基于DSP的無刷直流電機伺服系統(tǒng)設(shè)計

　　1.3 驅(qū)動電路

　　電機的驅(qū)動電路由驅(qū)動芯片IR2130和三相全逆變電路構(gòu)成。功率驅(qū)動電路采用+15 V供電，驅(qū)動芯片IR2130內(nèi)置了2.5 μs的死區(qū)時間，防止統(tǒng)一橋臂的上下兩個MOSFET同時導(dǎo)通。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)欠壓，過流時，IR2130啟動內(nèi)置的保護電路鎖住后面的PWM輸出，保護系統(tǒng)電路。IR2-130的輸入信號是由CPLD解算而得的6路PWM波，經(jīng)過光耦隔離后送入IR2130，輸出信號送MOSFET驅(qū)動無刷直流電機。在三相逆變電路中，六個功率器件起繞組開關(guān)作用，采用兩兩通電，三相六狀態(tài)方式，每一個瞬間有兩個功率管導(dǎo)通，每隔1/6周期(60°電角度)換相一次，每次換相一個功率管，每個功率管一次導(dǎo)通120°電角度。

　　2 伺服系統(tǒng)的控制策略

　　本系統(tǒng)是通過電流、速度、位置三閉環(huán)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)系統(tǒng)控制的，其中電流環(huán)和速度環(huán)是內(nèi)環(huán)，位置環(huán)是外環(huán)。

　　圖2是無刷直流電機控制系統(tǒng)框圖，在系統(tǒng)中設(shè)置了速度PI調(diào)節(jié)器和電流PI調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間是串級連接。給定的位置信號U與反饋的位置信號position經(jīng)過位置PID調(diào)節(jié)后得到速度的參考值SDref。根據(jù)兩次捕獲的時間可以計算出電機運行的速度speed，此速度作為速度參考值的反饋量，經(jīng)過速度PI調(diào)節(jié)后可以得到參考電流Iref，通過電流檢測電路可以得到電流的反饋量I，再經(jīng)過電流PI調(diào)節(jié)，最后得到的調(diào)節(jié)量用來控制PWM的占空比，即把速度調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)做電流調(diào)節(jié)器的輸入，再以電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制PWM裝置。

　　2.1 電流環(huán)控制

　　電流環(huán)是通過電流反饋控制使電機電樞電流線性受控，可達到電機輸出力矩的線性控制，并使其動態(tài)范圍響應(yīng)快，安全性提高。

　　在實際應(yīng)用中，為加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，減輕DSP負擔(dān)，采用模擬實現(xiàn)方法。將電阻串聯(lián)在電樞回路上，同時起到一個功率變換電路的過電流保護作用。通過電流反饋控制使電機電樞電流線性受控，可達到電機輸出力矩的線性控制，并使其動態(tài)范圍響應(yīng)快，安全性提高。

　　電流環(huán)設(shè)計中，電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器;限幅器可以和電流調(diào)節(jié)器做在一起，限幅值由PWM功放輸入范圍確定;PWM功放選用專用集成電路;濾波保護網(wǎng)絡(luò)采用LC網(wǎng)絡(luò)提高EMC水平，二極管網(wǎng)絡(luò)保護PWM功放選;電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器;采樣電阻選用O.1Ω，如果所選PWM功放具有電流測量端子，也可以直接讀出電機電流值。

　　圖3為電流環(huán)控制框圖，R-電機電樞電阻，Tm-電機時常數(shù)。Ks-功率放大器電壓放大系數(shù)。電流環(huán)設(shè)計的參數(shù)：PI調(diào)節(jié)器，一階無靜差;輸出最大電流≥0.63 A，反饋系數(shù)為15.873;帶寬≥30 Hz;τi選為電機等效時常數(shù)。

　　2.2 速度環(huán)控制

　　速度環(huán)是位置環(huán)的重要內(nèi)環(huán)路，速度閉環(huán)可改善控制對象的線性度，提高速度控制精度，改善電網(wǎng)電壓等對電機轉(zhuǎn)速的影響，提高抗干擾能力，改善系統(tǒng)性能。

　　轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的時間內(nèi)，霍爾傳感器輸出3路180°的交疊信號，電動機每轉(zhuǎn)動60°就有一次換相，只要檢測兩次換相的時間間隔就能計算出電機的速度。