基于DSP控制的無刷直流電機的電動執(zhí)行器的設(shè)計

1 引 言

具有梯形反電動勢的永磁同步電動機通常被稱為無刷直流電動機，它具有體積小、重量輕、效率高、慣量小和響應(yīng)快等特點。無刷直流電動機采用電子換向器替代了傳統(tǒng)直流電動機的機械換向裝置，從而克服了電刷和換向器所引起的噪聲、火花、電磁干擾、壽命短等一系列弊病。由于無刷直流電動機既具備交流電動機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點，又具有直流電動機的運行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點，故其在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。

當(dāng)前國內(nèi)生產(chǎn)的電動執(zhí)行器多由模擬器件控制，精度差；保護措施使用繼電器和機械裝置，可靠性差；很多電動執(zhí)行器只能接收模擬信號（4～20mA、 1～5 V），不能與計算機進行通信；系統(tǒng)集成度低、維護困難。這就使得現(xiàn)有的電動執(zhí)行器不便于調(diào)試和維護，也不能根據(jù)生產(chǎn)的實際需要進行參數(shù)的現(xiàn)場調(diào)整，不便于實現(xiàn)數(shù)字化的分布式控制。

嵌入了微控制器的智能電動執(zhí)行器是最新一代的產(chǎn)品。智能電動執(zhí)行器性能優(yōu)越，占據(jù)了相當(dāng)?shù)氖袌龇蓊~。這類電動執(zhí)行器具有可靠性高、使用方便、通信功能強、診斷保護功能完善、適應(yīng)性廣泛等優(yōu)點?？梢哉f，智能化已經(jīng)成為電動執(zhí)行器發(fā)展的趨勢。

TMS320F240是美國TI公司推出的高性能16位數(shù)字信號處理器（DSP），是專門為電機的數(shù)字化控制而設(shè)計的。這種DSP包括一個定點DSP 內(nèi)核及一系列微控制器外圍電路，將數(shù)字信號處理的運算能力與面向電機的高效控制能力集于一體，可以實現(xiàn)用軟件取代模擬器件，方便地修改控制策略，修正控制參數(shù)，兼具故障檢測、自診斷和與上位機通信等功能。因此它強化了電動執(zhí)行器的作用。

2 DSP的優(yōu)良特性

TMS320F240是一種廣泛適用于各種電機控制的數(shù)字信號處理器，它不僅具有一般DSP高速處理數(shù)字信號的能力，還將各種電機控制所需要的外圍電路集于一體，能夠大大提高系統(tǒng)的可靠性。

TMS320F240的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。




TMS320F240的執(zhí)行速度很快，內(nèi)部采用了哈佛結(jié)構(gòu)，流水線作業(yè)，在20MHz的時鐘頻率下，指令周期僅為50 ns，且多數(shù)指令都能在一個指令周期內(nèi)完成。

事件管理器（EV）是該系統(tǒng)DSP芯片特有的專門用于電機控制用的模塊，主要由下面幾部分構(gòu)成：

①通用定時器TMS320F240一共有3個16bit的通用計數(shù)器（T1、T2、T3），除了用于產(chǎn)生周期信號外，還作為正交脈沖編碼單元（QEP）、捕獲單元、PWM模塊的時基信號。

②比較單元和PWM控制TMS320F240提供了多達9路比較／PWM輸出端。其中的6路PWM輸出由一個空間矢量模塊控制，并具有死區(qū)邏輯，不需程序過多的干預(yù)就能夠方便地產(chǎn)生用于三相全橋逆變器6個功率開關(guān)元件的PWM觸發(fā)信號，從而實現(xiàn)對三相交流感應(yīng)電機或無刷直流電機的控制。

③捕獲單元（CAP）TMS320F240的捕獲單元可用于及時地捕捉無刷直流的電動機磁極位置信號的上升／下降沿，并通過查詢相關(guān)計數(shù)器的值來確定電機的轉(zhuǎn)速。

④正交編碼器（QEP）TMS320F240的正交編碼器可以對與電機同軸的光電編碼器、磁編碼器所產(chǎn)生的正交編碼信號進行計數(shù)，繼而判斷電機的轉(zhuǎn)速、位置、轉(zhuǎn)動方向。

此外，事件管理器還包括串行通信接口（SCI）、串行外設(shè)接口（SPI）。

TMS320F240內(nèi)部有16通道兩路轉(zhuǎn)換精度為10位的AD變換器，轉(zhuǎn)換時間僅為6．6μs。在電機調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成電流閉環(huán)時，反饋電流信號可以經(jīng)AD輸入CPU處理。除此之外，TMS320F240還提供28個I／O口用于控制系統(tǒng)所需的各種開關(guān)量。

3 DSP在電動執(zhí)行器控制系統(tǒng)中具體應(yīng)用

3．1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)采用直流無刷電機作為電動執(zhí)行器的執(zhí)行部件，文中研究的智能電動執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)如圖3—1所示。驅(qū)動系統(tǒng)主要包括控制電路、主電路、電機等，不包括機械裝置。TMS320F240包含有一般的DSP芯片所沒有的雙10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、基于PWM控制的管理器（6個比較單元、9路PWM輸出、2路光電編碼器接口的編碼單元）。其PWM波形生成單元包含可編程死區(qū)控制，可輸出非對稱PWM波形、對稱PWM波形和空間矢量PWM波形。

