DSP無刷直流電機全數(shù)字化控制系統(tǒng)解析

永磁無刷直流電機（Brushless DC Motor，BLDCM）既具有同步電機的優(yōu)點，又有直流電機優(yōu)良的調(diào)速性能，在工業(yè)領(lǐng)域，尤其是調(diào)速和伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。高速數(shù)字信號處理器（DSP）在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用，大大簡化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)性能，使無刷直流電機的優(yōu)點更加突出。
　　本文主要研究采用TI公司的TMS320LF2407A DSP作為控制器的無刷直流電機全數(shù)字化控制系統(tǒng)。
　　1控制系統(tǒng)硬件框圖設(shè)計
　　由直流電動機的運動方程可知：加速度與電動機的轉(zhuǎn)矩成正比，而轉(zhuǎn)矩又與電動機的電流成正比，因此，要實現(xiàn)電機的高精度高動態(tài)性能控制，就需要同時對電機的速度、電流及位置進(jìn)行檢測和控制。圖1是無刷直流電機控制系統(tǒng)框圖，在系統(tǒng)中設(shè)置了速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間實行串級連接，把速度調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制PWM裝置。
　　
　　如圖1所示，整個系統(tǒng)控制單元可分為兩大部分：虛線框內(nèi)的功能由TMS320LF2407A DSP組成的最小系統(tǒng)實現(xiàn)，他包括DSP和片外存儲器，另一部分則為反饋信號采集部分。電流反饋信號由霍爾元件測得，通過F2407的A／D模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，轉(zhuǎn)子位置信號則用于產(chǎn)生正確的轉(zhuǎn)子換向，光電編碼器檢測電機的轉(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn)角并反饋回DSP系統(tǒng)，形成閉環(huán)控制。系統(tǒng)位置給定由上位機發(fā)出。三相交流輸入經(jīng)整流、穩(wěn)壓后為逆變電路提供直流電源，逆變電路的觸發(fā)信號由上位機提供，其目的是輸出占空比可調(diào)的PWM信號，通過調(diào)整PWM信號寬度以控制功率管的開、關(guān)時間，從而實現(xiàn)對無刷電機的控制。
　　2控制策略
　　本系統(tǒng)通過三閉環(huán)（即位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)）結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電機的伺服控制。如圖2所示。
　　
　　當(dāng)電機處于運行狀態(tài)時，給定的位置信號Ua與反饋位置信號Ub的偏差經(jīng)過（位置環(huán)）PID調(diào)節(jié)得到速度的參考值Vg，控制器根據(jù)測出的反饋位置信息計算出當(dāng)前轉(zhuǎn)速ωs，Vg與ωs在DSP中進(jìn)行PI計算（速度環(huán)）得到電流的給定電壓參考值Uig，電機繞組電流反饋信號經(jīng)過電流傳感器的檢測從A／D口送入DSP，經(jīng)轉(zhuǎn)換得到當(dāng)前主回路的電流反饋電壓值Uif將Uif與Uig進(jìn)行PI計算，得到的電流調(diào)節(jié)器的輸出去調(diào)節(jié)占空比，進(jìn)而控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實現(xiàn)對無刷直流電動機位置、轉(zhuǎn)速、電流或轉(zhuǎn)矩的控制。
　　在三閉環(huán)控制系統(tǒng)中，電流環(huán)和速度環(huán)均為內(nèi)環(huán)，位置環(huán)為外環(huán)。電流環(huán)的作用是提高系統(tǒng)的快速性，抑制電流環(huán)內(nèi)部干擾，限制最大電流保障系統(tǒng)安全運行，電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器。速度環(huán)的作用是增加系統(tǒng)抗負(fù)載擾動的能力，抑制速度波動，速度環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器。位置環(huán)的作用是保證系統(tǒng)靜態(tài)精度和動態(tài)跟蹤的性能。位置環(huán)采用積分分離的PID控制，即在開始跟蹤被控量時，先取消積分作用，使比例項迅速跟蹤偏差的變化，當(dāng)被控量接近新的設(shè)定值時再將積分作用加入。這樣既可以避免超調(diào)又可縮短達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間，起到了積分校正的作用。圖3為位置階躍響應(yīng)曲線和位置階躍式跟蹤結(jié)果。