1 引言
無刷直流電機(jī)具有交流電機(jī)的簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電機(jī)運(yùn)行效率高、不受機(jī)械換向限制、調(diào)速性能好、易于做到大容量、高轉(zhuǎn)速等特點(diǎn)。近年來倍受青睞，廣泛在航天、軍工、數(shù)控、冶金、醫(yī)療器械等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，成為研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)多采用速度環(huán)與電流環(huán)雙閉環(huán)控制。由于電機(jī)電流變化較快，因而對電流控制的實(shí)時(shí)性要求較高，在控制上速度環(huán)采用數(shù)字調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，電流內(nèi)環(huán)多采用模擬調(diào)節(jié)器。電力電子器件及微處理器的發(fā)展為高性能伺服系統(tǒng)提供了實(shí)現(xiàn)手段。隨著ti公司面向電機(jī)控制的新一代dsp-tms320lf2407的推出，由于其dsp內(nèi)核40mips的高速處理能力和面向電機(jī)控制的專用外圍設(shè)備，利用微處理器進(jìn)行pwm信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)包括電流環(huán)的全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)成為可能。
本文介紹以ti公司電機(jī)專用芯片tms320lf2407為核心的全數(shù)字永磁無刷直流電機(jī)控制方案及硬件最小實(shí)現(xiàn)，并給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
2 永磁無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)簡介
永磁無刷電機(jī)應(yīng)用廣泛，遍及幾個(gè)技術(shù)領(lǐng)域、控制方法和運(yùn)行方式很多。本文介紹以三相y聯(lián)接永磁方波無刷機(jī)pwm控制方案，通電方式采用兩兩通方式。
控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
圖1 控制系統(tǒng)原理框圖
3 系統(tǒng)硬件配置
以數(shù)字信號(hào)處理器為控制核心的全數(shù)字控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖2可以看出系統(tǒng)主要有以下幾部分:控制器核心tms320lf2407;外圍接口電路;功率回路。
圖2 交流永磁同步電機(jī)控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖
tms320lf2407與tms320f240相比，具有了一些新的特點(diǎn):采用了高性能靜態(tài)cmos技術(shù)，供電電壓降低為3.3v，減小了功耗，同時(shí)指令執(zhí)行周期縮短到33ns，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)處理能力;片內(nèi)包含32k的flash程序存儲(chǔ)器、544字雙存取 ram和2k字的單存取ram(可以靈活地配置為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器);片內(nèi)外設(shè)采用統(tǒng)一的外設(shè)總線和數(shù)據(jù)空間連接，其中包含2個(gè)事件管理器模塊，每個(gè)均由2個(gè)16位通用定時(shí)器、8個(gè)16位的脈寬調(diào)制(pwm)通道、3個(gè)捕獲單元以及一套編碼器接口電路組成;10位a/d轉(zhuǎn)換器采用序列器靈活編程，在一個(gè)轉(zhuǎn)換周期內(nèi)可以對一個(gè)通道進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換，可選擇分別由2個(gè)事件管理器來觸發(fā)2個(gè)8通道輸入a/d轉(zhuǎn)換序列或1個(gè)16通道輸入的a/d轉(zhuǎn)換序列，a/d轉(zhuǎn)換的最小時(shí)間為500ns。從上述的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以知道，tms320lf2406作為整個(gè)控制器的核心，集成了主要的電機(jī)外設(shè)控制部件，具有高速的運(yùn)算能力、較高的采樣精度，外設(shè)配置性能和功能比較強(qiáng)，非常適合構(gòu)成單片電機(jī)伺服控制器，完成實(shí)時(shí)性要求高的伺服控制任務(wù)。在本系統(tǒng)中利用它來實(shí)現(xiàn)矢量變換、電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)控制以及pwm信號(hào)發(fā)生、各種故障保護(hù)處理等功能。
3.1 電機(jī)及位置傳感器
