1、基于DSP無刷直流電動機調速系統的設計1 無刷直流電動機本文針對有刷直流電動機存在換向火花、機械換向困難、磨損嚴重等缺點，提出了采用無刷直流機來代替有刷直流電動機，來提高控制系統的控制質量,本文設計了無刷直流機的數字控制方法。由于DSP具有處理數據量大、實時性好和精度高等優點,所以本文控制器采用的是DSP。此系統的雙閉環就是通過DSP軟件編程實現的，比起以往的用模擬器件實現的控制系統，其整個系統結構比較簡單、控制精度高并且具有很強的靈活性，系統可根據用戶的控制要求只需更改設定參數（即指令操作數）就可以實現其控制結果。本文對無刷直流機的結構和工作原理做了簡單的介紹，以為了更好地理解無刷直流機控制

2、系統。雖然用位置傳感器檢測轉子位置的方法比較直接，但位置傳感器必須安裝在電動機軸上，使電動機更加笨重，并且增加了整個系統的機械磨損等，所以本文采用了無位置傳感器方法來獲得轉子位置信號,本文采用反電勢檢測法。為了使整個系統能夠可靠運行，因而采用了轉速電流雙閉環，轉速環和電流環都采用PI調節器。1.1 無刷直流機的結構無刷直流機的轉子是由永磁材料制成的,具有一定磁極對數的永磁體。為了能產生梯形波感應電動勢，無刷直流機的轉子磁鋼的形狀呈弧形（瓦片狀），氣隙磁場呈梯形分布。定子上有電樞，這一點與永磁有刷直流電動機正好相反。無刷直流機的定子電樞繞組采用整距集中式繞組，繞組的相數有二、三、四、五相，但應用

3、最多的是三相和四相。各項繞組分別與外部的電子開關電路相連，開關電路中的開關管受位置傳感器的信號控制。無刷直流機的工作離不開電子開關的電路，因此由電動機本體、轉子位置傳感器和電子開關電路三部分組成了無刷直流機控制系統。其原理框圖如圖1-1所示。圖中，直流電源通過開關電路向電動機定子繞組供電，位置傳感器隨時檢測到轉子所處位置，并根據轉子的位置信號來控制開關管的導通和截止。從而自動地控制了哪些繞組通電，哪些繞組斷電，實現了電子換向。直流電源電動機開關電路位置傳感器 圖1-1無刷直流電動機原理框圖1.2 無刷直流機的工作原理普通直流電動機的電樞在轉子上，而定子產生固定不動的磁場。為了使直流電動機旋轉，

4、需要通過換向器和電刷不斷的改變電樞繞組中電流的方向，使兩個磁場的方向始終保持相互垂直，從而產生恒定的轉矩驅動電動機不斷旋轉。無刷直流機為了去掉電刷，將電樞放到定子上去，而轉子做成永磁體，這樣的結構正好與普通電動機相反。然而即使這樣改變還不夠，因為定子上的電樞通入直流電以后，只能產生不變的磁場電動機依然轉不起來。為了使電動機的轉子轉起來，必須使定子電樞各相繞組不斷地換相通電，這樣才能使定子磁場隨著轉子的位置不斷地變化，使定子磁場與轉子永磁磁場始終保持90o左右的空間角，產生轉矩推動轉子旋轉5。在換相的過程中，定子各項繞組在工作氣隙中所形成的旋轉磁場是跳躍式運動。這種旋轉磁場在一周有三種狀態，每種

5、狀態持續120o。它們跟蹤轉子，并與轉子的磁場相互作用，能夠產生推動轉子繼續轉動的轉矩2 系統硬件平臺設計 2.1 系統總體方案設計系統總體的硬件電路可分為以下幾個部分:1) DSP控制系統電路設計2) 功率主電路設計3) 檢測電路設計4) 故障處理保護電路設計。系統的總體的硬件框圖如圖2-1所示圖2-1系統總體硬件框圖前級整流濾波電路提供給整個系統穩定的直流電源；逆變電路選用的是IPM模塊，由DSP提供的6路PWM信號經過高速光耦的隔離后經驅動電路驅動從而控制電機的運轉；反電動勢檢測電路則是提供給DSP信號用來確定轉子位置的。保護電路則是對整個系統提供安全的保護措施，包括過壓、欠壓等。2.2

6、 功率主電路由于無刷直流機的供電電壓為直流，在其定子中流過的是交流電的原因，所以對于系統的主電路來說采用常用的交-直-交變換。圖2-2交直變換電路結構圖交直部分采用三相橋式不可控整流電路(電路圖如2-2所示)，用來提供電路所需的直流電壓。濾波電容C1用來穩定直流電壓，降低直流電源的輸出阻抗。其中A, B, C三相為從DSP系統開發控制板輸出的三相交流電。2.2.1 IPM模塊的內部結構圖2-3 IPM的等效電路圖由圖2-3可見，IPM是一種包括反并聯續流二極管在內的由IGBT組成的逆變器。在此電路中，功率變換由6個IGBT開關管及續流二極管構成三相逆變橋。六個IGBT開關管的開關觸發信號受TM

