基于TMS320C242的稀土永磁無刷直流電機控制系統(tǒng)研究

董 藝

（安徽電子信息職業(yè)技術學院機電系，安徽 蚌埠233030）

0 引言

稀土永磁無刷直流電機體積小、重量輕、效率高，其轉矩與轉動慣量之比超過普通直流電機的1倍［1］，因而很適合于高速驅動場合，目前已在家用電器、儀器儀表及辦公自動化領域獲得了非常廣泛的應用。但要實現(xiàn)對這種電機的控制并達到理想的控制狀態(tài)，采用DSP控制方案比目前普遍使用的單片機控制方案要更加優(yōu)秀。筆者在對各種DSP芯片進行了多年的研究的基礎上，選用美國TI公司生產(chǎn)的TMS320C242作為控制核心，對稀土永磁無刷直流電機的控制進行了較為深入的探討。

1 控制系統(tǒng)總體方案

控制電路主要由功率驅動、三相逆變和邏輯控制電路組成，還包括DSP接口電路，以及必要的保護電路。采用PWM方式實現(xiàn)對稀土永磁無刷直流電動機的控制。其基本原理是交流輸入經(jīng)過整流、穩(wěn)壓后為逆變電路提供直流電源。轉速給定由TMS320C242的ADC口輸入，經(jīng)TMS320C242的A／D轉換單元將模擬信號轉化為數(shù)字信號。根據(jù)給定的速度信號，TMS320C242產(chǎn)生一定的PWM波［2］。通過調整PWM波的寬度控制功率管的開關時間，實現(xiàn)對直流無刷電動機的控制。同時一旦產(chǎn)生故障，通過故障保護電路，封鎖PWM的輸出直至故障取消?？刂葡到y(tǒng)硬件構成如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

2 主回路功率控制系統(tǒng)的硬件設計

被控對象——稀土永磁無刷直流電動機為梯形反電勢的三相無刷直流電動機，可以采用15V直流電源供電。由于采用普通的變壓器濾波方式體積較大，因此可以考慮采用開關電源提供15V和5V電源。功率回路直接接到15V電源上，5V電源做為TMS320C242等芯片的電源。驅動電路可采用IR2131芯片。IR2131芯片是美國國際整流器公司生產(chǎn)的MOS功率器件專用柵極驅動集成電路，僅需要一個輸入級電源，且作電源的電壓范圍較寬，為3～20V。另外，由于三相半橋每隔120°就得換向一次，因此會造成電動機在運行中轉矩的波動比較大，因此筆者采用由6個MOSFET構成、每隔60°換向的三相全橋逆變電路。驅動原理圖如圖2所示。

圖2 驅動電路原理圖

3 檢測回路硬件設計

3.1 相電流采樣電路

電流檢測采用磁平衡式霍爾元件，電流采樣原理圖如圖3所示。

圖3 電流采樣電路

在圖3的電路中，將采樣的小電流信號轉換為電壓信號，并通過電平轉換放大將具有正負極的電流反饋信號變換為0～5V電壓信號輸入DSP的雙A／D單元。

3.2 轉子位置檢測與速度檢測

可以采用3個霍爾效應傳感器來檢測轉子位置并計算電機轉速。該傳感器由功放電路供電。傳感器的輸出端直接接到TMS320C242的捕獲單元。電機正常運行的時候，通過霍爾傳感器可得到3個脈寬為180°電角度的互相重疊的信號，這樣就得到了6個強制換相點，TMS320C242芯片通過檢測到傳感器輸出信號的上升沿和下降沿后，即可得到轉子的位置［3］。

從轉子位置檢測可知，電機轉子每轉1周從傳感器中就可以得到6個換相信號。也就是說，2個換相信號相差60°電角度。霍爾效應傳感器的位置相對電機是固定不變的，故2個換相信號之間的機械角度差Δθ是常數(shù)，因此通過計算2個檢測信號之間的時差就可以計算出速度：V＝Δθ／Δt［4］。

4 調速系統(tǒng)設計

系統(tǒng)控制可以采用串級控制，分為速度環(huán)（外環(huán)）和電流環(huán)。內(nèi)環(huán)和外環(huán)均采用PID算法，保證系統(tǒng)為無靜差系統(tǒng)，并且有較好的動態(tài)和靜態(tài)性能。內(nèi)環(huán)調節(jié)時，根據(jù)當前測量的電流與計算值調節(jié)PWM斬波輸出的參數(shù)，然后根據(jù)電機的啟動電流和最大電流對其進行調整，并根據(jù)當前轉子的位置選擇MOSFET管，輸出正確的觸發(fā)脈沖對。外環(huán)則根據(jù)速度反饋和給定值進行調節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的性能。調速系統(tǒng)原理方框圖如圖4所示。

圖4 調速系統(tǒng)原理方框圖

5 保護電路設計

系統(tǒng)設計時還需完善各種保護環(huán)節(jié)，可以分為功率器件的柵源、漏源過電壓的保護、過電流保護、直流回路欠電壓保護、三相電源缺相保護和電機過熱保護等保護電路，各保護動作信號可通過光耦隔離送至或非門CD4078的輸入，通過CD4708送入DSP的PDPINT引腳，當PDPINT引腳被拉為低電平時，DSP內(nèi)部計數(shù)器立即停止記數(shù)，所有的PWM輸出呈高阻狀態(tài)，同時產(chǎn)生中斷信號，通知DSP有異常情況發(fā)生，在中斷處理程序中，讀入相關I／O口狀態(tài)，判斷發(fā)生了何種故障，并送LED顯示，通過LED的狀態(tài)可以判斷故障原因，以便在實際系統(tǒng)中很快判斷排除故障，提高了系統(tǒng)的整體可靠性。故障中斷電路見圖5。

圖5 故障處理電路

6 實驗結果分析

用上述電路及相關器件設計出的電機及其控制系統(tǒng)，筆者對其進行了帶負載的正轉及反轉實驗，相關測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 稀土永磁無刷直流電機及其控制系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)表

由實驗數(shù)據(jù)可以看出，電機可以在6 000～36 000r／min的速度范圍內(nèi)穩(wěn)定運行且調速范圍較寬；正反轉特性基本一致；控制系統(tǒng)效率高于92%，明顯優(yōu)于由普通單片機構成的控制系統(tǒng)。

7 結語

TMS320C242芯片性能高、成本低，既能滿足復雜計算要求，又具備電機控制用接口。在充分利用了該芯片周邊端口豐富、運算速度快的特點之后，系統(tǒng)硬件結構比起普通單片機控制方案趨于簡單，易于控制且控制效果更加優(yōu)秀。從樣機的測試實驗結果來看，電機不但具有較寬的閉環(huán)調速范圍且控制器效率高，系統(tǒng)總體性能較為理想。

［1］馬瑞卿，李聲晉.稀土永磁BLDCM速度閉環(huán)控制系統(tǒng)［J］.中小型電機，1998，25（1）：44－46.

［2］唐俊英.DSP原理與應用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008：181－182.

［3］劉和平.TMS320LF240xDSP結構、原理及應用［M］.北京：北京航天航空大學出版社，2002：1－2.

［4］張琛.直流無刷電動機原理及應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1996：12－13.