摘要：介紹了以高性能dsPIC30F4012芯片為核心的無刷直流電動機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計和實現(xiàn)，全面分析研窮無刷直流電動機運行原理的基礎(chǔ)上，闡述了無刷直流電動機的控制策略以及軟件實現(xiàn)方法。實驗表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，控制精度高，具有良好的靜態(tài)和動態(tài)性能，尤其可應(yīng)用于伺服機構(gòu)、機電一體化的調(diào)速設(shè)備中。
關(guān)鍵詞：dsHc30F4012；無刷直流電動機；控制系統(tǒng)
中圖分類號：TM33 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1004—7018(2009)10—0043—03
0引言
隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、先進控制技術(shù)和稀土永磁材料的快速發(fā)展，無刷直流電動機得到了迅速地推廣。無刷直流電動機具有體積小、重量輕、高效節(jié)能、調(diào)速方便、結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、功率密度大以及易于維護等優(yōu)點，在伺服控制、電動汽車、機器人及家用電器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在許多場合成功地替代了有刷直流電動機1】
在無刷直流電動機控制系統(tǒng)中，選擇一款性能優(yōu)越的芯片作CPU將會提升系統(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)的可擴展性、靈活性、適應(yīng)性以及參數(shù)的可修改性得到了滿足。
1系統(tǒng)硬件設(shè)計
本文介紹的無刷直流電動機控制系統(tǒng)主要由以下五個部分組成：dsPIC30F4012、IP,2130、三相逆變橋、位置傳感器、無刷直流電動機。硬件原理框圖如圖1所示。
控制過程如下：dsPlC30F4012根據(jù)捕獲到的霍爾位置信號和正反轉(zhuǎn)按鈕狀態(tài)，確定PWM的輸出
圖1無刷直流電動機控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖通道，輸出的PWM經(jīng)驅(qū)動芯片IR2130后開啟相應(yīng)的MOSFET，使得電機中相應(yīng)繞組通過電流，電機按給定方向連續(xù)轉(zhuǎn)動。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)電機繞組兩端的平均電壓，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的控制。
系統(tǒng)中的主控芯片dsPIC30F4012是專門為電機高速控制所設(shè)計的一種16位微處理器。它具有
一個16位CPU和一個DSP內(nèi)核，片內(nèi)設(shè)有一個6通道的A／D轉(zhuǎn)換器，工作在10位模式，采樣保持時間、轉(zhuǎn)換時間、閥值檢測方式和零偏補償校正均可編程；5個16位定時器；一個6通道的電機專用MCP—WM控制器。此裝置大大簡化了產(chǎn)生脈寬調(diào)制(PWM)波形的控制軟件和外部硬件，通過編程可產(chǎn)生互補的三相6路PWM波形2】可通過編程設(shè)置死區(qū)時間防止同一橋臂上2個功率管發(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)動芯片選用美國國際整流器公司的HR2130,一個IR2130可驅(qū)動三相橋式電路的六個功率開關(guān)
器件，內(nèi)部設(shè)計有過電流、過電壓及欠電壓保護，使用戶可方便地用來保護被驅(qū)動的功率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)，它還可對同一橋臂上下兩功率MOs器件的柵極驅(qū)動信號產(chǎn)生2μs的死區(qū)時間，使設(shè)計進一步簡化系統(tǒng)硬件電路，減少體積，提高可靠性。其輸出的****正向峰值驅(qū)動電流為250 mA，而反向峰值驅(qū)動電流為500 mA；耐壓600 V滿足要求3】。其驅(qū)動電路框圖如圖2所示．
三相逆變橋中的開關(guān)器件選用功率M0sFET，具有開關(guān)速度快、驅(qū)動功率小、安全工作區(qū)寬、過載能力強等優(yōu)點。本系統(tǒng)選用N溝道的MOsFETIRF540，額定電流為40 A，耐壓值為100V，能夠滿足本系統(tǒng)的要求，其電路圖如圖2虛框所示.