7、S320LF2407A DSP芯片所輸出的六路PWM波的控制，開關管有規律的通斷將直流電逆變為交流電提供給無刷直流機的三相定子。2.2.2 IGBT驅動電路本系統的IGBT門極觸發采用的是日本東芝公司TA8316AS，通過大電流直接驅動IGBT。其內部和控制電路連接如圖：圖2-4 TA8316AS內部和控制電路圖2.3 位置檢測電路無刷電動機是一閉環的機電一體化系統，它是通過轉子磁極位置信號作為電子開關線路的換相信號，因此，準確檢測轉子位置，并根據轉子位置及時對功率器件進行切換，是無刷直流機正常運行的關鍵。為適應無刷電動機的進一步發展，無位置傳感器應運而生，它一般利用電樞繞組的感應反電動勢來間

8、接獲得轉子磁極位置，與直接檢測法相比，省去了位置傳感器，簡化了電動機本體結構，取得了良好的效果，并得到了廣泛的應用。因此本系統采用無位置傳感器方法進行位置檢測。2.3.1 反電勢過零檢測電路的組成反電勢過零檢測法是通過將電動機電樞繞組的端電壓與電樞中性點電壓比較得反電勢過零點，從而確定轉子磁極的位置，其檢測電路由端電壓檢測、低通濾波、過零比較和光電隔離等環節組成，如圖2-5所示。 圖2-5 無位置傳感器位置檢測電路結構由于端電壓不是完全的梯形波，總帶有毛刺和諧波干擾，這些干擾將嚴重影響反電動勢過零點的正確檢測，為此必須對其進行深度濾波。濾波后的端電壓檢測信號與電機的中性點電壓進行比較，獲得反電

9、動勢的過零點。為了避免電壓過高損壞DSP，必須將反電動勢過零點信號經過光電隔離。為了計算不通電相的感應電動勢，需要測量三個相電壓。反電勢檢測電路取代了位置傳感器和測量電路，采用廉價的分壓電阻和濾波電容組成反電勢過零檢測電路。反電勢檢測電路如圖2-6所示。圖2-6端電壓檢測電路及其與DSP接口2.4 電流檢測與保護電路對于兩相導通三相六狀態無刷直流機，在任意時刻，只有兩相繞組通電，電流從一相繞組流入，再從一相繞組流出，電流大小與直流側電流大小相等。這樣，只需要在直流側接入一個采樣電阻就可以檢測導通相的電流。圖2-7 電流檢測與保護電路原理如圖2-7示，電流信號通過檢測采樣電阻R兩端的電壓得到。電

10、流檢測信號一方面作為DSP的過流保護信號，接至DSP的引腳；另一方面作為電流環的反饋信號，輸入到DSP的ADCIN00引腳。過流檢測是為了防止電機過載、起動或異常運行時由于電流過大而對控制電路、功率逆變器和電動機本體的損害而設計的。在直流側串聯一個采樣電阻，通過將采樣電阻兩端電壓進行比較來確定主電路電流是否過流，過流信號送至DSP的中斷引腳，封鎖功率開關的驅動信號。如圖2-8所示，其中電容C1和C2的作用是濾去采樣電阻兩端電壓的高頻干擾信號，防止過電流誤動作。采樣電阻應根據最大允許電流的限值來選取，其阻值以端電壓為0.5V為基準。由于TMS320LF2407A的A/D轉換單元輸入信號的電壓范圍

11、為03.3V，而電流采樣信號比較小，所以需要進行放大。同時為了保護DSP不因過流信號而損壞，還應該對電流信號進行隔離。具體的放大電路可參照端電壓檢測電路。2.5 故障處理和保護電路2.5.1 過欠電壓保護電路 DSP實時監測交流母線電壓，當電網電壓過低或過高時，關閉逆變器，使控制器不會損壞。電機在起動過程中，如果出現了欠壓的情況，電機將起動不了，會使電機出現堵轉的現象，從而對系統造成損壞。為了避免上述情況，我們設計了下面的電路如圖2-8。圖2-8過、欠電壓保護原理圖過、欠壓保護電路的輸入電壓IN必須能反映三相交流輸入電源的變化，這樣當三相交流電出現過壓或者是欠壓時，過、欠壓保護電路的輸入電壓I

