基于DSP的網(wǎng)絡(luò )化無(wú)刷直流電動(dòng)機控制系統

摘要：設計了一種基于DSP的無(wú)刷直流電動(dòng)機控制系統，對其中的轉子位置檢測電路、驅動(dòng)電路、保護電路以及驅動(dòng)器網(wǎng)絡(luò )控制等內容進(jìn)行了詳細的討論，并給出了相應的硬件電路。該設計方案電路簡(jiǎn)單、可靠性強，具有較高的應用價(jià)值。

眾所周期，直流電機具有最優(yōu)越的調速性能，主要表現在調速方便（可無(wú)級調速）、調速范圍寬、低速性能好（啟動(dòng)轉矩大、啟動(dòng)電流�。�、運行平衡、噪音低、效率高等方面。目前無(wú)刷直流電機已廣泛應用于數控機床的進(jìn)給驅動(dòng)、機器人的伺服驅動(dòng)以及新一代家用電器的變速驅動(dòng)中。

為進(jìn)一步提高控制系統的綜合性能，就無(wú)刷直流電機控制系統的控制器而方，近幾年國外一些大公司紛紛推出較MCU性能更加優(yōu)越的DSP（數字信號處理器）單片電機控制器，如ADI公司的ADMC3xx系列，TI公司的TMS320C24系列及Motorola公司的DSP56F8xx系列。它們都是將一個(gè)以DSP為基礎的內核，配以電機控制所需的外圍功能電路，集成在單一芯片內，使價(jià)格大大降低且體積縮小、結構緊湊、使用便捷、可靠性提高。其最大速度可達20～40MIPS，指令執行時(shí)間或完成一次動(dòng)作的時(shí)間僅為幾十納秒，和普通的MCU相比，運算及處理能力增強10～50倍，確保了系統有更優(yōu)越的控制性能。

1 系統原理概述

在本文設計的無(wú)刷直流電動(dòng)機控制系統中，采用TI公司的TMS320LF240x芯片作為控制器。TMS320LF240x芯片作為DSP控制器24x系列的新成員，是TMS320C2000平臺下的一種定點(diǎn)DSP芯片。從結構設計上講，240x系列DSP提供了低成本、低消耗、高性能的處理能力，對電機的數字化控制作用非常突出。

在圖1所示的基于TMS320LF240x的無(wú)刷直流電動(dòng)機控制系統中，采用TMS320LF240 DSP作為控制器，處理采集到的數據和發(fā)送控制命令。TMS320LF240控制器首先通過(guò)三個(gè)I/O端口捕捉直流電機上的霍爾元件H1、H2、H3的高速脈沖信號，檢測轉子的轉動(dòng)位置，并根據轉子的位置發(fā)出相應的控制字來(lái)改變PWM信號的當前值，從而改變地直流電機驅動(dòng)電路（全橋控制電路MOSFET）中功率管的導通順序，實(shí)現對電機轉速和轉動(dòng)方向的控制。電機的碼盤(pán)信號A、B通過(guò)DSP控制器的CAP1、CAP2端口進(jìn)行捕捉。捕捉到的數據存放到寄存器中，通過(guò)比較捕捉到的A、B兩相脈沖值可以確定當前電機的正反轉狀態(tài)以及轉速。在系統的運行過(guò)程中，驅動(dòng)保護電路會(huì )檢測當前系統的運行狀態(tài)。如果系統中出現過(guò)流或者欠壓情況，PWM信號驅動(dòng)器IR2130會(huì )啟動(dòng)內部保護電路，鎖住后繼PWM信號的輸出，同時(shí)通過(guò)FAULT引腳拉低DSP控制器的PDPINT引腳電壓，啟動(dòng)DSP控制器的電源驅動(dòng)保護。這時(shí)所有的EV模塊輸出引腳將被硬件置為高阻態(tài)，實(shí)現對控制系統的保護。該系統中設計的保護電路主要用于保護DSP控制器和電機的驅動(dòng)電路。

圖2 全橋式電機驅動(dòng)電路控制原理圖

下面主要介紹系統的轉子位置檢測電路、驅動(dòng)電路、系統保護電路等。

2 轉子位置檢測電路

2.1 檢測電路應用原理

控制無(wú)刷直流電動(dòng)機時(shí)，DSP控制器主要是根據轉子當前的轉動(dòng)位置，發(fā)出相應的控制字，通過(guò)改變PWM脈沖信號的占空比來(lái)實(shí)現對電機的控制。無(wú)刷直流電動(dòng)機的轉子位置是由位置傳感器檢測出來(lái)的。在本設計方案中，采用了三個(gè)光電式位置傳感器（霍爾元件）。這種傳感器是利用光電效應制成的，由跟隨電動(dòng)機轉子一起旋轉的遮光板和固定不動(dòng)的光源及光電管等部件組成。遮光板開(kāi)有180°左右電角度的縫隙，且縫隙的數目等于無(wú)刷直流電動(dòng)機轉子磁極的極對數。當縫隙對著(zhù)光電晶體管時(shí)，光源射到光電晶體管上，產(chǎn)生“亮電流”輸出。其它光電晶體管因遮光板擋住光線(xiàn)，只有“暗電流”輸出。在“亮電流”作用下，三相繞組中一相繞組有電流導通，其余兩相繞組不工作。遮光板隨轉子的轉動(dòng)而輪流輸出“亮電流”或“暗電流”的信號，以此來(lái)檢測轉子磁極位置，控制電動(dòng)機定子三相繞組輪流導通，使該三相繞組按一定順序通電，保證了無(wú)刷直流電動(dòng)機正常運行。

隨著(zhù)電機轉子的旋轉，光電管間歇接收從光源發(fā)出的光，不斷導通和截止，從而產(chǎn)生一系列“0”、“1”信號。這些脈沖信號通過(guò)I/O口傳輸給DSP，DSP讀取霍爾元件的狀態(tài)值，確定轉子當前的位置，通過(guò)改變PWM信號輸出的高有效或低效來(lái)控制驅動(dòng)電路，改變MOSFET管的導通順序，很好地實(shí)現電機換相的控制；同時(shí)改變PWM信號占空比，來(lái)調節電機的轉速。電動(dòng)機驅動(dòng)電路控制橋功率管的導通順序為Q1Q2、Q2Q3、Q3Q4、Q4Q5、Q5Q6、Q6Q1，為兩兩通電方式。電機轉子每轉一圈，霍爾元件H1、H2、H3會(huì )出現六種狀態(tài)，DSP對每一種狀態(tài)發(fā)出相應的控制字，改變電機的通電相序，實(shí)現電機的連續運行。

電機驅動(dòng)電路控制原理圖和電機正轉換相表如圖2和表1所示。

表1 電機正轉換相表

　PWM6PWM5PWM4PWM3PWM2PWM1H1H2H3ACTRQ12Q0011111111101010X03FEQ2Q30011111011111000X03EFQ3Q41111111000111100X0FE3Q4Q10111100110100X0FE3

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