探究DSP在三相無刷直流電機(jī)中的應(yīng)用

1 概述
　　無刷直流電機(jī)是隨著電力電子器件及新型材料發(fā)展而迅速成熟起來的一種新型機(jī)電一體化電機(jī)，它既具有交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便等優(yōu)點，又具備直流電機(jī)那樣良好的調(diào)速特性而無由于機(jī)械式換向器帶來的問題，還具有運(yùn)行轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、效率高、相對成本低等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于各種調(diào)速驅(qū)動場合［1］。以往的無刷直流電機(jī)多由單片機(jī)附加許多種接口設(shè)備構(gòu)成。不僅復(fù)雜，而且速度也受到限制，難于實現(xiàn)從位置環(huán)到速度、電流環(huán)的全數(shù)字控制，也不方便擴(kuò)展。而應(yīng)用數(shù)字信號處理器（DSP）實現(xiàn)的電機(jī)伺服系統(tǒng)卻可以只用一片DSP就可以替代單片機(jī)和各種接口， 擴(kuò)展方便，可以實現(xiàn)位置、速度和電流環(huán)的全數(shù)字化控制［2］。
　　本文采用ＴI公司推出的240xDSP作為無刷直流電機(jī)全數(shù)字控制核心，組成的伺服系統(tǒng)只需要很少的系統(tǒng)元件。TMS320Ｆ240X是美國ＴI公司推出的高性能16位數(shù)字信號處理器（DSP），是專門為電機(jī)的數(shù)字化控制而設(shè)計的。這種DSP包括一個定點DSP內(nèi)核及一系列微控制器外圍電路，將數(shù)字信號處理的運(yùn)算能力與面向電機(jī)的高效控制能力集于一體，可以實現(xiàn)用軟件取代模擬器件，方便地修改控
　　制策略，修正控制參數(shù)，兼具故障檢測、自診斷和與上位機(jī)通信等功能。
　　2 硬件介紹
　　TMS320LF2407A的內(nèi)核是TMS320C2XX（圖1），內(nèi)部采用了哈佛結(jié)構(gòu)，流水線作業(yè)，在20MHz的時鐘頻率下，指令周期僅為50ns，且多數(shù)指令都能在一個指令周期內(nèi)完成。其中央算術(shù)邏輯部分包括32位中央算術(shù)邏輯單元（CALU），32位累加器，CALU的輸入/輸出數(shù)據(jù)定標(biāo)移位器，16位×16位乘法器，乘積定標(biāo)移位器，數(shù)據(jù)地址發(fā)生邏輯（包括8個輔助寄存器和1個輔助寄存器算術(shù)單元（ARAU），程序地址發(fā)生邏輯。當(dāng)處理器連續(xù)工作時，還能同時執(zhí)行：a、經(jīng)由串行口的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送；b、內(nèi)部定時器減數(shù)；c、產(chǎn)生三相脈寬調(diào)制（PWM）波形；d、采集4個模擬信號；e、看門狗定時器減數(shù)。它還包含有其它系列的ＤＳＰ芯片所沒有的雙10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、基于ＰＷＭ控制的管理器（6個比較單元、12路ＰＷＭ輸出、2路光電編碼器接口的編碼單元）。其ＰＷＭ波形生成單元包含可編程死區(qū)控制，可輸出非對稱ＰＷＭ波形、對稱ＰＷＭ波形和空間矢量ＰＷＭ波形［4］。LF2407是x240x系列DSP中唯一能夠擴(kuò)展外部存儲器，也是其中控制功能最強(qiáng)、片上設(shè)施最完備的一個型號，廣泛的用于代碼開發(fā)、系統(tǒng)仿真以及實際系統(tǒng)中。
　　
　　圖1 TMS320Lx240x系列DSP控制器總體結(jié)構(gòu)
　　3 DSP控制流程
　　圖2是用TMS320LF2407A實現(xiàn)三相無刷直流電動機(jī)調(diào)速的控制和驅(qū)動電路。本設(shè)計采用TMS320LF2407A微控制器為系統(tǒng)控制器核心，以功率MOSFET場效應(yīng)管為功率變換元件，任意時刻電機(jī)只有兩相導(dǎo)通來控制換流元件，采用PWM方式來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。在這里，三個位置間隔120O分布的霍爾傳感器H1，H2，H3經(jīng)整形隔離電路后分別與TMS320LF2407A的三個捕捉引腳CAP1，CAP2，CAP3相連，通過產(chǎn)生捕捉中斷來給出換相時刻，同時給出位置信息。
　　
　　圖2 用TMS320LF2407A實現(xiàn)三相無刷直流電動機(jī)調(diào)速的控制和驅(qū)動
　　從理論上來看，直流無刷電動機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩控制主要依據(jù)如下的轉(zhuǎn)矩和反電動勢工程計算方程
　　其中，N為直流無刷電動機(jī)定子每相線圈數(shù)， 為轉(zhuǎn)子的長度，r為轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑，B為轉(zhuǎn)子的磁通密度， 為電動機(jī)的角速度，i為相電流，L為相感抗， 為轉(zhuǎn)子的位置，R為相阻抗［5］。
　　從方程可以看到，反電動勢與電動機(jī)的轉(zhuǎn)速成比例，而轉(zhuǎn)矩與相電流也幾乎勢成比例的。根據(jù)這些特點，在方案中采用了圖3所示的控制策略。給定轉(zhuǎn)速與速度反饋形成偏差，經(jīng)速度調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流參考量，它與電流反饋量的偏差經(jīng)電流調(diào)節(jié)后形成PWM占空比的控制量，實現(xiàn)電動機(jī)的速度控制。電流的反饋是通過檢測電阻上的壓降來實現(xiàn)的。速度反饋是通過霍爾傳感器輸出的位置量，經(jīng)過計算得到的。位置傳感器輸出的位置量還用于控制換相。