12、N就會發生變化，輸出端的信號LOWVOL和OVERVOL就會輸出信號給控制電路進行處理。2.6 DSP控制電路設計TMS320LF240X芯片為公司的MS320C200系列下的一種定點DSP芯片，特別適合于運動系統全數字化控制。它具有低成本、低功耗、高性能的處理能力。它將幾種外設集成到芯片內，形成了真正的單芯片控制器，具有運算速度在30MPIS以上、外設集成度高、程序存儲量大（片內FLASH）、ADC模塊的轉換速度快等特點。同時，該類芯片具有強大的外部通信接口（SCI、SPI、CAN）便于構成大的控制系統。因此本系統選用DSP的型號為TMS320LF2407A。2.6.1 起停電路、DSP晶振

13、及復位電路設計1)起停電路的實現起動、停止電路如圖2-9所示: 圖2-9起動、停止控制電路圖起動、停止電路都是最基本的RC充放電路。控制電機起動，通過按按鈕SW2，START信號由高電平變為低電平，送DSP的ADCIN04(I/O) 多功能口，通過程序將ADCIN04（I/O）口配置成I/O口，當DSP檢測到START信號變低時，系統便開始電機起動程序。而電機停機是通過SW1按鈕控制，STOP信號送DSP的ADCIN04(I/O)口，當SW1按下時，DSP檢測到高電平時，電機停轉。電阻R17和R18是為了防止在高電平到低電平的突變，起到續流的作用。2)復位電路系統的復位電路采用的為簡單實用的上

14、電復位電路，電源剛加上時，TMS320LF240LF7A處于復位狀態，為低電平使芯片復位。為使芯片初始化正確一般應保證為低電平至少3個CLKOUT周期，即當時鐘為20MHz時的600ns。但是，在上電后，系統的晶體振蕩器往往需要幾百毫秒的穩定期，一般為100ms200ms。圖2-10 復位電路系統采用圖2-10電路的復位時間主要由R和C確定。3)晶振電路給DSP芯片提供時鐘一般有兩種方法，一種是利用DSP芯片內部提供的晶振電路，在DSP芯片的X1和X2CLKIN之間連接一晶體可起動內部晶體振蕩器，這種方式的晶體應為基本模式，且為并聯諧振。第二種是將外部時鐘源直接輸入X2CLKIN引腳，X1懸空

15、。采用封裝好的晶體振蕩器，這種方法使用方便，在實際應用中得到了廣泛的應用。在本系統中正是利用第二種方法提供給DSP芯片時鐘信號源，電路圖如圖2-11所示圖2-13時鐘電路系統時鐘SYSCLOCK和看門狗時鐘都由CPU時鐘提供。系統時鐘，一般采用CPU時鐘頻率的1/2或1/4，供DSP的所有外圍設備總線上的設備使用。而WATCHCLOCK時鐘頻率較低，為watchdog計數器和實時中斷模塊使用。3 軟件系統設計3.1 無刷直流機控制系統原理無刷直流機工作在由位置檢測器控制逆變器開關管通段的“自控式”變頻方式下，逆變器的變頻是自動完成的，并不需要控制系統加以干預及控制。要控制電機的轉速就應控制電機

16、的轉矩，調節直流側電壓即可調節轉速。通常采用PWM（Pulse-Width Modulation,脈寬調制）調節方式，通過改變控制脈沖的占空比來調節輸入無刷直流機的平均直流電壓，以達到調速的目的。無刷直流機系統通常采用轉速、電流雙閉環控制，系統原理圖如圖3-1所示。其中，ASR和ACR分別為轉速和電流調節器，通常采用PI算法實現。速度為外環，電流為內環，由于，電流調節的實際上是電磁轉矩。速度給定信號，與速度反饋信號送給速度調節器（ASR），速度調節器的輸出作為電流信號的參考值，與電流信號的反饋值一起送至電流調節器（ACR），電流調節器的輸出為電壓參考值，與給定載波比較，形成PWM調制波，控制I

17、PM模塊的實際輸出電壓。被確定要導通的相并不總是在導通，它受PWM輸出信號的控制，邏輯與單元的任務就是把換向信號和PWM信號結合，再送到IPM模塊。 圖3-1無刷直流機系統原理圖3.2 無刷直流機的起動無位置傳感器無刷直流機是利用反電勢來決定換流時序的。當轉子靜止或低速時，反電勢為零或太小，無法利用。因此電機必須以他控式同步電動機方式起動、加速，最后切換至無刷電機狀態。之所以要連續N次檢測到開路相的感應電勢過零點后，才從他控式狀態切換到自控式狀態，目的是為了防止干擾等引起的誤檢測和轉速未趨于穩定，影響起動過程的順利完成。所提出的方法起動可靠、實現簡單、方便。調試中需要注意的是To和PWM的占空比的選擇，以及對加速過程中占空比的變化速度的控制。圖3-2起動程序框圖4 結論本文的基于TMS320LF2407A DSP的全數字無刷直流機無位置傳感