基于DSP的无刷直流电动机控制装置设计

赵文龙， 欧阳明长， 程若发， 郑礼超

(南昌航空大学 信息工程学院，南昌 330063)

0 引 言

无刷直流电动机又称永磁无刷电动机，它是随着现代电子技术高速发展而出现的一种新型机电一体化电动机，是电力电子技术、电动机技术和控制理论相结合的产物，现已广泛应用在航天、计算机外围设备、工业和民用等场合。由于其经过电子换向能得到类似于直流电动机的运动特性，有较好的可控性、宽调速范围和更高的效率而逐步地取代现有的有刷直流电动机[1]。

虽然无刷直流电动机控制技术已经趋于成熟，应用范围极其广泛，但是高校电力拖动实验与计算机控制系统实验教学现状还远远没有发展到此种程度，因此将无刷直流电动机控制技术纳入高校实验教学课程就显得尤为必要[2]。很多学者致力于研究无刷直流电动机的控制方法[3-6]，大部分以快速、易实现且控制效果好的PID控制方法为主，都能达到很好的控制效果。其中，文献[3-4]中运用了转速调节器对电动机进行闭环控制，没有加入电流调节器。文献[5]中仅讨论了电流闭环控制。文献[6]中虽采用了双闭环控制，但没有基于硬件平台实现与上位机监控。上述研究多采用仿真试验方式，此种方式虽方便易行，但是实物对象控制往往显得更加复杂，控制效果与仿真存在较大差异，欲想得知仿真实验控制效果理想与否还需实验装置进行验证并通过上位机得知实验效果。基于此，本文设计了一套完整的可以用于试验教学的无刷直流电动机控制装置，为高校开展电力拖动实验和计算机控制系统实验教学提供了良好的基础。

1 系统整体设计方案

1.1 系统整体组成结构

无刷直流电动机控制装置整体结构如图1所示，系统大体可分为TMS320F28335主控模块、无刷直流电动机模块、全桥驱动模块、直流电源模块、通信模块、母线电流和母线电压检测模块等。

图1 系统整体结构图

装置采用TMS320F28335为核心控制器，设计了一个带有电气隔离、过压过流保护的小功率无刷直流电动机控制装置。为了更好地实时监测电动机运行状态和分析系统的动态性能，设计了上位机软件直观地监测电动机的母线电压、母线电流、转速给定和响应波形曲线。

1.2 调速控制策略

采用双闭环控制策略，外环为速度环，内环为电流环[7]。外环采用数字增量式PI调节，内环采用PID调节，如图2所示。调节器的输出为PWM信号，作为隔离PWM逆变器的输入，控制电动机转动[8]。

图2 调速控制原理图

2 无刷直流电动机机械特性

为了方便定量分析，能突出问题的主要方面，做出如下假设：①不考虑电动机绕组电感和互感;②不考虑电枢反应对气隙磁场的影响;③不考虑转子的感应电流效应;④功率开关可用其等效电路代替。

无刷电动机在一个完整的工作周期内总是可以划分为若干个对称的状态角，因此只须考察它的一个状态角内的一个等效电路就有足够的代表性。首先假设有：

(1)

式中:u为直流母线电压;D表示PWM占空比;ΔU为MOS管导通压降;rm为电动机绕组内阻;rg为MOS管导通电阻。

基于式(1)画出一个状态角内简化模型的等效电路图,如图3所示。

图3 简化模型等效电路图

由图3运用基尔霍夫电压定律可以列出电压平衡方程为:

U*=Ee+iRe

(2)

考虑到不同的无刷直流电动机有不同的反电动势波形，将等效电路的反电动势Ee以函数形式表示为:

Ee=EmF(θ),θ∈θZ

(3)

式中:Em为反电动势幅值(V)，

Em=KeΩ

(4)

Ke为等效绕组反电动势系数(V/(rad·s-1))，Ω为转子机械角速度(rad/s)。

转子输出机械功率为W1，设气隙电磁功率为W2，有:

TeΩ=W1

(5)

Eei=W2

(6)

由能量守恒，有W1=W2。式(5)中Te为电磁转矩瞬时值(N·m)。

上述各式代入式(2)推导可以得到瞬时电流表达式为:

(7)

瞬时电磁转矩为:

(8)

计算在状态角θZ内的电磁转矩平均值为:

(9)

式中:Kav为反电动势波形函数f(θ)在状态角θZ内的平均值系数；Kef为反电动势波形函数f(θ)在状态角θZ内的有效值系数。

当电动机堵转时，即Ω=0，堵转转矩平均值为:

(10)

式中:IS为堵转电流(A);KT为转矩系数(N·m/A)，

KT=KavKe

(11)

在理想空载点有Tav=0，理想空载转子机械角速度Ω=Ω0，其中:

Ω0=U*/KE

(12)

KE为反电动势系数(V/rad·s-1),

(13)

将KE、KT代入式(9)可以得到无刷直流电动机机械特性通用表达式：

(14)

