基于DSP的無刷直流電機控制系統的研究與設計

引言
近幾年來，隨著電力電子器件和現代控制理論的迅速發展，無刷直流電動機由于沒有接觸式換向裝置，不存在換向引起的火花，其具有效率高，轉速不受機械換向所限制，可維護性強，安全性高等諸多優點，而被人們廣泛應用于光驅、智能機器人、電動交通工具等領域。DSP(數字信號處理器)則以其高速的數據處理能力、豐富的內部資源、集成度高和功耗低等特點，已廣泛應用在控制領域中。本文提出了一種基于DSP的無刷直流電機控制系統的設計方案。該設計結合模糊控制方法來實現無刷直流電動機的智能化控制。

1 無刷直流電機的數學模型
根據物理學公式，單根導體在磁場中切割磁力線運動時，所產生的電動勢e為：

式中，B為磁場感應強度，l為磁場中導體的有效長度，v為導體垂直于磁力線運動的線速度。在電機中，v與轉速n的關系為：

這樣，無刷直流電機在運行過程中所感應產生的感應電動勢大小為：

式中，E為無刷直流電動機產生的感應電動勢；p為電機的極對數；α為極弧系數；W為點數繞組每一相的繞線匝數；ψ為每一極的磁通量；n為電機的轉速。
假設無刷直流電動機的繞組采用三相星型結構，定子三相完全對稱，空間上互差120°的電角度，三相繞組電阻的電感量參數相同。同時忽略電樞繞組之間產生的互感，電機的氣隙磁導均勻，磁路不飽和，并忽略渦流損耗。則無刷直流電動機的數學模型如下：

式中，Va、Vb、Vc分別為三相端壓；R為三相繞組電阻；L為三相繞組電感；Ea、Eb、Ec分別為電動機的三相感應電勢；ia、ib、ic分別為三相繞組流過的電流。這樣，其電磁轉矩的表達式可以表示為：

而根據運動學定律。電磁轉矩的表達式也可以表示為：

式中，T1為電動機的負載轉矩，J為轉子的轉動慣量，Z為電機轉動的阻尼系數。

2 系統硬件設計
2．1 系統總體硬件設計
本系統大致可分為功率驅動部分、DSP控制核心部分、A／D信號檢測部分等，圖1所示是一個基于DSP的直流無刷電機控制系統的總體硬件系統框圖。

2．2 功率驅動部分設計
圖2所示是本文所介紹的三相無刷直流電機的功率變換橋路電路圖。圖中共使用了6個N溝道的MOSFET功率元件IRF540，可構成三相橋路以作為無刷直流電機的電子換相器，其完成的功能與傳統的有刷直流電機的換相器的功能一致。電阻R107作為過電流保護功能的采樣電阻。其實是一個小型的錳銅分流器，取值0．01Ω，可保證平時在正常工作電流以及額定啟動電流通過電阻時，不會產生大的電壓，而當電機堵轉、某處短路或者上下MOSFET同時導通短路時，該電阻則可產生大電流，當在此電阻上的壓降達到一定程度時，電路可迅速激活過電流保護電路以停止所有MOSFET的工作，同時斷開主電路電源，防止事態進一步惡化。