摘要：介紹了以高性能dspic30f4012芯片為核心的無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，全面分析研窮無刷直流電動機(jī)運(yùn)行原理的基礎(chǔ)上，闡述了無刷直流電動機(jī)的控制策略以及軟件實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，控制精度高，具有良好的靜態(tài)和動態(tài)性能，尤其可應(yīng)用于伺服機(jī)構(gòu)、機(jī)電一體化的調(diào)速設(shè)備中。
關(guān)鍵詞：dshc30f4012；無刷直流電動機(jī)；控制系統(tǒng)
中圖分類號：tm33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a 文章編號：1004—7018(2009)10—0043—03
0引言
隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)和稀土永磁材料的快速發(fā)展，無刷直流電動機(jī)得到了迅速地推廣。無刷直流電動機(jī)具有體積小、重量輕、高效節(jié)能、調(diào)速方便、結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、功率密度大以及易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在伺服控制、電動汽車、機(jī)器人及家用電器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在許多場合成功地替代了有刷直流電動機(jī)1】
在無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)中，選擇一款性能優(yōu)越的芯片作cpu將會提升系統(tǒng)的整體性能。本
文控制系統(tǒng)采用microchip公司的dspic30f4012作為控制核心，這使得控制系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、靈活性、適應(yīng)性以及參數(shù)的可修改性得到了滿足。
1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本文介紹的無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)主要由以下五個部分組成：dspic30f4012、ip,2130、三相逆變橋、位置傳感器、無刷直流電動機(jī)。硬件原理框圖如圖1所示。
控制過程如下：dsplc30f4012根據(jù)捕獲到的霍爾位置信號和正反轉(zhuǎn)按鈕狀態(tài)，確定pwm的輸出
圖1無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖通道，輸出的pwm經(jīng)驅(qū)動芯片ir2130后開啟相應(yīng)的mosfet，使得電機(jī)中相應(yīng)繞組通過電流，電機(jī)按給定方向連續(xù)轉(zhuǎn)動。調(diào)節(jié)調(diào)速旋鈕可以改變
dspic30f4012輸出pwm的占空比，從而調(diào)節(jié)電機(jī)繞組兩端的平均電壓，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。
系統(tǒng)中的主控芯片dspic30f4012是專門為電機(jī)高速控制所設(shè)計(jì)的一種16位微處理器。它具有
一個16位cpu和一個dsp內(nèi)核，片內(nèi)設(shè)有一個6通道的a／d轉(zhuǎn)換器，工作在10位模式，采樣保持時間、轉(zhuǎn)換時間、閥值檢測方式和零偏補(bǔ)償校正均可編程；5個16位定時器；一個6通道的電機(jī)專用mcp—wm控制器。此裝置大大簡化了產(chǎn)生脈寬調(diào)制(pwm)波形的控制軟件和外部硬件，通過編程可產(chǎn)生互補(bǔ)的三相6路pwm波形2】可通過編程設(shè)置死區(qū)時間防止同一橋臂上2個功率管發(fā)生直通造成短路。本系統(tǒng)中采用pwm調(diào)速方式，系統(tǒng)頻率為24 mhz，主功率電路是三相全橋星形電路。
驅(qū)動芯片選用美國國際整流器公司的hr2130,一個ir2130可驅(qū)動三相橋式電路的六個功率開關(guān)
器件，內(nèi)部設(shè)計(jì)有過電流、過電壓及欠電壓保護(hù)，使用戶可方便地用來保護(hù)被驅(qū)動的功率mos管加之內(nèi)部自舉技術(shù)的巧妙應(yīng)用，使它可用于高壓系統(tǒng)，它還可對同一橋臂上下兩功率mos器件的柵極驅(qū)動信號產(chǎn)生2μs的死區(qū)時間，使設(shè)計(jì)進(jìn)一步簡化系統(tǒng)硬件電路，減少體積，提高可靠性。其輸出的****正向峰值驅(qū)動電流為250 ma，而反向峰值驅(qū)動電流為500 ma；耐壓600 v滿足要求3】。其驅(qū)動電路框圖如圖2所示．
三相逆變橋中的開關(guān)器件選用功率m0sfet，具有開關(guān)速度快、驅(qū)動功率小、安全工作區(qū)寬、過載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)選用n溝道的mosfetirf540，額定電流為40 a，耐壓值為100v，能夠滿足本系統(tǒng)的要求，其電路圖如圖2虛框所示.