代入Ω0可得：

Ω=Ω0-Tav/D*

(15)

式中：D*为黏性阻尼系数(N·m/(rad·s-1))，

(16)

上式表明，无刷直流电动机的机械特性和有刷直流电动机相似[9]，呈线性关系。如图4所示，在不同外施母线电压下的机械特性是一簇平行直线，机械特性的斜率等于D*。

图4 无刷直流电动机机械特性

由图4无刷直流电动机的机械特性可得，在不考虑电动机绕组电感和互感的大前提下，进行无刷直流电动机的简易控制可以类似于有刷直流电动机，在每个状态角内进行PWM调制，等效于改变加在两相绕组上的电压值可以达到控制目的。

3 硬件设计

3.1 主控模块

(1) TMS320F28335。主控芯片选用TI公司的TMS320F28335，属于C2000系列DSP，主频高达150 MHz。选用此款芯片是由于芯片运算速度快，外设丰富，有独立的PWM模块和CAP模块。

(2) 信号隔离与采集电路。采用信号隔离电路可以增强系统的抗干扰能力。采用HCPL631双路高速光耦芯片，PWM信号输入输出均采用上拉设计，增强信号驱动能力，如图5所示。另外电动机内部开关霍尔信号关系到电动机能否正常运转，因此霍尔信号的采集电路也需采用上拉方式。

图5 信号隔离电路图

3.2 全桥驱动模块

无刷直流电动机与有刷直流电动机最大不同之处在于换向，因此换向电路的稳定性至关重要，系统采用全桥隔离逆变电路[10]，如图6所示。电路中驱动器采用IR2136专用高压集成驱动芯片，内有6路PWM通道，可直接驱动MOSFET和IGBT，并且自带过流比较器，具有专用过电流信号检测输入端ITRIP，可从硬件上防止过流故障对系统造成危害[11]。电路中MOSFET选用F3205S，峰值电流可达到110 A，开关速度达到ns级。

图6 全桥逆变电路原理图

3.3 检测电路模块

系统需要实时采集母线电压和电流信号，图7所示为母线电压检测电路原理图。A1A运放构成同相放大电路使母线电压放大合适倍数，将信号调理至CPU采集允许的电压范围，采用HCNR200线性光耦隔离控制电路与驱动电路，其中R1=R2，A2A运放构成电压跟随器，增强系统抗干扰能力。母线电流检测方法类似，由于图6中电流采样电阻R13很小，故需要将BUS-的值放大合适倍数。

图7 母线电压检测电路

3.4 电动机模块

系统采用三相绕组星型联结电动机，其桥式导通方式见表1。

表1 三相绕组桥式120°导通方式

由表1可得，使电动机正常运转需要依次按照状态1～状态6的导通顺序，或者与之相反。

4 软件系统设计

系统软件主要完成的是采集输入信号和反馈信号对电动机进行迅速的控制，在过压过流情况下能够快速断开驱动电源，能将实时转速、母线电压电流信号传输给上位机的功能。系统程序在CCS编译环境中运用C#编写完成。系统主程序简易流程图如图8所示。

4.1 电动机换向程序设计

表1所示为无刷直流电动机的导通方式，按此方式对应到图6中开通MOSFET的顺序,如果为Q1Q4→Q1Q6→Q3Q6→Q3Q2→Q5Q2→Q5Q4→Q1Q4，则电动机顺/逆时针转动，逆向循环则为逆/顺时针转动[12]。

图8 主程序简易流程图

对应到程序中需要用到DSP的脉冲捕获模块，模块的输入为电动机霍尔信号。3个输入引脚都配置成上升沿下降沿捕获模式，每一个信号跳变都将进入捕获中断进行正常的换向。在某一状态中，PWM控制桥臂快速导通关断，开通期间电动机有电流流过绕组产生转矩，关断时需要续流，对应状态下桥臂导通，通过MOSFET寄生二极管进行续流[13]，如不考虑关断续流情况很可能会击穿桥臂。

4.2 通信模块设计

运用DSP内部SCI模块进行数据传输，由于需要传送的数据较多，直接传送容易引起数据错乱，故采用数据帧格式进行数据传输，即帧头+电压数据+电流数据+电动机转速+给定转速+帧尾，其中电动机转速与给定转速数值较大需2 Byte传输。由于数据传送不能耗费过长时间，故将此任务嵌入定时中断，每次发送1 Byte数据，波特率设置为115 200，设定传送帧数据周期为3 ms。

上位机采用C#编写，主要完成的是数据的解析、滤波与显示的功能，窗口采用自适应量程，数据显示更为直观。系统整体实物如图9所示。

图9 系统整体实物图

4.3 PWM模块程序设计

系统采用定频变宽的方式对ePWM1～ePWM6进行调制，工作方式设置为向上-下计数模式[14]，PWM占空比通过转速电流调节器的输出进行控制。PWM波形频率与电动机运行时的震动大小有关，其脉冲数越多电动机运行时的震动越小，又考虑CPU实际情况不能将其无限增大，因此将PWM频率设置为20 kHz[15]。