圖中的IPM為智能功率模塊（Intelligent PowerModule）。IPM不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一起，而且內(nèi)藏有過電壓、過電流和過熱等故障檢測電路，并可將檢測信號送CPU。即使發(fā)生負載事故或使用不當(dāng)，也可保證IPM自身不受損壞。目前的IPM一般采用IGBT作為功率開關(guān)器件，并內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動電路的集成結(jié)構(gòu)。

3．2 系統(tǒng)控制

（1）軟啟動

軟啟動就是在BLDCM啟動過程中采取PWM方式控制逆變器的6個功率開關(guān)管，從而起到降低平均電壓，限制啟動電流的目的。

（2）換相邏輯

系統(tǒng)采用的控制方式為二相導(dǎo)通三相六狀態(tài)，主電路如圖3—2所示。功率器件的排列順序采用圖中所示的上橋臂1，3，5，下橋臂，4，6，2的順序。按照一定的邏輯關(guān)系打開6個功率器件，即可實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)。根據(jù)磁極位置傳感器的信號組合，有6種狀態(tài)，一一對應(yīng)于橋臂的開關(guān)組合，如從T1， T2→T2，T3→T4，T5→T5，T6→T6，T1→T1，T2，如此循環(huán)，反過來即可實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。



寬范圍調(diào)速是衡量調(diào)速系統(tǒng)性能的重要指標。考慮到無刷直流電動機的特殊情況，有兩種改變電壓的方法。其一是每相導(dǎo)通的時間維持不變，改變每相導(dǎo)通時加在線圈上的電壓幅度大小來實現(xiàn)調(diào)速。這種通過調(diào)幅來實現(xiàn)調(diào)速的方法，其調(diào)速線性度好，但損耗大。為減少損耗，可采用直流電壓變換器供電，以實現(xiàn)調(diào)壓，但這又增加了線路成本。另一種方法是保持每相導(dǎo)通時加在電樞線圈上的電壓幅度大小不變，而改變每相導(dǎo)通時間的長短，實質(zhì)上就是改變了加在線圈上的平均電壓的大小，從而也能實現(xiàn)調(diào)速。該系統(tǒng)采用DSP控制IPM驅(qū)動直流無刷電動機，實現(xiàn)脈寬調(diào)制是非常容易的，因而該系統(tǒng)采用后一種方法。

（4）轉(zhuǎn)矩脈動

當(dāng)電機換相時，電機中性點電壓的變化使相電流會有很大的降落，從而形成很大的電機換相轉(zhuǎn)矩脈動。大的轉(zhuǎn)矩脈動容易使電機運動抖動，縮短電機的使用壽命，降低系統(tǒng)運行的可靠性。采用換相補償后，電機換相轉(zhuǎn)矩脈動有了很大程度的降低。

3．3 軟件算法

圖3—3給出了其中的位置控制流程。在偏差較大的時候，采用能快速糾偏的非線性控制作為開始的粗定位。為了保證精度，在位置偏差進入較小范圍內(nèi)的時候，控制器由非線性控制換成線性控制，從而保證了位置控制的快速性和精確性。

4 試驗結(jié)果

（1）系統(tǒng)使用的BLDCM特性，它的相電阻R＝1．6Ω，相電感L＝5．5 mH，在交流輸入電壓恒定為380V情況下，用調(diào)節(jié)PWM信號（PWM周期1 ms）的占空比的方式實現(xiàn)BLDCM開環(huán)調(diào)速，得到的數(shù)據(jù)見表4—1。



可見，對于轉(zhuǎn)速開環(huán)的PWM控制方式，占空比與轉(zhuǎn)速呈非線性關(guān)系。

（2）系統(tǒng)小行程實驗結(jié)果：

初始位置為0，位置給定值為240脈沖（5圈），采集了15組位置、轉(zhuǎn)速值，得到的相應(yīng)曲線如圖4—1所示。

從位置響應(yīng)曲線分析，整個定位過程只用了約0．6 s，定位過程平穩(wěn)且沒有超調(diào)，定位靜差為5個脈沖。由于系統(tǒng)靜差要求小于全行程的0．5％，而全行程約為200圈，即只要靜差在1圈（48個脈沖）內(nèi)都可滿足要求。從轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線分析，轉(zhuǎn)速在開始階段上升很快，中間有短暫的近似勻速運行的階段，定位后期轉(zhuǎn)速降落迅速。這樣的轉(zhuǎn)速曲線是很理想的。

5 結(jié)語

基于TMS320F240數(shù)字信號處理芯片、智能功率模塊IPM、無刷直流電動機的智能電動執(zhí)行器的驅(qū)動系統(tǒng)具有以下主要特點：控制電路簡單、軟件代替硬件、開發(fā)速度快、系統(tǒng)運行平穩(wěn)。