對三相橋逆變器來說，mosfet起開關(guān)作用，所以它應(yīng)工作在飽和區(qū)和截止區(qū)而不是在放大區(qū)。在同樣的工作電流下，管壓降在放大區(qū)比飽和導(dǎo)通時要大得多，從而會造成管子的過度發(fā)熱而損壞，為了避免功率管的損壞，需要對3個下管在開通時進(jìn)行vce檢測保護(hù)。電路圖如圖3所示。 以第一相為例，當(dāng)lol為高電平(十15 v)開通m0sfet qo時，dloal在l01(+15 v)與參考電壓vref1(+10 v)通過比較器lm339比較之后輸出為高(+15 v)，此時開始vce檢測。在mosfet功率管qo開通時，vsl的電位(不超過1.4 v)低于dloal(+15 v)，這使得二極管d7導(dǎo)通，此時+15 v電壓正極通過電阻r34r27二極管d7、mosfet q0的源極和漏極與+15 v電壓負(fù)極導(dǎo)通，如果mosfet功率管q～o工作正常，則vce的壓降約為1.2 v，二極管d7選用1n5819在電流小于0.1 a時的壓降為o.36 v，那么dloal的電壓變?yōu)椋?/FONT>  其中r34=5．1 kω，r27=o 2 kωn。這時vdloa1(+2.12v)與參考電壓vref約+2.28 v)比較，若mosfet功率管q2、q4正常工作，則vdloa2：和vdloa3都小于參考電壓vref，那么輸出比較的結(jié)果使得itirp輸出低，驅(qū)動芯片[r2130在itirp為低時說明工作正常。如果功率管qo、q2、q4有一路發(fā)生故障，例如qo管壓降超過1 2 v時，則使vdloa1高于參考電壓vref，那么輸出比較的結(jié)果使得itirp輸出高，說明功率管發(fā)生了故障，ir2130的fault腳輸出低電平，并立即關(guān)斷所有的輸出，從而起到保護(hù)作用。
2控制策略及軟件設(shè)計(jì)
2 1轉(zhuǎn)子定位與定子繞組換相原理
電機(jī)繞組中建立的旋轉(zhuǎn)的電樞磁場方向必須根據(jù)轉(zhuǎn)子永磁磁場位置進(jìn)行調(diào)整。無刷直流電動機(jī)的
效率很大程度上取決于兩個磁場的相對位置關(guān)系。通常采用霍爾位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子磁場位置，并根據(jù)來自霍爾傳感器的位置信號實(shí)現(xiàn)正確換向。以兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)無刷直流電動機(jī)為例說明工作原理4]霍爾位置傳感器輸出磁極位置信號，經(jīng)過控制電路邏輯變換后驅(qū)動逆變器，使圖2中的功率開關(guān)管q1、q2導(dǎo)通，即繞組a、b通電，a進(jìn)b出，此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用拖動轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動。電流流通路徑為：電源正極一q1-a相繞組一b相繞組q2一電源負(fù)極。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60°電角度，霍爾位置傳感器輸出信號，經(jīng)邏輯變換后使開關(guān)管q2截止，q4導(dǎo)通，此時ql仍導(dǎo)通，則繞組a、c通電，a進(jìn)c出，此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用使轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時針方向轉(zhuǎn)動.電流流通路徑為：電源正極一ql a相繞組一c相繞組一q4一電源負(fù)極，依次類推：當(dāng)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60。電角度時，功率開關(guān)管之間進(jìn)行一次換流，定子磁狀態(tài)就改變一次。可見，電機(jī)有六個磁狀態(tài)，每一狀態(tài)都是兩相導(dǎo)通，每相繞組中流過電流的時間相當(dāng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120°電角度，每個開關(guān)管的導(dǎo)通角為120°電角度。兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)無刷直流電動機(jī)的三相繞組與各開關(guān)管導(dǎo)通順序的關(guān)系如表1所示．