由于IR2136驱动芯片输入与输出是逻辑非的关系，故PWM模块比较计数器初始化为最大数，通过增量型的数字调节器来改变比较计数值的大小。

4.4 ADC子程序设计

系统用到了三路AD采集，分别是电压信号、电流信号、外部输入给定信号。TMS320F28335芯片内部嵌入有12位AD，能识别的电压信号范围是0～3 V。

将ADC模块的触发源设置为ePWMxSOCA，即每一周期PWM波的输出都将触发一次ADC模块[14]，因此采样的周期与PWM周期相同。ADC模块时钟则由系统时钟分频得到，决定ADC转换的速率，将其配置为最高频率25 MHz。

4.5 制动程序设计

系统减速采用刹车与数字调节器共同控制的方式，由于无刷直流电动机是大惯性之后环节，故再减速时，单单靠调节器调节方式往往达不到理想的减速效果，因此需要采用制动的方式。直流电动机的制动方式有：能耗制动、反接制动和回馈制动[16]。

由于系统选用电动机为小功率电动机，额定电流小，开关管的电流裕量大，故采用能耗制动较为方便，能耗制动基本原理为：让电动机处在发电状态时，短接绕组产生制动力矩，具体步骤为判断两次采样外部速度给定，采样时间间隔为15 ms，如果减速数值大于1 000 r/min则启用短接制动，否则采用转速电流调节器跟踪输入。

5 实验结果分析

系统采用30 W小功率，三相六状态星型连接两磁对极无刷直流电动机，额定电压12 V，额定空载转速2 000 r/min。根据系统实际情况整定出合适的内外环PID参数，采用12 V开关电源供电得出系统阶跃响应波形如图10和图11所示。

图10表示转速响应曲线，其中紫色实线为给定转速曲线，粉色实线为系统响应转速曲线，纵轴表示转速幅值，横轴表示采样周期值，即每一点表示一帧数据。其中:T1时段表示的是电动机启动瞬间比例控制起主导作用的时间，读取数据为4格，包括电动机的死区时间2.5格，1格表示5个采样点，采样周期为3 ms，计算得到T1为100 ms。T2时段表示的是电动机恒流升速并将转速偏差调节到零的阶段，读取数据为12格，即T2为180 ms。得到系统正阶跃信号响应需要的时间是280 ms。T3时段表示系统稳定运行过程中突加扰动响应情况，读取T3为9格135 ms，由此可见,系统动态调节较为迅速，最终能恢复到稳定状态。T4表示电动机制动时间，读取数据为6格，制动时间为90 ms。得到负阶跃信号响应时间为90 ms。

图10 阶跃响应转速图

图11 阶跃响应电压电流图

图11表示的是阶跃响应电压电流波形图，红色实线表示母线电压值，浅蓝色实线表示母线电流值。母线电压波形大约稳定在12 V，电流波形对应图10中响应时间段。

由图11可知，T1表示比例调节起主导作用的时间段，此时的母线电流峰值达到5.2 A，大于系统额定电流约2倍，快速提速，持续时间短。T2表示恒流升速并将误差消除的时间，此时电流大小基本稳定在额定电流2.5 A左右，恒定转矩提升到给定转速。T3表示扰动调节时间段，此时的电流值突变迅速，也即系统转矩迅速响应。T4表示制动时间段，由于制动是利用电动机相电流产生制动转矩，故流经母线电流数值几乎为零。

由于系统减速采用了制动和调节器联合调节的方法，对于小范围的减速如果仍采取制动则系统很难维持稳定，故小范围的减速需采用调节器的方式进行调节。图12所示为两种减速情况波形图，t1时刻给定减速值较小，此时系统自由减速，利用调节器控制。t2时刻给定减速值为1 050 r/min，大于程序设定阈值1 000 r/min，启动制动程序，此时从开始调节到消除误差所花时间为14格，210 ms。制动响应虽迅速，但是会产生较大超调，因此需要减速数值较大时才会启用。

图12 减速调节响应图

6 结 语

装置采用TMS320F28335芯片为CPU处理速度快，外设资源丰富，编译器CCS直观易用。采用隔离化的硬件设计方式能很大程度保证系统的可靠性，过压过流保护程序的设计能防止出现错误,对装置造成严重损害。采用双闭环调速能快速响应且稳定性好,能耗制动的加入能让控制对象能迅速的跟随输入。上述实验结果表明系统能够完成跟随输入，快速性稳定性好，稳态误差几乎能够完全消除，扰动的突加能够迅速调节并稳定。上位机能够实时监测系统的运行情况。事实结果证明，本文设计的无刷直流电动机控制装置能完成控制的基本目的，理论结合了实际。为高校开展电力拖动实验和计算机控制实验提供了很好的案例。

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