基于DSP控制的無刷直流電機(jī)的電動(dòng)執(zhí)行器的設(shè)計(jì)

1 引 言

具有梯形反電動(dòng)勢(shì)的永磁同步電動(dòng)機(jī)通常被稱為無刷直流電動(dòng)機(jī)，它具有體積小、重量輕、效率高、慣量小和響應(yīng)快等特點(diǎn)。無刷直流電動(dòng)機(jī)采用電子換向器替代了傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)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(dòng)機(jī)既具備交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，故其在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的電動(dòng)執(zhí)行器多由模擬器件控制，精度差；保護(hù)措施使用繼電器和機(jī)械裝置，可靠性差；很多電動(dòng)執(zhí)行器只能接收模擬信號(hào)（4～20mA、 1～5 V），不能與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信；系統(tǒng)集成度低、維護(hù)困難。這就使得現(xiàn)有的電動(dòng)執(zhí)行器不便于調(diào)試和維護(hù)，也不能根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際需要進(jìn)行參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整，不便于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的分布式控制。

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

TMS320F240是美國(guó)TI公司推出的高性能16位數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），是專門為電機(jī)的數(shù)字化控制而設(shè)計(jì)的。這種DSP包括一個(gè)定點(diǎn)DSP 內(nèi)核及一系列微控制器外圍電路，將數(shù)字信號(hào)處理的運(yùn)算能力與面向電機(jī)的高效控制能力集于一體，可以實(shí)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(cè)、自診斷和與上位機(jī)通信等功能。因此它強(qiáng)化了電動(dòng)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(jī)控制的數(shù)字信號(hào)處理器，它不僅具有一般DSP高速處理數(shù)字信號(hào)的能力，還將各種電機(jī)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(shí)鐘頻率下，指令周期僅為50 ns，且多數(shù)指令都能在一個(gè)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(jī)控制用的模塊，主要由下面幾部分構(gòu)成：

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

②比較單元和PWM控制TMS320F240提供了多達(dá)9路比較／PWM輸出端。其中的6路PWM輸出由一個(gè)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(gè)功率開關(guān)元件的PWM觸發(fā)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)三相交流感應(yīng)電機(jī)或無刷直流電機(jī)的控制。

③捕獲單元（CAP）TMS320F240的捕獲單元可用于及時(shí)地捕捉無刷直流的電動(dòng)機(jī)磁極位置信號(hào)的上升／下降沿，并通過查詢相關(guān)計(jì)數(shù)器的值來確定電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

④正交編碼器（QEP）TMS320F240的正交編碼器可以對(duì)與電機(jī)同軸的光電編碼器、磁編碼器所產(chǎn)生的正交編碼信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，繼而判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置、轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)間僅為6．6μs。在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成電流閉環(huán)時(shí)，反饋電流信號(hào)可以經(jīng)AD輸入CPU處理。除此之外，TMS320F240還提供28個(gè)I／O口用于控制系統(tǒng)所需的各種開關(guān)量。

3 DSP在電動(dòng)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(jī)作為電動(dòng)執(zhí)行器的執(zhí)行部件，文中研究的智能電動(dòng)執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)如圖3—1所示。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括控制電路、主電路、電機(jī)等，不包括機(jī)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(gè)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(duì)稱PWM波形、對(duì)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(dòng)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(cè)電路，并可將檢測(cè)信號(hào)送CPU。即使發(fā)生負(fù)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(dòng)電路的集成結(jié)構(gòu)。

3．2 系統(tǒng)控制

（1）軟啟動(dòng)

軟啟動(dòng)就是在BLDCM啟動(dòng)過程中采取PWM方式控制逆變器的6個(gè)功率開關(guān)管，從而起到降低平均電壓，限制啟動(dòng)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(gè)功率器件，即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。根據(jù)磁極位置傳感器的信號(hào)組合，有6種狀態(tài)，一一對(duì)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(shí)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(biāo)?？紤]到無刷直流電動(dòng)機(jī)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(shí)間維持不變，改變每相導(dǎo)通時(shí)加在線圈上的電壓幅度大小來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種通過調(diào)幅來實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間的長(zhǎng)短，實(shí)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(shí)現(xiàn)調(diào)速。該系統(tǒng)采用DSP控制IPM驅(qū)動(dòng)直流無刷電動(dòng)機(jī)，實(shí)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(dòng)

當(dāng)電機(jī)換相時(shí)，電機(jī)中性點(diǎn)電壓的變化使相電流會(huì)有很大的降落，從而形成很大的電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)容易使電機(jī)運(yùn)動(dòng)抖動(dòng)，縮短電機(jī)的使用壽命，降低系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。采用換相補(bǔ)償后，電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(shí)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(jìn)入較小范圍內(nèi)的時(shí)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(yàn)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(hào)（PWM周期1 ms）的占空比的方式實(shí)現(xiàn)BLDCM開環(huán)調(diào)速，得到的數(shù)據(jù)見表4—1。



可見，對(duì)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(gè)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(gè)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(yùn)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(hào)處理芯片、智能功率模塊IPM、無刷直流電動(dòng)機(jī)的智能電動(dòng)執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn)：控制電路簡(jiǎn)單、軟件代替硬件、開發(fā)速度快、系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。