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基于DSP的網(wǎng)絡(luò)化無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)
摘要：設(shè)計(jì)了一種基于DSP的無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)，對其中的轉(zhuǎn)子位置檢測電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路以及驅(qū)動器網(wǎng)絡(luò)控制等內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的討論，并給出了相應(yīng)的硬件電路。該設(shè)計(jì)方案電路簡單、可靠性強(qiáng)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。眾所周期，直流電機(jī)具有最優(yōu)越的調(diào)速性能，主要表現(xiàn)在調(diào)速方便（可無級調(diào)速）、調(diào)速范圍寬、低速性能好（啟動轉(zhuǎn)矩大、啟動電流小）、運(yùn)行平衡、噪音低、效率高等方面。目前無刷直流電機(jī)已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動、機(jī)器人的伺服驅(qū)動以及新一代家用電器的變速驅(qū)動中。
為進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的綜合性能，就無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的控制器而方，近幾年國外一些大公司紛紛推出較MCU性能更加優(yōu)越的DSP（數(shù)字信號處理器）單片電機(jī)控制器，如ADI公司的ADMC3xx系列，TI公司的TMS320C24系列及Motorola公司的DSP56F8xx系列。它們都是將一個以DSP為基礎(chǔ)的內(nèi)核，配以電機(jī)控制所需的外圍功能電路，集成在單一芯片內(nèi)，使價(jià)格大大降低且體積縮小、結(jié)構(gòu)緊湊、使用便捷、可靠性提高。其最大速度可達(dá)20～40MIPS，指令執(zhí)行時間或完成一次動作的時間僅為幾十納秒，和普通的MCU相比，運(yùn)算及處理能力增強(qiáng)10～50倍，確保了系統(tǒng)有更優(yōu)越的控制性能。
1 系統(tǒng)原理概述
在本文設(shè)計(jì)的無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)中，采用TI公司的TMS320LF240x芯片作為控制器。TMS320LF240x芯片作為DSP控制器24x系列的新成員，是TMS320C2000平臺下的一種定點(diǎn)DSP芯片。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上講，240x系列DSP提供了低成本、低消耗、高性能的處理能力，對電機(jī)的數(shù)字化控制作用非常突出。
在圖1所示的基于TMS320LF240x的無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)中，采用TMS320LF240 DSP作為控制器，處理采集到的數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令。TMS320LF240控制器首先通過三個I/O端口捕捉直流電機(jī)上的霍爾元件H1、H2、H3的高速脈沖信號，檢測轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置發(fā)出相應(yīng)的控制字來改變PWM信號的當(dāng)前值，從而改變地直流電機(jī)驅(qū)動電路（全橋控制電路MOSFET）中功率管的導(dǎo)通順序，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向的控制。電機(jī)的碼盤信號A、B通過DSP控制器的CAP1、CAP2端口進(jìn)行捕捉。捕捉到的數(shù)據(jù)存放到寄存器中，通過比較捕捉到的A、B兩相脈沖值可以確定當(dāng)前電機(jī)的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)以及轉(zhuǎn)速。在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，驅(qū)動保護(hù)電路會檢測當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。如果系統(tǒng)中出現(xiàn)過流或者欠壓情況，PWM信號驅(qū)動器IR2130會啟動內(nèi)部保護(hù)電路，鎖住后繼PWM信號的輸出，同時通過FAULT引腳拉低DSP控制器的PDPINT引腳電壓，啟動DSP控制器的電源驅(qū)動保護(hù)。這時所有的EV模塊輸出引腳將被硬件置為高阻態(tài)，實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)的保護(hù)。該系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的保護(hù)電路主要用于保護(hù)DSP控制器和電機(jī)的驅(qū)動電路。
圖2 全橋式電機(jī)驅(qū)動電路控制原理圖
下面主要介紹系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子位置檢測電路、驅(qū)動電路、系統(tǒng)保護(hù)電路等。
2 轉(zhuǎn)子位置檢測電路
2.1 檢測電路應(yīng)用原理
控制無刷直流電動機(jī)時，DSP控制器主要是根據(jù)轉(zhuǎn)子當(dāng)前的轉(zhuǎn)動位置，發(fā)出相應(yīng)的控制字，通過改變PWM脈沖信號的占空比來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子位置是由位置傳感器檢測出來的。在本設(shè)計(jì)方案中，采用了三個光電式位置傳感器（霍爾元件）。這種傳感器是利用光電效應(yīng)制成的，由跟隨電動機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光板和固定不動的光源及光電管等部件組成。遮光板開有180°左右電角度的縫隙，且縫隙的數(shù)目等于無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的極對數(shù)。當(dāng)縫隙對著光電晶體管時，光源射到光電晶體管上，產(chǎn)生“亮電流”輸出。其它光電晶體管因遮光板擋住光線，只有“暗電流”輸出。在“亮電流”作用下，三相繞組中一相繞組有電流導(dǎo)通，其余兩相繞組不工作。遮光板隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動而輪流輸出“亮電流”或“暗電流”的信號，以此來檢測轉(zhuǎn)子磁極位置，控制電動機(jī)定子三相繞組輪流導(dǎo)通，使該三相繞組按一定順序通電，保證了無刷直流電動機(jī)正常運(yùn)行。
隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，光電管間歇接收從光源發(fā)出的光，不斷導(dǎo)通和截止，從而產(chǎn)生一系列“0”、“1”信號。這些脈沖信號通過I/O口傳輸給DSP，DSP讀取霍爾元件的狀態(tài)值，確定轉(zhuǎn)子當(dāng)前的位置，通過改變PWM信號輸出的高有效或低效來控制驅(qū)動電路，改變MOSFET管的導(dǎo)通順序，很好地實(shí)現(xiàn)電機(jī)換相的控制；同時改變PWM信號占空比，來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電動機(jī)驅(qū)動電路控制橋功率管的導(dǎo)通順序?yàn)镼1Q2、Q2Q3、Q3Q4、Q4Q5、Q5Q6、Q6Q1，為兩兩通電方式。電機(jī)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈，霍爾元件H1、H2、H3會出現(xiàn)六種狀態(tài)，DSP對每一種狀態(tài)發(fā)出相應(yīng)的控制字，改變電機(jī)的通電相序，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行。
電機(jī)驅(qū)動電路控制原理圖和電機(jī)正轉(zhuǎn)換相表如圖2和表1所示。
表1 電機(jī)正轉(zhuǎn)換相表
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