摘要：介紹了以高性能dsPIC30F4012芯片為核心的無(wú)刷直流電動(dòng)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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理的基礎(chǔ)上，闡述了無(wú)刷直流電動(dòng)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(jiǎn)單緊湊，控制精度高，具有良好的靜態(tài)和動(dòng)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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；控制系統(tǒng)
中圖分類(lèi)號(hào)：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)得到了迅速地推廣。無(wú)刷直流電動(dòng)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(jiǎn)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(dòng)汽車(chē)、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(chǎng)合成功地替代了有刷直流電動(dòng)機(jī)1】
在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，選擇一款性能優(yōu)越的芯片作CPU將會(huì)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(mǎn)足。
1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本文介紹的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)主要由以下五個(gè)部分組成：dsPIC30F4012、IP,2130、三相逆變橋、位置傳感器、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。硬件原理框圖如圖1所示。
控制過(guò)程如下：dsPlC30F4012根據(jù)捕獲到的霍爾位置信號(hào)和正反轉(zhuǎn)按鈕狀態(tài)，確定PWM的輸出
圖1無(wú)刷直流電動(dòng)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(dòng)芯片IR2130后開(kāi)啟相應(yīng)的MOSFET，使得電機(jī)中相應(yīng)繞組通過(guò)電流，電機(jī)按給定方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。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(zhuān)門(mén)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(gè)16位CPU和一個(gè)DSP內(nèi)核，片內(nèi)設(shè)有一個(gè)6通道的A／D轉(zhuǎn)換器，工作在10位模式，采樣保持時(shí)間、轉(zhuǎn)換時(shí)間、閥值檢測(cè)方式和零偏補(bǔ)償校正均可編程；5個(gè)16位定時(shí)器；一個(gè)6通道的電機(jī)專(zhuān)用MCP—WM控制器。此裝置大大簡(jiǎn)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(guò)編程可產(chǎn)生互補(bǔ)的三相6路PWM波形2】可通過(guò)編程設(shè)置死區(qū)時(shí)間防止同一橋臂上2個(gè)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(dòng)芯片選用美國(guó)國(guó)際整流器公司的HR2130,一個(gè)IR2130可驅(qū)動(dòng)三相橋式電路的六個(gè)功率開(kāi)關(guān)
器件，內(nèi)部設(shè)計(jì)有過(guò)電流、過(guò)電壓及欠電壓保護(hù)，使用戶(hù)可方便地用來(lái)保護(hù)被驅(qū)動(dòng)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(duì)同一橋臂上下兩功率MOs器件的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生2μs的死區(qū)時(shí)間，使設(shè)計(jì)進(jìn)一步簡(jiǎn)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(dòng)電流為250 mA，而反向峰值驅(qū)動(dòng)電流為500 mA；耐壓600 V滿(mǎn)足要求3】。其驅(qū)動(dòng)電路框圖如圖2所示．
三相逆變橋中的開(kāi)關(guān)器件選用功率M0sFET，具有開(kāi)關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)功率小、安全工作區(qū)寬、過(guò)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(mǎn)足本系統(tǒng)的要求，其電路圖如圖2虛框所示.
對(duì)三相橋逆變器來(lái)說(shuō)，MOsFET起開(kāi)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(shí)要大得多，從而會(huì)造成管子的過(guò)度發(fā)熱而損壞，為了避免功率管的損壞，需要對(duì)3個(gè)下管在開(kāi)通時(shí)進(jìn)行vce檢測(cè)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(kāi)通M0sFET Qo時(shí)，DLOAl在L01(+15 V)與參考電壓VREF1(+10 V)通過(guò)比較器LM339比較之后輸出為高(+15 V)，此時(shí)開(kāi)始vce檢測(cè)。在MOsFET功率管QO開(kāi)通時(shí)，VSL的電位(不超過(guò)1.4 V)低于DLOAl(+15 V)，這使得二極管D7導(dǎo)通，此時(shí)+15 V電壓正極通過(guò)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(shí)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(shí)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(dòng)芯片[R2130在ITIRP為低時(shí)說(shuō)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(guò)1 2 V時(shí)，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(shuō)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(chǎng)方向必須根據(jù)轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)位置進(jìn)行調(diào)整。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的
效率很大程度上取決于兩個(gè)磁場(chǎng)的相對(duì)位置關(guān)系。通常采用霍爾位置傳感器來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)位置，并根據(jù)來(lái)自霍爾傳感器的位置信號(hào)實(shí)現(xiàn)正確換向。以?xún)上鄬?dǎo)通三相六狀態(tài)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為例說(shuō)明工作原理4]霍爾位置傳感器輸出磁極位置信號(hào)，經(jīng)過(guò)控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器，使圖2中的功率開(kāi)關(guān)管Q1、Q2導(dǎo)通，即繞組A、B通電，A進(jìn)B出，此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用拖動(dòng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。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(guò)60°電角度，霍爾位置傳感器輸出信號(hào)，經(jīng)邏輯變換后使開(kāi)關(guān)管Q2截止，Q4導(dǎo)通，此時(shí)Ql仍導(dǎo)通，則繞組A、C通電，A進(jìn)c出，此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用使轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng).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(lèi)推：當(dāng)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)60。電角度時(shí)，功率開(kāi)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(jiàn)，電機(jī)有六個(gè)磁狀態(tài)，每一狀態(tài)都是兩相導(dǎo)通，每相繞組中流過(guò)電流的時(shí)間相當(dāng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120°電角度，每個(gè)開(kāi)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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的三相繞組與各開(kāi)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(chǔ)器中，由c語(yǔ)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(kāi)關(guān)位置及電機(jī)狀態(tài)等檢測(cè)，有故障時(shí)就報(bào)錯(cuò)，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(gè)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(shí)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(hào)，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(dòng)。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(duì)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(gè)誤差閾值，當(dāng)跟蹤誤差大于閾值時(shí)，取消積分控制作用，以免產(chǎn)生過(guò)大超調(diào)；當(dāng)被控量與給定值的偏差小于設(shè)定閥值時(shí)，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(duì)設(shè)計(jì)制成的電路板進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試條件為：電機(jī)與直流母線(xiàn)電壓均為24 v，負(fù)載電機(jī)為5 kw無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，PwM斬波頻率為20 kHz。
圖6a為實(shí)驗(yàn)測(cè)得dsPIc30F4012輸出PwM的死區(qū)時(shí)間值為500 ns，該死區(qū)時(shí)間通過(guò)在軟件中設(shè)定，本實(shí)驗(yàn)中設(shè)定值為500 ns，可見(jiàn)輸出嚴(yán)格符合要求；圖6b為實(shí)驗(yàn)測(cè)得Il：／2130輸出PwM的死區(qū)時(shí)間為2 .5μs：IR2130自動(dòng)生成上、下側(cè)驅(qū)動(dòng)所必需的死區(qū)時(shí)間為2～2.5μs，加上dsPIc30F4012輸出的死區(qū)時(shí)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(shí)三路PwM輸出和電機(jī)某一線(xiàn)電動(dòng)勢(shì)波形如圖7所示。
通過(guò)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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)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(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)適合于小功率無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的控制，同時(shí)，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(dòng)等。
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