2 2軟件設(shè)計(jì)
控制部分的軟件內(nèi)嵌于dspic30f4[)12的程序存儲器中，由c語言實(shí)現(xiàn)，主要由主函數(shù)和中斷服
務(wù)子程序兩部分組成。
圖4的主程序中，系統(tǒng)上電便進(jìn)行開關(guān)位置及電機(jī)狀態(tài)等檢測，有故障時就報(bào)錯，若系統(tǒng)正常則 配置端口輸入輸出方向，初始化全局變量，然后調(diào) 用各個模塊初始化函數(shù)，并使能模塊，然后進(jìn)入死 循環(huán)等待中斷觸發(fā)。
中斷服務(wù)子程序：主要包括定時器中斷子程序，adc轉(zhuǎn)換中斷子程序、pwm中斷子程序。主要完成獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號，并結(jié)合電機(jī)工作狀態(tài)按鈕確定ovdcond寄存器的值，控制6路pwm的輸出進(jìn)而完成控制電機(jī)正確轉(zhuǎn)動。其流程圖如圖5a所示。adc中斷程序里完成指令和反饋值的計(jì)算；pid計(jì)算在timerl中進(jìn)行，并將值賦給pwm占空比寄存器。
在調(diào)速系統(tǒng)中采用數(shù)字pid算法，對轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)行控制。本系統(tǒng)中控制器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是：根據(jù)實(shí)
際情況設(shè)定一個誤差閾值，當(dāng)跟蹤誤差大于閾值時，取消積分控制作用，以免產(chǎn)生過大超調(diào)；當(dāng)被控量與給定值的偏差小于設(shè)定閥值時，投入積分控制作用，以消除靜態(tài)誤差：流程圖如圖5b所示。
在上述電路構(gòu)成的基礎(chǔ)上，我們對設(shè)計(jì)制成的電路板進(jìn)行了測試，測試條件為：電機(jī)與直流母線電壓均為24 v，負(fù)載電機(jī)為5 kw無刷直流電動機(jī)，pwm斬波頻率為20 khz。
圖6a為實(shí)驗(yàn)測得dspic30f4012輸出pwm的死區(qū)時間值為500 ns，該死區(qū)時間通過在軟件中設(shè)定，本實(shí)驗(yàn)中設(shè)定值為500 ns，可見輸出嚴(yán)格符合要求；圖6b為實(shí)驗(yàn)測得il：／2130輸出pwm的死區(qū)時間為2 .5μs：ir2130自動生成上、下側(cè)驅(qū)動所必需的死區(qū)時間為2～2.5μs，加上dspic30f4012輸出的死區(qū)時間值500 ns，理淪結(jié)果值為2．5～3μs.可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在理論值的范圍之內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。
電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時三路pwm輸出和電機(jī)某一線電動勢波形如圖7所示。
通過實(shí)驗(yàn)可以看出，設(shè)計(jì)完全符合要求，實(shí)踐證明了基于dspic30f4012單片機(jī)的無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)具有電路簡單、調(diào)速性能好、抗干擾性強(qiáng)、可靠性高、穩(wěn)定性好、性能價格比高等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)適合于小功率無刷電動機(jī)的控制，同時，也可推廣到其他工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，如機(jī)床、機(jī)器人和電梯驅(qū)動等。
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