基于DSPIC的無刷直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計及軟硬件實現(xiàn)

1、基于DSPIC的無刷直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計及軟硬件實現(xiàn)    摘要介紹了M ICROCH" style="color:blue;text-decoration:none;font-weight:normal;"ICROCH IP公司的電機(jī)專用數(shù)字信號控制器dsP IC,對永磁無刷直流電機(jī)的工作原理進(jìn)行了簡單介紹,提出了基于dsP IC的無刷直流電機(jī)數(shù)字閉環(huán)控制方案,完成了硬件電路的設(shè)計,及閉環(huán)控制策略的軟件實現(xiàn),并給出了部分源程序。通過硬件電路設(shè)計、控制程序的編寫、調(diào)試,可以看出這一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、控制性能優(yōu)越。 關(guān)鍵詞無刷

2、直流電機(jī)閉環(huán)控制dsP IC單片機(jī) 1dsP IC30F4011概述 M ICROCH IP公司推出的dsPIC30FXXX系列單片機(jī)將16位單片機(jī)的控制特點(diǎn)和DSP高速運(yùn)算的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合,為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計提供了適合的,單 芯片、單指令流的解決方案。其內(nèi)部采用改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)。dsP IC30F4011 是M ICROCH IP公司專為電機(jī)高速控制設(shè)計的一種16位微處理器,具有以下 基本特點(diǎn)。 (1) 1個16位CPU和1個DSP內(nèi)核; (2)當(dāng)內(nèi)部時鐘頻率為最高120MHz時,進(jìn)行1次16位乘法運(yùn)算為8. 3 ns; (3)包括2048B 的RAM、48 kB 片內(nèi)程序空間和1024B E2 P

3、ROM; (4) 7個中斷、21條I/O口線; (5) 1路全雙工UART功能模塊, 1個同步串行SPI功能模塊, 1個I2C串行通信模塊和1 個CAN串行通信模塊; (6) 1個6通道A /D 轉(zhuǎn)換器,工作于10 位模式,采樣保持時間、轉(zhuǎn)換時間、閥值檢測方式和零偏補(bǔ)償校正均可編程; (7) 5個16 位定時器, 4 路捕捉器, 2 路比較/標(biāo)準(zhǔn)脈寬調(diào)制( PWM)單元模塊; (8) 1個6通道的電機(jī)專用MCPWM控制器 1 。dsP IC30F4011片內(nèi)的MCPWM 控制器是其特 色之一。此裝置大大簡化了產(chǎn)生脈寬調(diào)制( PWM)波形的控制軟件和外部硬件,通過編程可產(chǎn)生獨(dú)立 的、具有相同頻率

4、工作方式的三相6路PWM波形,并由RE口直接輸出6路PWM信號至逆變器,且三 相互補(bǔ)不重疊。每個引腳驅(qū)動電流達(dá)25 mA。為了防止同一橋臂上2個功率管發(fā)生直通造成短路,該 控制器還通過編程設(shè)置了死區(qū)互鎖時間。 2無刷直流電機(jī)基本工作原理 如圖1所示,無刷直流電動機(jī)由電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器、電子開關(guān)線路三部分組成,電機(jī)本體 的主轉(zhuǎn)子由永磁鋼組成,主要作用是在電動機(jī)氣隙中產(chǎn)生磁場。主定子上的線圈通電后產(chǎn)生反應(yīng)磁 場,該磁場方向與轉(zhuǎn)子磁場方向保持90°左右的角度,驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。但是由于無刷電機(jī)沒有機(jī)械換 向裝置,不能使定子繞組依次饋電,所以還要由位置傳感器、位置邏輯控制單元、功率開關(guān)管共

5、同構(gòu) 成一個保證電機(jī)正常運(yùn)行的換向裝置。電路中,以光電器件作為位置傳感器,遮光板的透光部分為 120°,三個光電器件相差120°位置,因而其導(dǎo)通期也是120°,隨著位置傳感器遮光板的轉(zhuǎn)動,定子繞 組在位置傳感器件Sa、Sb、Sc的控制下, A、B、C三相依次饋電,實現(xiàn)了各相繞組電流的換相。無刷直 流電機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩控制主要依據(jù)如下反電動勢和轉(zhuǎn)矩工程計算方程: 其中: N 為電機(jī)定子每相線圈數(shù); l為轉(zhuǎn)子的長度;r為轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑; B 為轉(zhuǎn)子的磁通密度; 為電機(jī)的 角速度; i為相電流; 為轉(zhuǎn)子位置。從上述方程可以看出, 無刷直流電機(jī)的反電動勢與轉(zhuǎn)速成比例, 轉(zhuǎn)矩與相電