對三相橋逆變器來說，MOsFET起開關(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)通時要大得多，從而會造成管子的過度發(fā)熱而損壞，為了避免功率管的損壞，需要對3個下管在開通時進行vce檢測保護。電路圖如圖3所示。 以第一相為例，當(dāng)LOl為高電平(十15 V)開通M0sFET Qo時，DLOAl在L01(+15 V)與參考電壓VREF1(+10 V)通過比較器LM339比較之后輸出為高(+15 V)，此時開始vce檢測。在MOsFET功率管QO開通時，VSL的電位(不超過1.4 V)低于DLOAl(+15 V)，這使得二極管D7導(dǎo)通，此時+15 V電壓正極通過電阻R34R27二極管D7、MOsFET Q0的源極和漏極與+15 V電壓負極導(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)動芯片[R2130在ITIRP為低時說明工作正常。如果功率管Qo、Q2、Q4有一路發(fā)生故障，例如QO管壓降超過1 2 V時，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，從而起到保護作用。
2控制策略及軟件設(shè)計
2 1轉(zhuǎn)子定位與定子繞組換相原理
電機繞組中建立的旋轉(zhuǎn)的電樞磁場方向必須根據(jù)轉(zhuǎn)子永磁磁場位置進行調(diào)整。無刷直流電動機的
效率很大程度上取決于兩個磁場的相對位置關(guān)系。通常采用霍爾位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子磁場位置，并根據(jù)來自霍爾傳感器的位置信號實現(xiàn)正確換向。以兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)無刷直流電動機為例說明工作原理4]霍爾位置傳感器輸出磁極位置信號，經(jīng)過控制電路邏輯變換后驅(qū)動逆變器，使圖2中的功率開關(guān)管Q1、Q2導(dǎo)通，即繞組A、B通電，A進B出，此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用拖動轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動。電流流通路徑為：電源正極一Q1-A相繞組一B相繞組Q2一電源負極。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60°電角度，霍爾位置傳感器輸出信號，經(jīng)邏輯變換后使開關(guān)管Q2截止，Q4導(dǎo)通，此時Ql仍導(dǎo)通，則繞組A、C通電，A進c出，此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用使轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時針方向轉(zhuǎn)動.電流流通路徑為：電源正極一Ql A相繞組一c相繞組一Q4一電源負極，依次類推：當(dāng)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60。電角度時，功率開關(guān)管之間進行一次換流，定子磁狀態(tài)就改變一次�？梢�，電機有六個磁狀態(tài)，每一狀態(tài)都是兩相導(dǎo)通，每相繞組中流過電流的時間相當(dāng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120°電角度，每個開關(guān)管的導(dǎo)通角為120°電角度。兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)無刷直流電動機的三相繞組與各開關(guān)管導(dǎo)通順序的關(guān)系如表1所示．
2 2軟件設(shè)計
控制部分的軟件內(nèi)嵌于dsPIc30F4[)12的程序存儲器中，由c語言實現(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)上電便進行開關(guān)位置及電機狀態(tài)等檢測，有故障時就報錯，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) 用各個模塊初始化函數(shù)，并使能模塊，然后進入死 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。主要完成獲取電機轉(zhuǎn)子位置信號，并結(jié)合電機工作狀態(tài)按鈕確定OVDcOND寄存器的值，控制6路PwM的輸出進而完成控制電機正確轉(zhuǎn)動。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算；PID計算在Timerl中進行，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，對轉(zhuǎn)速進行實行控制。本系統(tǒng)中控制器的設(shè)計特點是：根據(jù)實
際情況設(shè)定一個誤差閾值，當(dāng)跟蹤誤差大于閾值時，取消積分控制作用，以免產(chǎn)生過大超調(diào)；當(dāng)被控量與給定值的偏差小于設(shè)定閥值時，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，我們對設(shè)計制成的電路板進行了測試，測試條件為：電機與直流母線電壓均為24 v，負載電機為5 kw無刷直流電動機，PwM斬波頻率為20 kHz。
圖6a為實驗測得dsPIc30F4012輸出PwM的死區(qū)時間值為500 ns，該死區(qū)時間通過在軟件中設(shè)定，本實驗中設(shè)定值為500 ns，可見輸出嚴(yán)格符合要求；圖6b為實驗測得Il：／2130輸出PwM的死區(qū)時間為2 .5μs：IR2130自動生成上、下側(cè)驅(qū)動所必需的死區(qū)時間為2～2.5μs，加上dsPIc30F4012輸出的死區(qū)時間值500 ns，理淪結(jié)果值為2．5～3μs.可以看出，實驗結(jié)果在理論值的范圍之內(nèi)，符合設(shè)計要求。
電機穩(wěn)態(tài)運行時三路PwM輸出和電機某一線電動勢波形如圖7所示。
通過實驗可以看出，設(shè)計完全符合要求，實踐證明了基于dsPIc30F4012單片機的無刷直流電動機控制系統(tǒng)具有電路簡單、調(diào)速性能好、抗干擾性強、可靠性高、穩(wěn)定性好、性能價格比高等優(yōu)點，系統(tǒng)適合于小功率無刷電動機的控制，同時，也可推廣到其他工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，如機床、機器人和電梯驅(qū)動等。
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