董 藝

（安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，安徽 蚌埠233030）

0 引言

稀土永磁無刷直流電機(jī)體積小、重量輕、效率高，其轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之比超過普通直流電機(jī)的1倍［1］，因而很適合于高速驅(qū)動(dòng)場合，目前已在家用電器、儀器儀表及辦公自動(dòng)化領(lǐng)域獲得了非常廣泛的應(yīng)用。但要實(shí)現(xiàn)對這種電機(jī)的控制并達(dá)到理想的控制狀態(tài)，采用DSP控制方案比目前普遍使用的單片機(jī)控制方案要更加優(yōu)秀。筆者在對各種DSP芯片進(jìn)行了多年的研究的基礎(chǔ)上，選用美國TI公司生產(chǎn)的TMS320C242作為控制核心，對稀土永磁無刷直流電機(jī)的控制進(jìn)行了較為深入的探討。

1 控制系統(tǒng)總體方案

控制電路主要由功率驅(qū)動(dòng)、三相逆變和邏輯控制電路組成，還包括DSP接口電路，以及必要的保護(hù)電路。采用PWM方式實(shí)現(xiàn)對稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制。其基本原理是交流輸入經(jīng)過整流、穩(wěn)壓后為逆變電路提供直流電源。轉(zhuǎn)速給定由TMS320C242的ADC口輸入，經(jīng)TMS320C242的A／D轉(zhuǎn)換單元將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。根據(jù)給定的速度信號，TMS320C242產(chǎn)生一定的PWM波［2］。通過調(diào)整PWM波的寬度控制功率管的開關(guān)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對直流無刷電動(dòng)機(jī)的控制。同時(shí)一旦產(chǎn)生故障，通過故障保護(hù)電路，封鎖PWM的輸出直至故障取消。控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

2 主回路功率控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

被控對象——稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)為梯形反電勢的三相無刷直流電動(dòng)機(jī)，可以采用15V直流電源供電。由于采用普通的變壓器濾波方式體積較大，因此可以考慮采用開關(guān)電源提供15V和5V電源。功率回路直接接到15V電源上，5V電源做為TMS320C242等芯片的電源。驅(qū)動(dòng)電路可采用IR2131芯片。IR2131芯片是美國國際整流器公司生產(chǎn)的MOS功率器件專用柵極驅(qū)動(dòng)集成電路，僅需要一個(gè)輸入級電源，且作電源的電壓范圍較寬，為3～20V。另外，由于三相半橋每隔120°就得換向一次，因此會(huì)造成電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)比較大，因此筆者采用由6個(gè)MOSFET構(gòu)成、每隔60°換向的三相全橋逆變電路。驅(qū)動(dòng)原理圖如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)電路原理圖

3 檢測回路硬件設(shè)計(jì)

3.1 相電流采樣電路

電流檢測采用磁平衡式霍爾元件，電流采樣原理圖如圖3所示。

圖3 電流采樣電路

在圖3的電路中，將采樣的小電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并通過電平轉(zhuǎn)換放大將具有正負(fù)極的電流反饋信號變換為0～5V電壓信號輸入DSP的雙A／D單元。

3.2 轉(zhuǎn)子位置檢測與速度檢測

可以采用3個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器來檢測轉(zhuǎn)子位置并計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速。該傳感器由功放電路供電。傳感器的輸出端直接接到TMS320C242的捕獲單元。電機(jī)正常運(yùn)行的時(shí)候，通過霍爾傳感器可得到3個(gè)脈寬為180°電角度的互相重疊的信號，這樣就得到了6個(gè)強(qiáng)制換相點(diǎn)，TMS320C242芯片通過檢測到傳感器輸出信號的上升沿和下降沿后，即可得到轉(zhuǎn)子的位置［3］。

從轉(zhuǎn)子位置檢測可知，電機(jī)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)1周從傳感器中就可以得到6個(gè)換相信號。也就是說，2個(gè)換相信號相差60°電角度?；魻栃?yīng)傳感器的位置相對電機(jī)是固定不變的，故2個(gè)換相信號之間的機(jī)械角度差Δθ是常數(shù)，因此通過計(jì)算2個(gè)檢測信號之間的時(shí)差就可以計(jì)算出速度：V＝Δθ／Δt［4］。

4 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制可以采用串級控制，分為速度環(huán)（外環(huán)）和電流環(huán)。內(nèi)環(huán)和外環(huán)均采用PID算法，保證系統(tǒng)為無靜差系統(tǒng)，并且有較好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)，根據(jù)當(dāng)前測量的電流與計(jì)算值調(diào)節(jié)PWM斬波輸出的參數(shù)，然后根據(jù)電機(jī)的啟動(dòng)電流和最大電流對其進(jìn)行調(diào)整，并根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置選擇MOSFET管，輸出正確的觸發(fā)脈沖對。外環(huán)則根據(jù)速度反饋和給定值進(jìn)行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的性能。調(diào)速系統(tǒng)原理方框圖如圖4所示。

圖4 調(diào)速系統(tǒng)原理方框圖

5 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還需完善各種保護(hù)環(huán)節(jié)，可以分為功率器件的柵源、漏源過電壓的保護(hù)、過電流保護(hù)、直流回路欠電壓保護(hù)、三相電源缺相保護(hù)和電機(jī)過熱保護(hù)等保護(hù)電路，各保護(hù)動(dòng)作信號可通過光耦隔離送至或非門CD4078的輸入，通過CD4708送入DSP的PDPINT引腳，當(dāng)PDPINT引腳被拉為低電平時(shí)，DSP內(nèi)部計(jì)數(shù)器立即停止記數(shù)，所有的PWM輸出呈高阻狀態(tài)，同時(shí)產(chǎn)生中斷信號，通知DSP有異常情況發(fā)生，在中斷處理程序中，讀入相關(guān)I／O口狀態(tài)，判斷發(fā)生了何種故障，并送LED顯示，通過LED的狀態(tài)可以判斷故障原因，以便在實(shí)際系統(tǒng)中很快判斷排除故障，提高了系統(tǒng)的整體可靠性。故障中斷電路見圖5。

圖5 故障處理電路

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

用上述電路及相關(guān)器件設(shè)計(jì)出的電機(jī)及其控制系統(tǒng)，筆者對其進(jìn)行了帶負(fù)載的正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，相關(guān)測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 稀土永磁無刷直流電機(jī)及其控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，電機(jī)可以在6 000～36 000r／min的速度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行且調(diào)速范圍較寬；正反轉(zhuǎn)特性基本一致；控制系統(tǒng)效率高于92%，明顯優(yōu)于由普通單片機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)。

7 結(jié)語

TMS320C242芯片性能高、成本低，既能滿足復(fù)雜計(jì)算要求，又具備電機(jī)控制用接口。在充分利用了該芯片周邊端口豐富、運(yùn)算速度快的特點(diǎn)之后，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)比起普通單片機(jī)控制方案趨于簡單，易于控制且控制效果更加優(yōu)秀。從樣機(jī)的測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，電機(jī)不但具有較寬的閉環(huán)調(diào)速范圍且控制器效率高，系統(tǒng)總體性能較為理想。

［1］馬瑞卿，李聲晉.稀土永磁BLDCM速度閉環(huán)控制系統(tǒng)［J］.中小型電機(jī)，1998，25（1）：44－46.

［2］唐俊英.DSP原理與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008：181－182.

［3］劉和平.TMS320LF240xDSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用［M］.北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2002：1－2.

［4］張琛.直流無刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996：12－13.