安徽理工大學(xué) 張 玲 馮金鈴 王 強(qiáng)

直流無(wú)刷電機(jī)智能控制系統(tǒng)的研究

安徽理工大學(xué) 張 玲 馮金鈴 王 強(qiáng)

論文設(shè)計(jì)了一種基于該DSP的直流無(wú)刷電機(jī)智能控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了硬件電路設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)是利用電力電子器件組成控制換向電路代替了以往的換向器和電刷組成的機(jī)械接觸結(jié)構(gòu)。這使得永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)換向過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生火花,提高了電機(jī)的使用壽命,使得運(yùn)行更加可靠,維護(hù)更加方便。

直流無(wú)刷電機(jī)；傳感器；DSP芯片；換向器；電刷

1 引言

傳統(tǒng)的異步電動(dòng)機(jī)體積較大、功率因數(shù)及過(guò)載能力比較低，高噪聲、使用壽命短、耗電量高等缺點(diǎn)正逐漸被人們所摒棄，本論文以TMS320F283365型DSP作為系統(tǒng)核心，設(shè)計(jì)了一種基于該DSP的直流無(wú)刷電機(jī)智能控制系統(tǒng)，直流無(wú)刷電機(jī)的磁場(chǎng)建立是在電機(jī)定子上裝有永磁體結(jié)構(gòu)，不需要外界能量即可維持其磁場(chǎng)，其憑借著機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行高效率低噪聲以及高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用前景非常廣闊。

2 總體設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)包括獨(dú)立按鍵、顯示、電壓電流檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)電路、直流無(wú)刷電機(jī)及供電電源模塊，該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

首先，霍爾傳感器檢測(cè)到無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)的轉(zhuǎn)子位置信息后，將其送至驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)處理單元，進(jìn)行隔離、濾波后，再將其送至DSP的CAP（捕獲單元）引腳端，DSP對(duì)CAP端捕獲到的信號(hào)進(jìn)行處理判斷，得到當(dāng)前直流無(wú)刷電機(jī)內(nèi)的轉(zhuǎn)子位置，DSP再通過(guò)PWM波輸出端輸出相應(yīng)屬性的PWM波至驅(qū)動(dòng)電路中的三相全橋驅(qū)動(dòng)電路中，控制MOSFET管通斷，給無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行電子換相，使其轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，下一時(shí)刻霍爾傳感器又檢測(cè)到無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)的轉(zhuǎn)子位置后，重復(fù)上述過(guò)程，電機(jī)則連續(xù)不斷地運(yùn)轉(zhuǎn)。電流、電壓檢測(cè)電路采集電機(jī)電源和流出電機(jī)繞組的電流，進(jìn)行一定處理，送入DSP的ADC模塊，判斷是否發(fā)生過(guò)流、過(guò)壓情況，若有，則關(guān)閉DSP發(fā)出的PWM波，停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 TMS320F28335簡(jiǎn)介

該設(shè)計(jì)選用TI公司C2000系類(lèi)中的TMS320F28335芯片，其芯片內(nèi)外設(shè)資源可以說(shuō)是專門(mén)為電機(jī)控制需求所設(shè)計(jì)，其核心運(yùn)行的150MHz頻率完全滿足電機(jī)高精度的控制要求，在電機(jī)領(lǐng)域中大顯身手。

3.2 PWM緩沖隔離模塊

F28335的ePWM模塊有6個(gè)ePWM子模塊，每個(gè)通道由兩個(gè)PWM輸出組成：ePWMxA和ePWMxB。驅(qū)動(dòng)控制電路中的三相全橋電路中有6個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，而且每個(gè)橋臂上的兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào)是相關(guān)的，控制信號(hào)分別為ePWM1A和ePWM1B、ePWM2A和ePWM2B、PWM3A和ePWM3B。

3.3 信號(hào)檢測(cè)模塊

本系統(tǒng)的電流比較小，選用串采樣電阻的方法。采樣電阻兩端的電壓經(jīng)過(guò)有源濾波，放大后經(jīng)過(guò)隔離后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D，通過(guò)A/D采樣來(lái)獲得電流的大小。直流母線電壓通過(guò)電阻分壓，然后經(jīng)過(guò)初級(jí)運(yùn)放進(jìn)行信號(hào)放大與去除噪聲，再輸入線性光耦HCNR200，實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離，最后經(jīng)過(guò)末級(jí)運(yùn)放后輸入到28335的A/D模塊中，通過(guò)A/D采樣就能知道此時(shí)母線電壓的大小，進(jìn)而用來(lái)進(jìn)行過(guò)壓或者欠壓的檢測(cè)等。

4 軟件設(shè)計(jì)

直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件功能主要根據(jù)霍爾傳感器提供的信號(hào)進(jìn)行直流無(wú)刷電機(jī)換相工作，再進(jìn)一步根據(jù)PID控制策略對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，又要時(shí)刻檢測(cè)直流無(wú)刷電機(jī)定子電流、電壓是否發(fā)生過(guò)流、過(guò)壓情況，同時(shí)獨(dú)立按鍵要響應(yīng)外部來(lái)的中斷操作，LCD顯示整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出了以DSP為系統(tǒng)核心的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，使用方便；

（2）系統(tǒng)功耗低、可靠性高，效率高；

（3）使用模塊化設(shè)計(jì)，C語(yǔ)言編程，可移植性強(qiáng)；

（4）采用電子換相使得永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)換向過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生火花，提高了電機(jī)的使用壽命，使運(yùn)行可靠,維護(hù)方便。

[1]劉金琨．智能控制[M]．電子工業(yè)出版社,2014．

[2]駱傳旺．高速無(wú)刷直流電機(jī)的無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)研究[D]．華中科技大學(xué),2014

[3]王瑞玲．無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速算法及啟動(dòng)電路研究[D]．鄭州大學(xué),2010．