6、流也幾乎是成比 例的 2 。 3硬件電路的設(shè)計 3. 1硬件組成 基于dsPIC30F4011的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。dsP IC通過捕獲單元捕捉 電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器上的脈沖信號,計算轉(zhuǎn)子位置, dsP IC根據(jù)捕獲的霍爾位置傳感器脈沖信號的 寬度計算出電機(jī)的當(dāng)前速度,與電機(jī)的設(shè)定速度比較后,產(chǎn)生轉(zhuǎn)速偏差信號。該偏差信號經(jīng)P I調(diào)節(jié) 產(chǎn)生電流參考給定;將該給定參考電流與實際電流再作比較,產(chǎn)生電流偏差信號,經(jīng)P I算法產(chǎn)生適當(dāng) 的PWM信號供給智能功率模塊IRAMS10UP60A以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。dsP IC 通過A /D、I/O口采集電 機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值和電機(jī)的起停、正反轉(zhuǎn)、制

7、動命令來控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),驅(qū)動保護(hù)電路可完成電機(jī)的 過流、過電壓、驅(qū)動時序異常等故障保護(hù)。 3. 2智能功率驅(qū)動 功率驅(qū)動部分是控制系統(tǒng)的一個重要組成部分, 智能功率模塊IRAMS10UP60A 內(nèi)部集成了多 種功能電路, 大大地簡化了系統(tǒng)硬件電路, 而且同分離元件組成的功率驅(qū)動電路相比, 它的安全性、 穩(wěn)定性和可靠性都要更好。模塊的自舉電路和過溫/過流保護(hù)電路需要外圍電路協(xié)同工作, 其它電 路都為內(nèi)置電路, 由內(nèi)外部電路一起實現(xiàn)的自舉電路和過溫/過流保護(hù)電路, 這是該模塊正常使用的 關(guān)鍵, 也是保證閉環(huán)速度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)功能實現(xiàn)的重要電路 3 。 3. 2. 1自舉電路 對于每個給高端IGB

8、Ts提供門極的3個高端電路, 高端和低端驅(qū)動器需要1個浮動的電源供電, 自舉電路是一種非常方便地獲得浮動電源的方法,圖3給出了三相開關(guān)逆變器驅(qū)動電路的其中一相的 實現(xiàn)方法,并在下面闡述自舉工作的原理, 該電路適用于每一相。當(dāng)?shù)投薎GBT導(dǎo)通時, 自舉電容Cbs (外置) 通過自舉二極管Dbs , 電阻R bs和低端開關(guān)S2進(jìn)行充電,因為S 7 的發(fā)射極接近地電位, 自 舉電容Cbs上的充電電壓接近1V。當(dāng)?shù)投碎_關(guān)斷開時, S7的發(fā)射極電位上升, 由于自舉電容Cbs上 的充電電壓接近15V , 因而自舉二極管D bs反向截止, 自舉電容C bs上的電壓為S7 提供靜態(tài)電 壓, 對輸入的開關(guān)脈沖信

9、號進(jìn)在使用這個模塊時,首先要看3 個外加的自舉電容是否都能正常充電, 這是自舉電路正常工作的關(guān)鍵。自舉電路的功能保證了功率部分可以由單一電源供電,簡化了硬件 電路, 增加了功率部分的安全性。 3. 2. 2過溫/過流保護(hù)電路 圖4為內(nèi)外電路構(gòu)成的過溫/過流保護(hù)電路, 21腳T/Trip 有雙重功能, 輸入引腳為過流觸發(fā), 熱敏 電阻所感應(yīng)出的模擬溫度信號是輸出引腳。RNTC為熱敏電阻, 過溫電路一直有效; 過流控制晶體管是 常開的。正常時, 21腳加5 V輸入;過溫時, 21腳自動從5 V下降, 外控器工作;過流時, 過流控制晶體 管工作, 集電極為0 V , 21腳無外電源工作, 電壓自動下

10、降, 外控器工作。過溫/過流保護(hù)電路避免了功 率模塊因溫度過高或電流過大而引起的故障。 4 軟件實現(xiàn) 在本實驗的閉環(huán)控制實現(xiàn)中,軟件主要有初始化程序、電機(jī)起動程序、轉(zhuǎn)子位置檢測及換相程序、 電壓和電流保護(hù)程序及運(yùn)行控制程序等組成。程序流程圖如圖5 4 。程序用C語言編寫,通過MPLABC30C編譯器 實現(xiàn),MPLABC30C 編譯器是一個全功能的優(yōu)化編譯器,可將標(biāo)準(zhǔn)的ANSI C程序翻譯為dsP IC匯編語 言源代碼。同時它還支持許多命令行選項和語言擴(kuò)展,可以對dsP IC器件的硬件功能進(jìn)行完全訪問, 可以更好地控制代碼的生成。 4. 1轉(zhuǎn)子位置檢測 三相BLDC電機(jī)具有3相定子,同一時刻為其

11、中的兩相通電,以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。此方法較容易實 現(xiàn),但是為了防止永磁體轉(zhuǎn)子被定子鎖住,在知道轉(zhuǎn)子磁體的精確位置的前提下,必須以特定的方式 按順序為定子通電。位置信息用霍爾傳感器檢測轉(zhuǎn)子磁體位置獲得。對于典型的三相帶傳感器的 BLDC電機(jī),有6個不同的工作區(qū)間,每個區(qū)間中有特定的兩相繞組通電。如圖6所示通過檢測霍爾傳 感器,可以得到一個3位編碼,編碼值的范圍從1到6。每個編碼值代表轉(zhuǎn)子當(dāng)前所處的區(qū)間。從而提 供了需要對哪些繞組通電的信息。因此程序可以使用簡單的查表操作來確定要對哪兩對特定的繞 組通電以使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。注意狀態(tài)“0”和“7”對于霍爾效應(yīng)傳感器而言是無效狀態(tài)。軟件應(yīng)該檢查出 這些值并相應(yīng)地

