用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。。无刷直流电动机采用电子换向器替代了传统直流电动机的机械换向装置，从而克服了电刷和换向器所引起的噪声、火花、电磁干扰、寿命短等一系列弊病，具有体积小、重量轻、效率高、惯量小和响应快等特点。由于无刷直流电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具有直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，故其在工业领域中的应用越来越广泛。
对无刷直流电机的控制经历了从模拟控制电路到以单片机为核心的数字控制电路的发展过程。随着控制理论的发展和控制器性能要求的提高，单片机自身存在的运算速度较慢的缺点，使其难以实现对电机实时控制的要求，不能满足复杂而先进的控制算法。DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号 ，转换为0或1的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色
DSP微处理器（芯片）一般具有如下主要特点：
（1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；
（2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；
（3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；
（4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；
（5）快速的中断处理和硬件I/O支持；
（6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；
（7）可以并行执行多个操作；
（8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。DSP在电机控制方面的应用是一个新领域。本文以美国德州仪器公司公司的TMS320LF2407AA为例介绍DSP在这方面的应用。

2、三相直流无刷电机控制

2.1三相无刷直流电机星形联结全桥驱动原理

无刷直流电机有多相结构，由于无刷直流电机绕组是断续通电，适当提高绕组通电利用率可以使同时通电绕组数增加，使电阻下降，提高效率。从这个角度看，三相比四相好，四相比五相好。并且无刷直流电机输出转矩波动比普通直流电机大，电机相数越多，转矩波动越小，而全桥比半桥波动小。但相数越多，所需要的开关管越多，控制成本越高。综合以上原因，实际应用中，三相桥式驱动方式用得最广。
以三相无刷直流电机星形联结全桥驱动为例，主电路如图所示。开关管的排列顺序采用图中所示的上桥臂1，3，5，下桥臂，2，4，6的顺序。根据位置传感器传来的转子位置信号，按照一定的逻辑关系触发6个功率器件，使A、B、C三相绕组通电，即可实现电机的转动控制：如从VT1，VT4（AB通电）→VT1，VT6（AC通电）→VT3，VT6（BC通电）→VT3，VT2（BA通电）→VT3，VT2（CA通电）→VT5，VT4（CB通电），如此循环，反过来即可实现反转。

2.2三相直流无刷电机调速控制系统框图

系统采用双闭环控制。给定转速与速度反馈的偏差量经过速度调节控制得出电流参考量，与电流反馈的偏差量经过电流调节形成控制量，通过调节PWM的占空比实现转速控制。

3、系统硬件

3.1前向通道设计 ：

采用TMS320LF2407A为系统控制器，以功率场效应管（MOET）作为功率变换元件，采用二二导通来控制功率场效应管（MOET）实现换相，采用PWM方式控制电机的转矩和转速。从TMS320LF2407A来的PWM控制信号连至驱动电路，驱动电路的输出再连至功率场效应管（MOET）的栅极。

3.2反馈通道设计

3

源于：大学生毕业论文范文www.udooo.com

.

2.1电流检测

电流检测采用分压电阻来进行。分流电阻安装在功率驱动桥的下端与功放板地线之间。分压电阻上的电压降放大到DSP的ADC模块转换范围进行模数转换后送入DSP，根据电流参考值与电流测量值的偏差量确定新的PWM周期的占空比。
3.

2.2换相位置检测

为保证电机获得恒定的转矩，减小转矩波动，要检测磁极位置，掌握换相时刻。磁极位置检测由三个霍尔效应传感器完成。霍尔传感器的输出端经过隔离电路直接连到TMS320LF2407AA的捕获单元的输入。由于霍尔传感器输出三个脉宽为180 度，相位差120度的信号，转子旋转360度可以测到6个上升、下降沿， CAP1、CAP2、CAP3的信号有6种组合，对应开关管的6种状态。根据换相控制字表即可实现开关管的正确切换。
3.

2.3速度检测

电机转速可以根据霍尔传感器的输出信号换算。电机的转子每转一圈可以得到6个上升、下降沿（换相时刻），即两个换相时刻之间转子位置相差60度。检测定换相间隔时间为△t，每转所用时间为6×△t，则转速为60/（6×△t）y/min。

4、控制系统软件设计

整个软件包括：主程序、定时中断模块、捕获中断模块、硬件保护中断模块。主程序完成芯片参数设定、电机参数给定、变量赋值等功能。初始化流程图如下所示。
开始→寄存器、变量常量定义→ 寄存器变量赋值→观点中断→设置系统寄存器→事件管理器初始话 →SCT初始化→ADC初始化→读取当前位置信号→配置中断逻辑→开中断 →循环等待中断
T1中断怎么写作程序包括电流采样、电流PI算法、速度计算及积分分离PI算法，PWM占空比的改变等，这一过程在一个采样周期内完成。当速度采样时间到时，用捕获中断时记录下来的两次捕获单元信号跳变的时间间隔来计算转速。
DSP有许多专用的设备和高的性能特性，使其成为了电机控制系统最好的芯片之一，随着对DSP功能的不断开发，在电机控制上将取代单片机而获得巨大的发展。本文从硬件和软件两方面,介绍了DSP在永磁无刷直流电机的伺服控制系统的应用解决方案，提供了一硬件平台,可以实现现代诸多控制理论和算法的评估;软件方面,提供了DSP在电机控制的实现方法,具有很广泛的应用价值。