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DSP芯片基础的永磁无刷直流电机控制器

作者: 发布时间:2019-11-01 17:19:28 阅读: 130 次

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DSP芯片基础的永磁无刷直流电机控制器

 

摘要:随着我国经济发展水平的不断提高,新型机电一体化电机在各领域应用日渐广泛,本文将介绍一种以TMS320C240为核心的DSP芯片永磁无刷直流电机控制器,探究这一电机的设计方法,涉及到核心电路的组成、功率开关设计与驱动电路、软件编程等内容。

关键词:DSP芯片;永磁无刷;直流电机;控制器

 

电机是生产应用到的基础产品,用量大、产量高,永磁无刷电动机是电机的主要发展方向,在各领域中应用日渐广泛,在电子电力器件与新型永磁材料发展下,永磁无刷电机发展起来,是一种新型机电一体化电机,结构简单、运行可靠、维护方便,像直流电机那样有着较好的调整特性,且不再应用到机械式的转换器,可靠性更好、转矩更高、体积更小,广泛应用在工业领域。永磁无刷直流电机控制器结构样式多,但是驱动应用复杂模拟控制电路,难以进行系统升级,使用频率不断减少,而单片机为核心的数字控制电路调速虽然有着较强的调控功能,但是运算速度慢,下面将设计介绍一种新型DSP芯片TMS3230C240为核心的无刷直流电机控制器,体现实时运算能力与较强的抗干扰性。

1.直流无刷电机控制系统方案

采用主从式结构与PC上位机,这是直流无刷电机控制系统的主要特征,可以在命令发送的同时进行在线监控。DSP芯片为基础的无刷直流电机控制系统采用PWM方式控制,系统为下位机,可以对转矩与转速同时控制,功率变换器件为功率MOSFET的场效应管[1]。上位机、下位机均可以控制无刷直流电机,有着简单的控制系统结构,可靠性与扩充性均较高。

系统采用串级控制,分为电流环与速度环,具体见下图1所示。PID算法是内环与外环采用的算法,可以使系统保持无静差,且动态与静态特性较好,可以依据当前测量的电流与计算值对PEM斩波输出的参数进行调节,限幅依据启动电流与更大电流,选择MOSFET管可以依据当前的转子位置,将正确的触发脉冲对输出。通过速度与反馈、给定值调节外环,同时可以使系统性能得到维持。

 

2.控制系统硬件设计

2.1功率主回路控制系统的硬件设计

2.1.1设计功率输入整流回路

具有梯形反电势的三相无刷直流电机供电是采用12V直流电,是控制的无刷直流电机的主要特点,永磁磁极为转子,35mH的相电感,5000r/min时4.5A为更大允许电流,有着16.8mNm/A的转矩常数[2]。系统主要功能是提供电源给无刷直流电机与控制部件,有着较大的输入功率,且应用的变压器滤波有着较大体积,应用电源为12V与5V,前一个电源提供给无刷电机与前置驱动器,可以将功率回路连接到这一电源上,为了使前置驱动器电压随时保持稳定状态,就必须先将UP7812电压稳定后再供给IR2030S,后一电源为TMS320C240等芯片的电源。

2.1.2设计功率驱动电路

三相全控桥为功率驱动电路,应用到MOSFET管,应用IR2131S作为全控桥的前置驱动器,这一驱动器的特点是上侧与下侧的驱动器总共有3个,可以使驱动三相全控桥更加的方便,可以抵抗600V的暂态电压冲击,还可以保护过流。

PWM输出信号从TMS320F240中产生,可以直接输出到前置驱动器IR2131S的输入端。通过电阻直接与功率MOSFET管的控制极相连,这是IR2131S的输出方法,可以控制全控桥。在设计系统涉车时,可以将PWM输出关闭,将MOSFET管控电压设置为低电压,这样就可以进行能耗制动,从而刹车。

2.2检测回路的硬件设计

2.2.1检测电流

检测电流通过分流电阻实现,在功率驱动桥下端与功率板地线之间安装分流电阻,选定出的电阻值应该具备对过流的保护功能,对电阻上的电压经过数据进行分流与调整,然后将其输送至DSP数模转换输入端。

2.2.2检测转子位置

检测转子位置应用到的霍尔效应传感器有3个,由功放电路板供电是传感器供电方法。这一传感器的输出端与TMS320F240的捕获单元直接相连。在电机正确运行情况下,经霍尔传感器可得到脉宽180°的互相重叠信号有3个,从而将5个强制换相点得到,DSP得到转子位置通过对传感器输出信号的上升沿与下降沿实现[3]

2.2.3检测速度

电机转子每转1周就能从传感器中得到6个换相信号,这是通过对转子检测得到的结论,可以说明,两个换相信号相差了60°角度。相对电动机保持不变的是霍尔效应传感器位置,也就是说,两个换相信号间机械角度差为常数,通过计算两个检测信号时差可以将速度计算出来,即,

2.3控制系统软件设计

串行通信协议作用是出发各种命令,包括当前运行状态、数据设置等,而下位机功能则是响应上位机命令,传输数据。采用长帧通信协议可以使传输更加简单,从机地址选择范围不变,即1~255,地址固定为00H。

由主程序与中断服务子程序组成控制系统软件,主程序控制系统软件的作用是将芯片初始化与变量初始化完成。

串行口中断、捕获中断、ADC转换结束中断是中断程序包含的串行口中断,还包含PDPINT中断。串行中断过程中,主要是将主机信号传输完成,同时将串行通信协议制定出来,各种命令均依据主机命令[4]。捕获中断作用是将当前转子位置获得,从而对电机速度计算,还可以对PWM输出的相序进行调整。每次PWM周期发生后一段时间内就会发生ADC中断,可以通过对ADC转换的数值计算将当前的电流值得到。

结束语:本文主要对DSP芯片为基础的永磁无刷直流电机控制器系统方案进行了介绍,分析了控制系统硬件设计,表现了应用性能高的DSP芯片可以达到更高的控制精度,扩展能力较强,数据传输更快。

参考文献:

[1]陈璟华,汪锐,李日隆. 基于TMS320C240芯片的永磁无刷直流电机控制器[J]. 中小型电机,2010,06:34-36.

[2]庞勇,贺益康,方卫中. 基于专用控制芯片的永磁无刷直流电机控制器[J]. 微电机(伺服技术),2010,03:15-17+23.

[3]丁祥. 永磁无刷直流电机直接转矩控制系统的设计研究[D].湖南大学,2009.

[4]付磊. 基于DSP的无刷直流电机模糊控制系统设计和仿真研究[D].南昌大学,2010.

[5]刘鼎. 基于DSP的永磁无刷直流电机模糊控制系统的研究与实现[D].湖南大学,2010.