基于DSP的無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)
關(guān)鍵詞:無刷直流電機,DSP,TMS320F2812,MC33035
引言
無刷直流電動機從上世紀70年代末開始引起了從事電機及驅(qū)動系統(tǒng)學(xué)者的重視。電機的驅(qū)動控制結(jié)構(gòu)有很多形式,近年來國外學(xué)者多集中于對直流電機的轉(zhuǎn)矩波動及其控制問題上進行研究。以單片機為核心組成的數(shù)字控制電路調(diào)速控制能力強,但只能實現(xiàn)系統(tǒng)的外環(huán)數(shù)字控制,而DSP則可以實現(xiàn)全數(shù)字化的控制。
TMS320C28x系列是TI公司最新推出的32位定點DSP芯片,它既具有數(shù)字信號處理能力,又具有強大的時間管理能力和嵌入式控制功能,特別適用于大批量數(shù)據(jù)處理的測控場合[1]。
在無刷直流機速度控制系統(tǒng)中,為使調(diào)試者實時了解系統(tǒng)的運行信息,需實時采集電機轉(zhuǎn)速、電樞電流等信息,并進行數(shù)據(jù)分析和加工處理[2]。控制過程復(fù)雜,控制算法計算量較大,因此本系統(tǒng)選擇了數(shù)據(jù)處理能力較強的DSP芯片TMS320F2812作為控制核心,再結(jié)合MC33035專用控制集成芯片,設(shè)計并制作了一個無刷直流電機調(diào)速器。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)針對的是高速無刷直流電機,原則上本系統(tǒng)對電機轉(zhuǎn)速的上限沒有限定,實驗時使用的電機最高轉(zhuǎn)速為5萬轉(zhuǎn),電機功率為5kw。
系統(tǒng)設(shè)計時為方便用戶操作設(shè)計了通信和JOG(手動)兩種模式。通信模式使用戶在電腦前就可以方便地對電機進行操作,設(shè)置電機的最高轉(zhuǎn)速、加速度以及顯示電機當前的實際轉(zhuǎn)速等;而在沒有電腦時,用戶也可以通過JOG模式對電機進行鍵盤操作,用以設(shè)定電機的轉(zhuǎn)速。
資助基金:國家自然科學(xué)基金(70271001)
本系統(tǒng)設(shè)計控制的無刷直流電機采用霍爾元件作為位置反饋機制,從反饋的脈沖信號中獲得位置信息和轉(zhuǎn)速情況。控制核心DSP根據(jù)采集到的實際轉(zhuǎn)速,修正控制轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)系統(tǒng)對電機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。此外,系統(tǒng)從電機的驅(qū)動器件IGBT處獲得電流信息。通過綜合這三個信息,使得整個電機調(diào)速系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠地工作。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
各部分之間信號線的連接通過光耦隔離,光耦兩端連接如圖3所示。這里采用的光耦是TLP521,它的隔離電壓是2500V。在本系統(tǒng)中,驅(qū)動部分的最高電壓是300V,2500V可以保證系統(tǒng)工作的絕對安全。圖3中光耦是按正邏輯連接的,即輸入1,輸出也是1。除TLP521外,在通信線的連接處使用了幾顆高速光耦6N127。
2.1控制部分
控制部分的核心器件是TMS320F2812,制作時使用了一塊ICETEK-2812-B板(帶有2812的DSP開發(fā)板),除帶DSP外,還有一顆電源管理芯片,將外接5V轉(zhuǎn)為3.3V為系統(tǒng)供電。
2812從電機處采集轉(zhuǎn)速、電流反饋信號和位置反饋信號,DSP綜合這三個信號輸出對外的控制信號。從驅(qū)動部分反饋的過流信號是一個0、1信號,DSP在工作時始終監(jiān)視這一信號,一旦監(jiān)視到1,即表示電機過載,則立即給出一個讓電機停止轉(zhuǎn)動的信號,以免損壞電機和調(diào)速器。
DSP輸出的轉(zhuǎn)速控制信號是一個數(shù)字量,用D/A將此數(shù)字量轉(zhuǎn)換成電壓量給MC33035用以調(diào)速。系統(tǒng)中選用了12位的串行D/A(TLV5616),后加一級放大(LM358),使輸出電壓可根據(jù)不同電機的要求進行放大。
TMS320F2812與PC間的通信是通過485總線完成的。在工業(yè)控制中,485總線應(yīng)用非常普遍,傳輸距離遠而且性能穩(wěn)定,所以本系統(tǒng)選擇485總線進行傳輸。
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