基于DSP的三相無刷直流電機系統

1 概述
　　
無刷直流電機是隨著電力電子器件及新型材料發展而迅速成熟起來的一種新型機電一體化電機，它既具有交流電機的結構簡單，運行可靠，維護方便等優點，又具備直流電機那樣良好的調速特性而無由于機械式換向器帶來的問題，還具有運行轉速穩定、效率高、相對成本低等優點，因此被廣泛應用于各種調速驅動場合。以往的無刷直流電機多由單片機附加許多種接口設備構成.不僅復雜，而且速度也受到限制,難于實現從位置環到速度、電流環的全數字控制，也不方便擴展。而應用數字信號處理器(DSP)實現的電機伺服系統卻可以只用一片DSP就可以替代單片機和各種接口, 擴展方便，可以實現位置、速度和電流環的全數字化控制。
　　
本文采用TI公司推出的240XDSP作為無刷直流電機全數字控制核心，組成的伺服系統只需要很少的系統元件。TMS320Ｆ240X是美國ＴI公司推出的高性能16位數字信號處理器(DSP)，是專門為電機的數字化控制而設計的。這種DSP包括一個定點DSP內核及一系列微控制器外圍電路，將數字信號處理的運算能力與面向電機的高效控制能力集于一體，可以實現用軟件取代模擬器件，方便地修改控制策略，修正控制參數，兼具故障檢測、自診斷和與上位機通信等功能。

　　
2 硬件介紹
　　
TMS320LF2407A的內核是TMS320C2XX(圖1)，內部采用了哈佛結構，流水線作業，在20MHz的時鐘頻率下，指令周期僅為50ns，且多數指令都能在一個指令周期內完成。其中央算術邏輯部分包括32位中央算術邏輯單元(CALU)，32位累加器，CALU的輸入/輸出數據定標移位器，16位×16位乘法器，乘積定標移位器，數據地址發生邏輯(包括8個輔助寄存器和1個輔助寄存器算術單元(ARAU)，程序地址發生邏輯。當處理器連續工作時，還能同時執行：a、經由串行口的數據接收和發送；b、內部定時器減數；c、產生三相脈寬調制(PWM)波形；d、采集4個模擬信號；e、看門狗定時器減數。它還包含有其它系列的ＤＳＰ芯片所沒有的雙10位模數轉換器、基于ＰＷＭ控制的管理器(6個比較單元、12路ＰＷＭ輸出、2路光電編碼器接口的編碼單元)。其ＰＷＭ波形生成單元包含可編程死區控制，可輸出非對稱ＰＷＭ波形、對稱ＰＷＭ波形和空間矢量ＰＷＭ波形。LF2407是x240x系列DSP中唯一能夠擴展外部存儲器，也是其中控制功能最強、片上設施最完備的一個型號，廣泛的用于代碼開發、系統仿真以及實際系統中。

圖1 TMS320Lx240x系列DSP控制器總體結構

　　
3 DSP控制流程
　　
圖2是用TMS320LF2407A實現三相無刷直流電動機調速的控制和驅動電路。本設計采用TMS320LF2407A微控制器為系統控制器核心，以功率MOSFET場效應管為功率變換元件，任意時刻電機只有兩相導通來控制換流元件，采用PWM方式來控制電機的轉矩和轉速。在這里，三個位置間隔120O分布的霍爾傳感器H1，H2，H3經整形隔離電路后分別與TMS320LF2407A的三個捕捉引腳CAP1，CAP2，CAP3相連，通過產生捕捉中斷來給出換相時刻，同時給出位置信息。

圖2 用TMS320LF2407A實現三相無刷直流電動機調速的控制和驅動