| 1 引言
无刷直流电机具有交流电机的简单、运行可靠、维护方便等优点，又具有直流电机运行效率高、不受机械换向限制、调速性能好、易于做到大容量、高转速等特点。近年来倍受青睐，广泛在航天、军工、数控、冶金、医疗器械等领域有着广阔的应用前景，成为研究热点。传统无刷直流电机调速系统的控制结构多采用速度环与电流环双闭环控制。由于电机电流变化较快，因而对电流控制的实时性要求较高，在控制上速度环采用数字调节器结构，电流内环多采用模拟调节器。电力电子器件及微处理器的发展为高性能伺服系统提供了实现手段。随着TI公司面向电机控制的新一代DSP-TMS320LF2407的推出，由于其DSP内核40MIPS的高速处理能力和面向电机控制的专用外围设备，利用微处理器进行PWM信号实时调制，实现包括电流环的全数字调速系统成为可能。
本文介绍以TI公司电机专用芯片TMS320LF2407为核心的全数字永磁无刷直流电机控制方案及硬件最小实现，并给出实验结果。 2 永磁无刷直流电机控制系统简介
永磁无刷电机应用广泛，遍及几个技术领域、控制方法和运行方式很多。本文介绍以三相Y联接永磁方波无刷机PWM控制方案，通电方式采用两两通方式。
控制系统原理框图如图1所示。
740)this.width=740" src="/Article/UploadFiles/200407/20040727104340240.gif"> 图1 控制系统原理框图
3 系统硬件配置
以数字信号处理器为控制核心的全数字控制器硬件结构如图2所示。从图2可以看出系统主要有以下几部分:控制器核心TMS320LF2407;外围接口电路;功率回路。
740)this.width=740" src="/Article/UploadFiles/200407/20040727104343458.gif"> 图2 交流永磁同步电机控制器的硬件结构图
TMS320LF2407与TMS320F240相比，具有了一些新的特点:采用了高性能静态CMOS技术，供电电压降低为3.3V，减小了功耗，同时指令执行周期缩短到33ns，从而提高了控制器的实时处理能力;片内包含32k的FLASH程序存储器、544字双存取 RAM和2k字的单存取RAM(可以灵活地配置为数据存储器和程序存储器);片内外设采用统一的外设总线和数据空间连接，其中包含2个事件管理器模块，每个均由2个16位通用定时器、8个16位的脉宽调制(PWM)通道、3个捕获单元以及一套编码器接口电路组成;10位A/D转换器采用序列器灵活编程，在一个转换周期内可以对一个通道进行多次转换，可选择分别由2个事件管理器来触发2个8通道输入A/D转换序列或1个16通道输入的A/D转换序列，A/D转换的最小时间为500ns。从上述的结构特点可以知道，TMS320LF2406作为整个控制器的核心，集成了主要的电机外设控制部件，具有高速的运算能力、较高的采样精度，外设配置性能和功能比较强，非常适合构成单片电机伺服控制器，完成实时性要求高的伺服控制任务。在本系统中利用它来实现矢量变换、电流环、速度环、位置环控制以及PWM信号发生、各种故障保护处理等功能。
3.1 电机及位置传感器
系统的电机采用南京力源强磁有限公司的苏强系列永磁无刷伺服电动机，(220V，850W，2000RPM)，磁场分布为方波。位置传感器为光电码盘。它输出12路信号。其中U、U-、V、V-、W、W-为磁极位置信号，A、A-、B、B-、Z、Z-为转子脉冲信号。
3.2 功率变换器与驱动电路
功率变换器由二极管整流桥、滤波电路、逆变器电路及相应的吸收保护电路组成。开关元件采用IPM智能功率模块，驱动电路采用IR2130芯片构成。
3.3 相电流检测及反馈
电流检测采用磁平衡式霍尔元件LEM模块进行，将采样的小电流信号转换为电压信号，并通过电平转换、放大，将具有正负极性的电流反馈信号变换为0~5V的电压信号，输入到DSP的两个A/D转换单元，其中0V与3.3V对应可检测的最大正负电流。电流反馈利用TMS320LF2407软件实现与转子位置同步的分时反馈(如图3示)及与PWM周期同步的A/D采样，从而测得电枢电流的平均值作为反馈电流参与电流调节器的运算。
740)this.width=740" src="/Article/UploadFiles/200407/20040727104343677.gif"> 图3 位置信号与A/D通道分时反馈图
3.4 位置检测
无刷直流电机的三相转子位置信号经差动放大隔离后输入到LF2407的三个捕获单元作为位置反馈信号，当任意一相转子信号发生变化时，产生中断，在中断处理程序中改变ACTR的值产生对应的PWM输出信号，给对应的绕组通电，起到电子换相器的作用。
3.5 转速检测及反馈
光电码盘输出的光电脉冲经差动放大隔离后输入到由GAL构成的4倍频鉴相电路，后输入到LF2407的计数单元，正转时定时器增计数，反之则所选的定时器减计数。4倍频鉴相电路提高了速度的检测精度。
4 控制策略
本系统采用全数字三闭环控制，电流环采用PI调节器，速度环采用遇限削弱积分的积分分离PI控制算法，如图4所示，速度环的输出极性决定正反转方向，以实现电机的四象限运行。位置环采用P调节器，逆变器采用半桥型PWM调制。 5 实验结果及结论
实验系统的PWM频率为8kHz，软件死区时间为3μs,电流环的采样周期为125μs,位置、速度环为1.0ms,速度环的输出限幅值为额定电流的1.5倍，电流环的输出限幅为额定电压的1.2倍。电机采用850W,2000rpm电机。
在上述条件下，对系统进行了初步实验。 740)this.width=740" src="/Article/UploadFiles/200407/20040727104343820.gif"> 图4 遇限削弱积分的积分分离PI控制算法框图
实验结果:当给定速度为2000rpm，速度响应曲线如图5示。当给定速度为1rpm，速度响应曲线如图6示。(速度量化误差0.75rpm)
740)this.width=740" src="/Article/UploadFiles/200407/20040727104343385.gif"> 图5 0到2000rpm 的空载启动速度曲线
740)this.width=740" src="/Article/UploadFiles/200407/20040727104343422.gif"> 实验结果表明所采用的控制方案正确可行，控制系统有较好的动态性能、稳态精度和较宽的调速范围(1:10000)。
采用DSP实现无刷直流机控制系统，结构简单易于实现复杂的控制规律以提高系统性能。采用方波和PWM方式利于减少力矩波动改善低速性能。 参考文献
[1] 许镇琳等. 无刷直流伺服电机换相最优控制[J]. 自动化学报,1996,(4):428~434。
[2] 孙明迪等. 单片机控制无刷直流电动机速度伺服系统[J]. 北京航空航天大学学报, 1997,(4):492~496. 作者简介
刘军锋(1979-) 男 华中科技大学控制科学与工程系博士研究生，研究方向电力电子与运动控制。 |
