基于DSP無刷電動機控制系統設計

眾所周知，直流電動機調速性能好，但存在機械換向裝置易造成換向火花、電磁干擾及需要定期維護等不足；同步電動機效率高，功率因數可調，但存在啟動困難，重載時易振蕩失步等問題。

　　隨著電力電子技術、計算機技術和新型永磁材料的不斷發展，為提出一種利用電子換向原理實現永磁無刷電動機控制創造了條件。特別是近幾年推出的數字信號處理器(DSP)芯片，解決了原來微處理器結構復雜，單片微處理速度達不到實時系統控制的要求，為無刷電動機的復雜算法提供了軟硬件基礎。

　　1 系統結構和工作原理

　　無刷電動機屬于一種自控同步電動機，它主要由DSP電機專用高速處理器芯片、轉子位置傳感器、邏輯驅動電路、功率電子開關、電流和電壓檢測等裝置組成。DSP控制的無刷電動機系統結構如圖1所示。其中，無刷電動機定子繞組為星形接法；DSP控制芯片ADMCF328驅動專用集成芯片IR2130；逆變橋采用三相橋式電路；轉子位置檢測器利用霍爾元件檢測，并利用位置信號估算轉子的轉速，以實現轉速閉環控制。

　　無刷電動機的轉子采用永磁體，產生直軸位置的勵磁磁場，定子為電樞繞組，通過功率控制器控制各相繞組的通斷狀態而產生旋轉磁場。設計無刷電動機控制系統設計的關鍵是如果選擇轉子位置檢測器，當電動機定子電樞系統直接由轉子轉速控制。當電動機速度降低時，位置檢測器的輸出信號頻率也降低，電樞電流頻率及其旋轉磁場的速度也隨之降低，但若使電樞磁場與勵磁磁場的相對位置仍保持不變，則電動機就不會失步。同時，由無刷電動機調速特性可知，調節直流電壓Ud的大小，可以改變電動機的轉速性能，這與有刷直流電動機有相似的機械特性。

　　2 控制系統硬件設計

　　2．1 控制系統設計

　　電動機控制系統采用速度外環和電流內環的雙閉環控制，兩個反饋環節的調節器都采用PID數字調節器，如圖2所示。計算電動機轉子轉速的目的是為了實現轉速調節和計算出電樞電流的指令值。在直流母線上采集電流調節器的采樣信號，采樣信號與前端值比較計算后輸出給PWM同步調節器。電流調節器、速度調節器的計算除了調節器設定的PID參數KP，kI和kD外，還要設定PWM周期參數等。

　　2．2 DSP控制板

　　DSP控制板由ADI公司生產的專用DSP芯片ADMCF328、硬件控制與恢復電路等組成。ADM-CF、328芯片具有強大、快速的處理能力，主要完成控制算法的處理、PWM輸出、模／數轉換、與上位機通信和輸出顯示等功能。

　　該芯片只有28個外部引腳，縮小了控制板尺寸，提高了系統的可靠性，而且具有價格低等優點。芯片的內部集成了一個具有反向功能的5倍放大器，用于精確的電流采樣，實現電流的閉環控制。芯片與IR2130驅動電路、轉子位置檢測器、鍵盤和計算機等外設備連接，可實現無刷電動機的實時控制和運行監視。

　　2．3 轉子位置檢測器

　　轉子位置檢測器是無刷電動機的重要組成部分，常用的轉子位置檢測器有電磁感應式、光電式、霍爾開關式和接近開關式。高性能的無刷電機位置檢測器、磁電碼盤和旋轉變壓器式，可根據實際控制系統的要求予以選擇。

　　該系統選用霍爾開關式轉子位置檢測器，具有性價比高的特點。它的工作原理是：在霍爾元件的輸入端通入控制電流，當霍爾元件受到外磁場作用時，輸出端便有了信號輸出，根據霍爾元件的控制信號便可判斷轉子磁極的位置。同時利用定時器確定相鄰兩次霍爾位置狀態變化所需的時間，就可以估算出轉子的實際轉數和轉向。

　　3 控制系統軟件設計

　　控制系統軟件設計與上述硬件電路密切相關。軟件程序設計主要包括主程序和中斷服務子程序。主程序主要完成ADFVCF328的初始化、變量與常量參數的設置等。主程序實際上是進入一個查詢過程，程序不斷查詢電壓狀態、電流狀態，更新標志并調入換相服務子程序，給電動機相應的定子繞組通電。中斷服務子程序主要完成ADC轉換，測量電機定子電流、直流電壓、PID數字比較運算，確定PWM占空比、PMW周期中斷，計算及更新PWM寄存器的值。軟件程序設計還要考慮轉子位置傳感器、霍爾元件信號接口的初始化及功能設計、PID數字反饋系統的參數設定等。

　　由于ADMCF328芯片數字PIO口以串口多路復用，因此選擇引腳時要特別注意。圖3給出了無刷電動機控制系統中部分主程序和中斷服務子程序的軟件程序框圖。

　　DSP芯片軟件編程一般分為兩部分：首先用匯編語言或C語言編寫DSP程序編譯、匯編并鏈接成為可執行的DSP程序；然后利用代碼調試工具對生成的可執行的：DSP程序進行系統調試。該控制系統可以根據軟件程序框圖編寫DSP程序代碼清單。

　　4 結 語

　　利用數字信號處理器(DSP)電機專用高速芯片ADMCF328、轉子位置傳感器、專用集成芯片IR2130、功率電子開關、電流和電壓檢測裝置等設計的無刷電動機控制系統，具有效率高，功率因數可調，啟動方便和重載時不失步等優點。無刷電動機選用新型永磁材料和DSP電機專用高速處理器芯片，解決了原來微處理器結構復雜，單片微處理器速度達不到實時系統控制要求的不足。用Matlab/Simulink軟件對無刷電動控制系統搭建了仿真模型。仿真輸出的轉矩、轉速和電流波形及數據證明，該控制系統速度調節性能好，擾動作用下運行穩定，系統的動態性能優良。