12、禁止PWM。 查表程序如下 以下是低端驅(qū)動器表。在此StateLoTable 中,在低端驅(qū)動器上施加PWM 信號,而高端驅(qū)動器為 “導(dǎo)通”或“截止”狀態(tài)。在本實驗中使用此表。unsigned int StateLoTable = 0x0000, 0x1002, 0x0420, 0x0402, 0x0108, 0x1008, 0x0120, 0x0000; 412PWM 信號的產(chǎn)生 PWM信號通過控制功率器件的導(dǎo)通和截止改變加在電機(jī)繞組上的平均電流,達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速 的目的。在dsP IC中用一個計數(shù)器產(chǎn)生PWM信號三角波,計數(shù)器的峰值和載波周期不變,經(jīng)過驅(qū)動 后控制IRAMS10UP60A 的

13、導(dǎo)通與關(guān)斷。通過改變比較寄存器的值VCOMP ,可以改變PWM信號的占 空比,調(diào)節(jié)電機(jī)的平均相電流,實現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。PWM信號產(chǎn)生的寄存器設(shè)置: InitMCPWM,對PWM做以下初始化: (1) FPWM = 16 000 Hz; (2)獨(dú)立的PWM; (3)使用OVDCON 控制輸出; (4)使用P I算法和速度誤差設(shè)置占空比; (5) 將ADC 設(shè)置為由PWM 特殊觸發(fā)信號 觸發(fā)。 程序如下: void InitMCPWM ( void) PTPER = FCY/FPWM - 1; PWMCON1 = 0x0700; / / 禁止PWM OVDCON = 0x0000; / / 允許使用

14、OVD 控制 PDC1 = 100; / / 將PWM1、PWM2 和PWM3 初始化為100 PDC2 = 100; PDC3 = 100; SEVTCMP = PTPER; / / 特殊觸發(fā)值等于16個周期值 PWMCON2 = 0x0F00; / / 后分頻比設(shè)為1: 16 PTCON = 0x8000; / / 啟動PWM 413速度檢測 要測量實際速度,可以使用TMR3 作為定時器來選通一個完整的電周期。由于我們使用的是10 極電機(jī),因此一個機(jī)械周期將由5 個電周期構(gòu)成。如果T (秒)是一個電周期的時間,那么速度S = 60 / ( P /2 ) ×T r /min, 其中

15、P 是電機(jī)的極數(shù)。GetSpeed子程序,通過使用每個機(jī)械周期內(nèi)TMR3 中的值確定電機(jī)的精確速度。 void GetSpeed ( void) if ( Timer3 23000) / / 如果TMR3 值很大,則忽略此次讀取 return; if ( Timer3 0) Speed = RPMConstant/ ( long) Timer3; / / 獲得以RPM 為單位的 速度 ActualSpeed + = Speed; ActualSpeed = ActualSpeed 1; if ( + + SpeedCount = = 1) SpeedCount = 0; CalculateDC

16、 ( ) ; 4. 4P I參數(shù)的設(shè)定 電機(jī)速度的給定是通過給定電位器來確定。然后根據(jù)要求的速度值和實際的速度值來確定比 例速度誤差和積分速度誤差。有了這兩個值,就可以使用下面的公式計算出新的占空比: NewDutyCycle (新的占空比) = Kp ( 比例速度誤差) + Ki ( 積分速度誤差) ;然后將10位的NewDutyCycle (新占空比值)裝 入所有的3個PWM占空比寄存器中。使用P I算法 來計算新的DutyCycle (占空比)值,該值將被載入 PDCx寄存器。 void CalculateDC ( void) DesiredSpeed = DesiredSpeed3 3

17、; Flags. Minus = 0; if (ActualSpeed DesiredSpeed) SpeedError = ActualSpeed - DesiredSpeed; else SpeedError = DesiredSpeed - ActualSpeed; Flags. Minus = 1; Speed Integral + = SpeedError; if ( Speed Integral 9000) Speed Integral = 0; DutyCycle = ( ( ( long) Ksp 3 ( long) SpeedError + ( long) Ksi3 ( lo

18、ng) Speed Integral) 12) ; DesiredSpeed = DesiredSpeed /3; if ( Flags. Minus) DutyCycle = DesiredSpeed + DutyCycle; else DutyCycle = DesiredSpeed - DutyCycle; if (DutyCycle 100) DutyCycle = 100; if (DutyCycle 1250) DutyCycle = 1250; Speed Integral = 0; PDC1 = DutyCycle; PDC2 = PDC1; PDC3 = PDC1; 5結(jié)論 經(jīng)過實踐應(yīng)用, 基于dsP IC30f系列單片機(jī)的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)具有電路簡單