基于dsPIC30F3010的無刷直流電動機控制系統設計

摘要：針對電機應用場合、體積縮小與節約成本等諸多問題，采用反電動勢過零點檢測方法，設計了基于dsPIC30F3010芯片的無刷直流電機無位置傳感器控制系統。分析了dsPIC30F3010外圍電路，逆變及其驅動電路。反電動勢檢測電路，電流采樣與過流保護電路，開發了主程序和中速事件處理程序，并給出了電機正常運行時端電壓的波形。實驗結果表明系統能夠控制電機順利起動，而且實現了電機正確的換相和正常運行，證明了系統設計的可行性。
關鍵詞：無刷直流電機；反電動勢(BEMF)；無位置傳感器；數字信號控制器

無刷直流電動機(BLDCM)是隨著電力電子技術的迅速發展而發展起來的一種新型電動機，具有可靠性高，易維護等一系列優點，在家用電器和工業生產領域中得到了廣泛的應用。就其基本結構而言，無刷直流電動機可以認為是一個由電機本體、轉子位置檢測電路以及電子開關電路三者共同組成的“電動系統”。
無刷直流電動機電子開關線路是用來控制電動機定子上各相繞組通電的順序和時間的，主要由功率邏輯開關單元和位置傳感器信號處理單元兩個部分組成。功率邏輯開關單元是控制電路的核心，其功能是將電源的功率以一定邏輯關系分配給無刷直流電動機定子上各相繞組，以便使電動機產生持續不斷的轉矩。而各相繞組導通的順序和時間主要取決于來自轉子位置檢測電路的轉子位置信號。但轉子位置檢測電路所產生的信號一般不能直接用來控制功率邏輯開關單元，往往需要經過一定邏輯處理(功率放大)后才能去控制邏輯開關單元。
無刷直流電機的無位置傳感器控制的難點在于轉子位置信號的檢測。國內外研究人員提出了諸多方法，典型的方法有：反電動勢法、三次諧波檢測法、電感檢測法和擴展卡爾曼濾波法等。三次諧波檢測法在高速時能夠準確快速地估計轉子位置，但是當電機的轉速低于某個值時，檢測到的三次諧波嚴重畸變，不能準確估計轉子的位置。電感檢測法需要對繞組電感進行不斷的實時檢測，實現難度較大。擴展卡爾曼濾波器法計算繁瑣，對微機性能要求較高，實現較麻煩。反電動勢過零點檢測法通過檢測各相反電動勢的過零點，延遲30°電角度，獲得相應的換相時刻，該方法雖然存在低速時難以得到有效的轉子位置信號，由RC濾波電路引起的過零點相移等缺點，但該方法是目前技術最成熟，實現最簡單，應用最廣泛的轉子位置檢測方法。
普遍采用的控制方案為基于DSP的控制和基于專用集成電路的控制等，受芯片功能、速度和結構的限制，硬件設計中往往需要較多的外圍電路，導致裝置的整體集成度不高，硬件開發相對復雜。本文采用反電動勢過零點檢測方法，設計了基于dsPIC30F3010芯片的無刷直流電機無位置傳感器控制系統，將高性能16位單片機的控制特點和DSP高速運算的優點相結合，為嵌入式系統設計提供了合適的單芯片、單指令流的解決方案，其結構簡單，運行性能良好。

1 系統硬件設計
本無刷直流電動機無位置傳感器控制系統的硬件以美國微芯公司(Microchip)生產的數字信號控制器dsPIC30F3010為核心控制器。dsPIC 30F3010具有6路10位A／D、專門針對電機設計的6路PWM模塊、5路16位定時器、24 kB Flash程序存儲器以及1 kB RAM。dsPIC30F系列器件采用功能強大的16位架構，無縫集成了單片機(MCU)的控制功能和數字信號處理器的計算能力。因此是以高速、重復計算和控制為基礎的應用的理想選擇。
1．1 系統硬件總體設計
系統硬件電路由主電路、驅動電路、過零點檢測電路、采樣電路、各種保護電路組成。dsPIC30F3010控制器首先通過反電動勢檢測法獲得轉子的位置信號，并根據轉子的位置發出相應的控制字來改變PWM信號的當前值，從而改變直流電動機驅動電路中功率管的導通順序，實現對電動機轉速的控制。然后系統根據轉子的位置和間隔時間測出電機轉速。將檢測到的各相的電流轉換成電壓信號降壓后輸入到DSC的A／D轉換器，其值與經速度調節后產生的電流參考值比較，形成PWM占空比的控制量，來改變直流無刷電機電樞電流，從而達到控制電機轉速的目的?？刂葡到y中采用全橋PWM調節方式，通過改變PWM控制脈沖的占空比來調節輸入無刷直流電機的平均直流電壓，以達到調速的目的。整個系統硬件框圖如圖1所示。

1．2 dsPIC30F3010外圍電路的設計
圖2為控制芯片dsPIC30F3010及其外圍電路圖。圖中上接的是復位電路，S1是復位按鈕，通過上拉電阻R2，這樣VPP／MCLR引腳可置低電平來復位PIC單片機；S2為啟停按鈕，控制電機啟停；SW1為調試／編程開關，閉合SW1即可切換到MPLAB ICD時鐘線和數據線進行編程；HA，HB，HC為三相電壓反饋；VBUS、IMOTOR接口分別是電機母線電壓與電流的輸入接口；在電路上通過一個可調電阻串一個電阻到地的方式，作為給定轉速的設置。其中所串的小電阻，讓AD無法讀到0這么低的值，規避了給定轉速下限的問題。用RB3／AN3、RB4／AN4、RB5／AN5實現電機端電壓檢測，得到反電動勢過零點。PWM1L／YPWM1H、PWM2L／PWM2H、PWM3L／PWM3H分別是A、B、C三相逆變橋電路上、下橋臂開關信號接口，采用PWM模塊控制6個MOSFET通斷，實現換相。