系統(tǒng)的電機(jī)采用南京力源強(qiáng)磁有限公司的蘇強(qiáng)系列永磁無刷伺服電動(dòng)機(jī)，(220v，850w，2000rpm)，磁場分布為方波。位置傳感器為光電碼盤。它輸出12路信號(hào)。其中u、u-、v、v-、w、w-為磁極位置信號(hào)，a、a-、b、b-、z、z-為轉(zhuǎn)子脈沖信號(hào)。
3.2 功率變換器與驅(qū)動(dòng)電路
功率變換器由二極管整流橋、濾波電路、逆變器電路及相應(yīng)的吸收保護(hù)電路組成。開關(guān)元件采用ipm智能功率模塊，驅(qū)動(dòng)電路采用ir2130芯片構(gòu)成。
3.3 相電流檢測及反饋
電流檢測采用磁平衡式霍爾元件lem模塊進(jìn)行，將采樣的小電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并通過電平轉(zhuǎn)換、放大，將具有正負(fù)極性的電流反饋信號(hào)變換為0~5v的電壓信號(hào)，輸入到dsp的兩個(gè)a/d轉(zhuǎn)換單元，其中0v與3.3v對應(yīng)可檢測的最大正負(fù)電流。電流反饋利用tms320lf2407軟件實(shí)現(xiàn)與轉(zhuǎn)子位置同步的分時(shí)反饋(如圖3示)及與pwm周期同步的a/d采樣，從而測得電樞電流的平均值作為反饋電流參與電流調(diào)節(jié)器的運(yùn)算。
圖3 位置信號(hào)與a/d通道分時(shí)反饋圖
3.4 位置檢測
無刷直流電機(jī)的三相轉(zhuǎn)子位置信號(hào)經(jīng)差動(dòng)放大隔離后輸入到lf2407的三個(gè)捕獲單元作為位置反饋信號(hào)，當(dāng)任意一相轉(zhuǎn)子信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)生中斷，在中斷處理程序中改變actr的值產(chǎn)生對應(yīng)的pwm輸出信號(hào)，給對應(yīng)的繞組通電，起到電子換相器的作用。
3.5 轉(zhuǎn)速檢測及反饋
光電碼盤輸出的光電脈沖經(jīng)差動(dòng)放大隔離后輸入到由gal構(gòu)成的4倍頻鑒相電路，后輸入到lf2407的計(jì)數(shù)單元，正轉(zhuǎn)時(shí)定時(shí)器增計(jì)數(shù)，反之則所選的定時(shí)器減計(jì)數(shù)。4倍頻鑒相電路提高了速度的檢測精度。
4 控制策略
本系統(tǒng)采用全數(shù)字三閉環(huán)控制，電流環(huán)采用pi調(diào)節(jié)器，速度環(huán)采用遇限削弱積分的積分分離pi控制算法，如圖4所示，速度環(huán)的輸出極性決定正反轉(zhuǎn)方向，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行。位置環(huán)采用p調(diào)節(jié)器，逆變器采用半橋型pwm調(diào)制。
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的pwm頻率為8khz，軟件死區(qū)時(shí)間為3μs,電流環(huán)的采樣周期為125μs,位置、速度環(huán)為1.0ms,速度環(huán)的輸出限幅值為額定電流的1.5倍，電流環(huán)的輸出限幅為額定電壓的1.2倍。電機(jī)采用850w,2000rpm電機(jī)。
在上述條件下，對系統(tǒng)進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)。
圖4 遇限削弱積分的積分分離pi控制算法框圖
實(shí)驗(yàn)結(jié)果:當(dāng)給定速度為2000rpm，速度響應(yīng)曲線如圖5示。當(dāng)給定速度為1rpm，速度響應(yīng)曲線如圖6示。(速度量化誤差0.75rpm)
圖5 0到2000rpm 的空載啟動(dòng)速度曲線
圖6 1 rpm的空載穩(wěn)態(tài)速度曲線
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所采用的控制方案正確可行，控制系統(tǒng)有較好的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)精度和較寬的調(diào)速范圍(1:10000)。
采用dsp實(shí)現(xiàn)無刷直流機(jī)控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律以提高系統(tǒng)性能。采用方波和pwm方式利于減少力矩波動(dòng)改善低速性能。
參考文獻(xiàn)
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[2] 孫明迪等. 單片機(jī)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)速度伺服系統(tǒng)[j]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 1997,(4):492~496.
作者簡介
劉軍鋒(1979-) 男 華中科技大學(xué)控制科學(xué)與工程系博士研究生，研究方向電力電子與運(yùn)動(dòng)控制。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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