基于dsPIC30F2010的無刷直流電動機控制系統(tǒng)設(shè)計
張冉，王秀和，王道涵，劉士勇
(山東大學，山東濟南250061)
摘要：介紹基于Microchip公司的數(shù)字信號控制器dsPIc30F20lO設(shè)計的無刷直流電動機的控制系統(tǒng)，闡述了利用這種數(shù)字信號控制器控制無刷直流電動機的原理，詳細介紹了該控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與軟件流程。實驗結(jié)果證明了該控制系統(tǒng)的可行性。
關(guān)鍵詞：數(shù)字信號控制器；ds PIc30心010；無刷直流電動機；控制系統(tǒng)
中圖分類號：TM33 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)05—0030—02
O引 言
無刷直流電動機是隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的新型機電一體化電動機。它既具有直流電動機的機械特性和調(diào)節(jié)特性，又具有交流電動機維護方便、運行可靠等優(yōu)點，在電子設(shè)備、工業(yè)驅(qū)動和控制、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)字信號控制器是單片嵌入式控制器，它集成了單片機的控制功能以及DsP的計算能力，具有豐富的外設(shè)和強大的數(shù)字信號處理性能。此外，靈活的c語言再編程能力和低引腳封裝形式使數(shù)字信號控制器成為控制領(lǐng)域的理想選擇。本文介紹了基于數(shù)字信號控制器dsPIc30F2設(shè)計的永磁無刷直流電動機控制系統(tǒng)，并通過負載實驗驗證了該控制系統(tǒng)的可行性。
1基于dsPIC30F2010的無刷直流電動機控制原理[3]
無刷直流電動機的定子上安放各相繞組，轉(zhuǎn)子上安放永磁磁極。以三相無刷直流電動機為例，為了產(chǎn)生一個恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，任意時刻需要根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號使三相定子繞組中的兩相繞組通電，通常轉(zhuǎn)子位置信號由安放在電機定子內(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為無刷直流電動機及其控制系統(tǒng)的組成框圖。
本文的控制對象為一臺三相帶傳感器永磁無刷直流電動機，霍爾位置傳感器的相位差為120。。根據(jù)在不同時刻相繞組的通電情況，分為6個工作區(qū)間，每個區(qū)間為60。電角度，在每個工作區(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)霍爾位置信號編碼和功率開關(guān)導通狀態(tài)。
三相霍爾位置傳感器可以得到一個三位的位置編碼，每個編碼代表了轉(zhuǎn)子所在的區(qū)間。得到轉(zhuǎn)子的位置信號之后，程序中通過查建立的驅(qū)動表決定每個功率開關(guān)的導通狀態(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)生變化會產(chǎn)生中斷。在cN中斷服務(wù)程序中，由位置信號編碼查取應(yīng)該導通的功率開關(guān)并使能相應(yīng)的輸出引腳，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。
由無刷直流電動機的基本原理可知，改變加在電機繞組兩端的電壓可以改變電機的轉(zhuǎn)速，即改變加在無刷直流電動機繞組上的PwM信號的占空比就可以實現(xiàn)電機的調(diào)速。dsPIC30F2010的電機控制專用模塊(McPwM)可以提供六路由PwM信號驅(qū)動的PwM輸出，McPwM有一個專用的16位的PIPER(Time Base Pedod Reglster)時基周期寄存器，通過更改此寄存器的數(shù)值可以更改PwM頻率。改變占空比是通過改變?nèi)齻�PDc占空比寄存器的值實現(xiàn)。通常為了控制方便，對驅(qū)動電路下橋的功率開關(guān)施加占空比可變的PwM信號。
2控制系統(tǒng)的設(shè)計與實驗
2 .1硬件設(shè)計
圖3為基于dsPIc30F20lO的無刷直流電動機控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。霍爾位置信號與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A／D轉(zhuǎn)換作為速度給定。功率開關(guān)器件采用美國國際整流器公司生產(chǎn)的MOsFETIRF2807，其額定電壓75 V，額定電流82 A。功率開關(guān)驅(qū)動電路采用IR2110高性能MOsFET驅(qū)動集成芯片，該芯片應(yīng)用自舉技術(shù)實現(xiàn)同一集成電路可同時輸出兩個驅(qū)動逆變橋中高壓側(cè)與低壓側(cè)的通道信號。IR2110的sD引腳為保護信號輸人端，當該引腳接高電平時，IFl2110的輸出信號全被封鎖[4]�？刂葡到y(tǒng)中，功率驅(qū)動電路的負端通過一個約O．1 12小電阻接地。若通過功率開關(guān)的電流過大，使得檢測電阻上的電壓超過設(shè)定的安全工作電壓時，比較器的輸出與sD端相連為高電平，封鎖全部PwM信號，起到對控制系統(tǒng)和無刷直流電動機的保護作用。
2.2軟件設(shè)計
控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計是在Micmchip公司的集成開發(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發(fā)功能，而且集成了許多硬件開發(fā)工具，如軟件模擬器MPLAB sIM、在線調(diào)試／開發(fā)編程器MPLAB IcD2。MPLAB c30 c編譯器是符合ANSI c標準的優(yōu)化編譯器，對于相同的控制程序，其它16位單片機生成的代碼量要比c30編譯器多百分之120。
本文采用無刷直流電動機的開環(huán)控制，控制程序用c30語言編寫，程序的開始完成對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編碼，查驅(qū)動表，然后進行手動輸出改寫，驅(qū)動相應(yīng)的繞組導通。A／D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)子程序啟動A／D轉(zhuǎn)換，獲得速度給定。圖4為主程序流程圖。其中，OVDcON寄存器為手動輸出改寫寄存器，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現(xiàn)無刷直流電動機的調(diào)速。
2．3負載實驗
對本文所設(shè)計的基于dsPIc30F2010的無刷直流電動機控制系統(tǒng)進行了負載實驗，無刷直流電動機額定功率500 w，額定電壓24 V，額定轉(zhuǎn)速為1．500 r／min。圖5～圖7為當電機從空載到額定負圖7---載時轉(zhuǎn)速、輸出功率與效率隨著負載轉(zhuǎn)矩的變化關(guān)系。實驗結(jié)果表明控制系統(tǒng)工作正常，驗證了設(shè)計方案的可行性。
3結(jié)語
本文設(shè)計的基于dsPIc30F2010的無刷直流電動機控制系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)簡單，其成本比相同功能的單片機要低，控制程序采用c30語言編寫，與專用控制集成芯片相比，復雜的控制策略與算法更容易通過軟件編程實現(xiàn)。負載實驗表明該控制系統(tǒng)的可行性，是無刷直流電動機控制器的理想選擇。
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