基于TMS320F2812無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

眾所周知，無刷直流電機(jī)既具有交流電機(jī)簡單，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電機(jī)運(yùn)行效率高，不受機(jī)械換向限制，調(diào)速性能好，易于做到大容量、高轉(zhuǎn)速等特點(diǎn)。本文提出了一種基于TMS320F2812的全數(shù)字永磁無刷直流電機(jī)控制方案。

1 引言

TI公司的TMS320F2812數(shù)字信號處理器(DSP)既具有高速信號處理和數(shù)字功能所需的體系結(jié)構(gòu)。還具有專為電機(jī)控制應(yīng)用提供單片解決方案所需的外圍設(shè)備。以TMS320F2812為核心的全數(shù)字電機(jī)控制系統(tǒng)極大地簡化了硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了成本，并對無刷直流電機(jī)的普及應(yīng)用具有良好的前景。為此，提出了一種基于TMS320F2812的全數(shù)字永磁無刷直流電機(jī)控制方案。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用三相Y型永磁方波無刷電機(jī)PWM控制方案，通電方式為兩兩通電。圖1給出控制系統(tǒng)原理框圖。它采用全數(shù)字三閉環(huán)控制。其中，電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，速度環(huán)采用遇限削弱積分的積分分離PID控制算法，它的輸出極性決定了正反轉(zhuǎn)方向，從而可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行。位置環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器。逆變器采用全橋型PWM調(diào)制。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖2給出基于TMS320F2812的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。采用TMS320F2812作為控制器，用于處理采集到的數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令。TMS320F2812控制器首先通過3個(gè)I／0端口捕捉直流電機(jī)上霍爾元件H1，H2，H3的高速脈沖信號，檢測轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置發(fā)出相應(yīng)的控制字，以改變PWM信號的當(dāng)前值，進(jìn)而改變直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(全橋控制電路IGBT)中功率管的導(dǎo)通順序，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制。電機(jī)的碼盤信號A，B通過TMS320F2812 DSP控制器的CAP1，CAP2端口捕捉的。捕捉到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在寄存器中，通過比較捕捉到A，B兩相脈沖值，以確定當(dāng)前電機(jī)的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)和轉(zhuǎn)速。在系統(tǒng)運(yùn)行中，驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路檢測當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如果系統(tǒng)中出現(xiàn)過流或欠壓狀況，PWM信號驅(qū)動(dòng)器(IR2131)啟動(dòng)內(nèi)部保護(hù)電路，鎖存后繼PWM信號輸出，同時(shí)通過FAULT引腳拉低TMS320F2812控制器的PDPINTA引腳電壓，啟動(dòng)DSP控制器的電源驅(qū)動(dòng)保護(hù)。這時(shí)所有EV模塊的輸出引腳將被硬件置為高阻態(tài)，從而保護(hù)控制系統(tǒng)。以下主要介紹系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)子位置檢測電路、相電流檢測電路、驅(qū)動(dòng)電路、系統(tǒng)保護(hù)電路等。

3．1 轉(zhuǎn)子位置檢測電路

控制無刷直流電機(jī)時(shí)，DSP控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子的當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)位置，發(fā)送相應(yīng)的控制字，通過改變PWM脈沖信號的占空比控制電機(jī)。無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置是由位置傳感器來檢測的。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了3個(gè)光電式位置傳感器(霍爾元件)，它們是利用光電效應(yīng)制成的，由跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光板和固定不動(dòng)的光源及光電管等部件組成。

隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，光電管間歇接收從光源發(fā)出的光，不斷導(dǎo)通和截止，從而產(chǎn)生一系列“0”和“l”的信號。這些脈沖信號通過I／0端口傳輸給DSP，DSP讀取霍爾元件的狀態(tài)值，以確定轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置。再通過改變PWM信號的占空比控制驅(qū)動(dòng)電路，改變IGBT的導(dǎo)通順序，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的換相控制．并調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制橋臂上的功率管導(dǎo)通順序?yàn)閂Q1，VQ2→VQ2，VQ3→VQ3，VQ4→VQ4，VQ5→VQ5，VQ6→VQ6，VQ1(兩兩通電)。電機(jī)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈，H1，H2，H3將出現(xiàn)10l→100→110→010→011→00l的6種狀態(tài)，DSP對每一種狀態(tài)發(fā)送相應(yīng)的控制字。改變電機(jī)的通電相序，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行。圖3給出電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制原理圖。

3．2 相電流檢測電路

電流反饋通道由霍爾元件、運(yùn)算放大器和A／D轉(zhuǎn)換器組成。電流反饋采用變比為1：1 000的磁平衡式霍爾元件，該元件的輸出為電流信號，并且信號較弱，必須經(jīng)過精密電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號，再經(jīng)過放大處理，得到電流的雙極性信號。因?yàn)镈SP中A／D轉(zhuǎn)換單元的輸入范圍是0～3．3 V(單極性)，需要設(shè)計(jì)將雙極性信號變?yōu)閱螛O性的電路，再送到A／D轉(zhuǎn)換器。圖4給出電路原理圖。