基于DSP的無刷直流電機控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計

引言
近幾年來，隨著電力電子器件和現(xiàn)代控制理論的迅速發(fā)展，無刷直流電動機由于沒有接觸式換向裝置，不存在換向引起的火花，其具有效率高，轉(zhuǎn)速不受機械換向所限制，可維護性強，安全性高等諸多優(yōu)點，而被人們廣泛應(yīng)用于光驅(qū)、智能機器人、電動交通工具等領(lǐng)域。DSP(數(shù)字信號處理器)則以其高速的數(shù)據(jù)處理能力、豐富的內(nèi)部資源、集成度高和功耗低等特點，已廣泛應(yīng)用在控制領(lǐng)域中。本文提出了一種基于DSP的無刷直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。該設(shè)計結(jié)合模糊控制方法來實現(xiàn)無刷直流電動機的智能化控制。

1 無刷直流電機的數(shù)學(xué)模型
根據(jù)物理學(xué)公式，單根導(dǎo)體在磁場中切割磁力線運動時，所產(chǎn)生的電動勢e為：

式中，B為磁場感應(yīng)強度，l為磁場中導(dǎo)體的有效長度，v為導(dǎo)體垂直于磁力線運動的線速度。在電機中，v與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為：

這樣，無刷直流電機在運行過程中所感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小為：

式中，E為無刷直流電動機產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢；p為電機的極對數(shù)；α為極弧系數(shù)；W為點數(shù)繞組每一相的繞線匝數(shù)；ψ為每一極的磁通量；n為電機的轉(zhuǎn)速。
假設(shè)無刷直流電動機的繞組采用三相星型結(jié)構(gòu)，定子三相完全對稱，空間上互差120°的電角度，三相繞組電阻的電感量參數(shù)相同。同時忽略電樞繞組之間產(chǎn)生的互感，電機的氣隙磁導(dǎo)均勻，磁路不飽和，并忽略渦流損耗。則無刷直流電動機的數(shù)學(xué)模型如下：

式中，Va、Vb、Vc分別為三相端壓；R為三相繞組電阻；L為三相繞組電感；Ea、Eb、Ec分別為電動機的三相感應(yīng)電勢；ia、ib、ic分別為三相繞組流過的電流。這樣，其電磁轉(zhuǎn)矩的表達式可以表示為：

而根據(jù)運動學(xué)定律。電磁轉(zhuǎn)矩的表達式也可以表示為：

式中，T1為電動機的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，J為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，Z為電機轉(zhuǎn)動的阻尼系數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計
本系統(tǒng)大致可分為功率驅(qū)動部分、DSP控制核心部分、A／D信號檢測部分等，圖1所示是一個基于DSP的直流無刷電機控制系統(tǒng)的總體硬件系統(tǒng)框圖。

2．2 功率驅(qū)動部分設(shè)計
圖2所示是本文所介紹的三相無刷直流電機的功率變換橋路電路圖。圖中共使用了6個N溝道的MOSFET功率元件IRF540，可構(gòu)成三相橋路以作為無刷直流電機的電子換相器，其完成的功能與傳統(tǒng)的有刷直流電機的換相器的功能一致。電阻R107作為過電流保護功能的采樣電阻。其實是一個小型的錳銅分流器，取值0．01Ω，可保證平時在正常工作電流以及額定啟動電流通過電阻時，不會產(chǎn)生大的電壓，而當(dāng)電機堵轉(zhuǎn)、某處短路或者上下MOSFET同時導(dǎo)通短路時，該電阻則可產(chǎn)生大電流，當(dāng)在此電阻上的壓降達到一定程度時，電路可迅速激活過電流保護電路以停止所有MOSFET的工作，同時斷開主電路電源，防止事態(tài)進一步惡化。