基于dsPIC30F2010的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
張冉，王秀和，王道涵，劉士勇
(山東大學(xué)，山東濟(jì)南250061)
摘要：介紹基于Microchip公司的數(shù)字信號(hào)控制器dsPIc30F20lO設(shè)計(jì)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)，闡述了利用這種數(shù)字信號(hào)控制器控制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的原理，詳細(xì)介紹了該控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與軟件流程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該控制系統(tǒng)的可行性。
關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)控制器；ds PIc30心010；無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；控制系統(tǒng)
中圖分類號(hào)：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2008)05—0030—02
O引 言
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的新型機(jī)電一體化電動(dòng)機(jī)。它既具有直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性，又具有交流電動(dòng)機(jī)維護(hù)方便、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，在電子設(shè)備、工業(yè)驅(qū)動(dòng)和控制、軍用和航天領(lǐng)域取得了日益廣泛的應(yīng)用[1]。MIcROc HlP公司的數(shù)字信號(hào)控制器是單片嵌入式控制器，它集成了單片機(jī)的控制功能以及DsP的計(jì)算能力，具有豐富的外設(shè)和強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理性能。此外，靈活的c語(yǔ)言再編程能力和低引腳封裝形式使數(shù)字信號(hào)控制器成為控制領(lǐng)域的理想選擇。本文介紹了基于數(shù)字信號(hào)控制器dsPIc30F2設(shè)計(jì)的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，并通過(guò)負(fù)載實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)的可行性。
1基于dsPIC30F2010的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制原理[3]
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的定子上安放各相繞組，轉(zhuǎn)子上安放永磁磁極。以三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為例，為了產(chǎn)生一個(gè)恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，任意時(shí)刻需要根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)使三相定子繞組中的兩相繞組通電，通常轉(zhuǎn)子位置信號(hào)由安放在電機(jī)定子內(nèi)的霍爾位置傳感器獲得�；魻栐g隔的電角度可以為60。和120。。圖1為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的組成框圖。
本文的控制對(duì)象為一臺(tái)三相帶傳感器永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，霍爾位置傳感器的相位差為120。。根據(jù)在不同時(shí)刻相繞組的通電情況，分為6個(gè)工作區(qū)間，每個(gè)區(qū)間為60。電角度，在每個(gè)工作區(qū)間內(nèi)有特定的兩相繞組通電。圖2為不同工作區(qū)間內(nèi)霍爾位置信號(hào)編碼和功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)。
三相霍爾位置傳感器可以得到一個(gè)三位的位置編碼，每個(gè)編碼代表了轉(zhuǎn)子所在的區(qū)間。得到轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)之后，程序中通過(guò)查建立的驅(qū)動(dòng)表決定每個(gè)功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)，如表1所示�？刂葡到y(tǒng)中，將位置傳感器連接到dsPIc30F2010的中斷輸入cN(change N0tification)引腳上，cN引腳上的電平發(fā)生變化會(huì)產(chǎn)生中斷。在cN中斷服務(wù)程序中，由位置信號(hào)編碼查取應(yīng)該導(dǎo)通的功率開(kāi)關(guān)并使能相應(yīng)的輸出引腳，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。
由無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本原理可知，改變加在電機(jī)繞組兩端的電壓可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即改變加在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)繞組上的PwM信號(hào)的占空比就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。dsPIC30F2010的電機(jī)控制專用模塊(McPwM)可以提供六路由PwM信號(hào)驅(qū)動(dòng)的PwM輸出，McPwM有一個(gè)專用的16位的PIPER(Time Base Pedod Reglster)時(shí)基周期寄存器，通過(guò)更改此寄存器的數(shù)值可以更改PwM頻率。改變占空比是通過(guò)改變?nèi)齻�(gè)PDc占空比寄存器的值實(shí)現(xiàn)。通常為了控制方便，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路下橋的功率開(kāi)關(guān)施加占空比可變的PwM信號(hào)。
2控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)
2 .1硬件設(shè)計(jì)
圖3為基于dsPIc30F20lO的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。霍爾位置信號(hào)與cN中斷輸入引腳相連，AN2引腳被軟件配置為模擬輸入，將O～5 V電壓通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換作為速度給定。功率開(kāi)關(guān)器件采用美國(guó)國(guó)際整流器公司生產(chǎn)的MOsFETIRF2807，其額定電壓75 V，額定電流82 A。功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路采用IR2110高性能MOsFET驅(qū)動(dòng)集成芯片，該芯片應(yīng)用自舉技術(shù)實(shí)現(xiàn)同一集成電路可同時(shí)輸出兩個(gè)驅(qū)動(dòng)逆變橋中高壓側(cè)與低壓側(cè)的通道信號(hào)。IR2110的sD引腳為保護(hù)信號(hào)輸人端，當(dāng)該引腳接高電平時(shí)，IFl2110的輸出信號(hào)全被封鎖[4]。控制系統(tǒng)中，功率驅(qū)動(dòng)電路的負(fù)端通過(guò)一個(gè)約O．1 12小電阻接地。若通過(guò)功率開(kāi)關(guān)的電流過(guò)大，使得檢測(cè)電阻上的電壓超過(guò)設(shè)定的安全工作電壓時(shí)，比較器的輸出與sD端相連為高電平，封鎖全部PwM信號(hào)，起到對(duì)控制系統(tǒng)和無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的保護(hù)作用。
2.2軟件設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是在Micmchip公司的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境MPLAB IDE中完成的。MPLAB IDE擁有32位調(diào)試環(huán)境應(yīng)具備的所有****編輯／編譯／調(diào)試功能，它不僅集成了軟件開(kāi)發(fā)功能，而且集成了許多硬件開(kāi)發(fā)工具，如軟件模擬器MPLAB sIM、在線調(diào)試／開(kāi)發(fā)編程器MPLAB IcD2。MPLAB c30 c編譯器是符合ANSI c標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化編譯器，對(duì)于相同的控制程序，其它16位單片機(jī)生成的代碼量要比c30編譯器多百分之120。
本文采用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)控制，控制程序用c30語(yǔ)言編寫(xiě)，程序的開(kāi)始完成對(duì)McPwM模塊和A／D轉(zhuǎn)換模塊的初始化以及各功能引腳的配置。在cN中斷服務(wù)子程序中，從端口讀取位置信號(hào)編碼，查驅(qū)動(dòng)表，然后進(jìn)行手動(dòng)輸出改寫(xiě)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繞組導(dǎo)通。A／D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)子程序啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，獲得速度給定。圖4為主程序流程圖。其中，OVDcON寄存器為手動(dòng)輸出改寫(xiě)寄存器，它的值決定PwM引腳的工作狀態(tài)。PDc寄存器為PwM占空比寄存器，裝載不同的占空比可以實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。
2．3負(fù)載實(shí)驗(yàn)
對(duì)本文所設(shè)計(jì)的基于dsPIc30F2010的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了負(fù)載實(shí)驗(yàn)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)額定功率500 w，額定電壓24 V，額定轉(zhuǎn)速為1．500 r／min。圖5～圖7為當(dāng)電機(jī)從空載到額定負(fù)圖7---載時(shí)轉(zhuǎn)速、輸出功率與效率隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明控制系統(tǒng)工作正常，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。
3結(jié)語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)的基于dsPIc30F2010的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其成本比相同功能的單片機(jī)要低，控制程序采用c30語(yǔ)言編寫(xiě)，與專用控制集成芯片相比，復(fù)雜的控制策略與算法更容易通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)。負(fù)載實(shí)驗(yàn)表明該控制系統(tǒng)的可行性，是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器的理想選擇。
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