基于DSP的三相無刷直流電機系統

　
從理論上來看，直流無刷電動機的速度和轉矩控制主要依據如下的轉矩和反電動勢工程計算方程
　　
其中，N為直流無刷電動機定子每相線圈數， 為轉子的長度，r為轉子的內徑，B為轉子的磁通密度， 為電動機的角速度，i為相電流，L為相感抗， 為轉子的位置，R為相阻抗。
　　
從方程可以看到，反電動勢與電動機的轉速成比例，而轉矩與相電流也幾乎勢成比例的。根據這些特點，在方案中采用了圖3所示的控制策略。給定轉速與速度反饋形成偏差，經速度調節后產生電流參考量，它與電流反饋量的偏差經電流調節后形成PWM占空比的控制量，實現電動機的速度控制。電流的反饋是通過檢測電阻上的壓降來實現的。速度反饋是通過霍爾傳感器輸出的位置量，經過計算得到的。位置傳感器輸出的位置量還用于控制換相。

圖3 三相無刷直流電動機的速度和電流控制

　
4 軟件控制
　　
系統采用PWM控制算法，電機輸入直流電流且每一時刻只有兩個功率管導通，從2407來的PWM控制信號直接連至驅動器，驅動器的輸出再連至功率MOSFET管的控制極。2407的CPU時鐘頻率是20MHz，PWM頻率是20kHz。
　　
4.1相電流檢測
　　
TMS320LF2407A接受到電阻上放大的壓降信號后，經由A/D轉換后得到電流信號。在轉換結束時，A/D模塊向CPU發送一個中斷請求信號，等待CPU處理。每隔50us，DSP控制器對相電流進行采樣，從而實現20kHz的電流調節環。根據電流誤差，PID控制器在每個PWM周期開始時對PWM脈沖的占空比進行調節。

4.2轉子位置和速度檢測
　　
掌握好恰當的換相時刻，可以減小轉矩的波動。位置檢測不但用于換相控制，而且還用于產生速度控制量。
　　
位置信號是通過3個霍爾傳感器得到的。他們的輸出信號相差1200。每個機械轉有6次換相，通過將DSP設置為雙沿觸發捕捉中斷功能，可以獲得正確的換相時刻。通過將DSP的捕捉口CAP1～CAP3設置為I/O口，并檢測該口的電平狀態，來的到具體的捕捉中斷。
　　
位置信號還可以用于產生速度控制量。只要測得兩次換相的時間間隔 ，就可以根據下式計算出兩次換相時間的平均角速度。
　　
兩次換相的時間間隔可以通過捕捉中斷發生時讀定時器2的T2CNT寄存器的值來獲得。
　　
4.3電流和速度調節
　　
相電流的調節可以通過調節載頻為20kHz的PWM信號的脈沖寬度來實現。
　　
Ierror=Iref － Imea
cyclenew=cycleold+IerrorK
　　
如果cyclenew>=Timer_period, 那么cyclenew=Timer_period
　　
如果cyclenew>Timer_period，那么cyclenew＝0
　　
其中Iref—用戶想要的參考電流；
　　
Imea——實際測得的相電流；

Ierror——要調節的相電流誤差；
　　
速度調節采用PI算法，以獲得最佳的動態效果。計算公式如下：
　　
式中Iref－速度調節輸出；
ek －第k次速度偏差；
Kp －速度比例系數；
Ki －速度積分系數；
T －速度調節周期；
　　
試驗證明能產生很好的三相PWM控制波形。圖5為產生的PWM波形。

圖5 利用DSP控制三相無刷直流電動機產生的PWM波形

　　
前面所敘述的系統初始化、位置信號檢測、PWM信號輸出等軟件模塊，可以實現一個基本的具有位置傳感器的三相直流無刷電動機速度控制系統。然而為了建立一個更完善的系統，還需要增加一些功能模塊，如調節電動機轉速的控制模塊、保存系統運行數據的數據記錄模塊等，TMS320LF2407與pc機之間采用的通訊是采用RS－485進行半雙工的接口電路。由于pc機提供的是RS233接口，需要RS－32和RS－85間進行接口轉換。
　　
5 結束語
　　
本文作者創新點:將工業控制中普遍使用的PI算法在DSP上實現PWM波形輸出，由于單片機自身性能的限制，已難以滿足高速度，高精確的電機控制要求，而用DSP則很好的實現用于直流無刷電機控制的PWM波形輸出。