一種新型直流電機(jī)控制器

殷興光

摘 要： 過去控制直流電機(jī)多由單片機(jī)完成，其不但接口繁瑣，而且速度慢，不易在高溫、高壓等惡劣環(huán)境下工作。針對電壓閉環(huán)和電流閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的不足，采用數(shù)字信息化的方法，設(shè)計(jì)一種基于DSP控制器的通用電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)控制中。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，運(yùn)行速度提高了60%以上，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞： DSP； 直流調(diào)速； 電動(dòng)車； PWM

中圖分類號(hào)： TN710?34； TP272 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）12?0154?02

以前控制直流電機(jī)多由單片機(jī)完成。該方式缺點(diǎn)是接口繁瑣、速度慢，且不易在高溫、高壓等惡劣環(huán)境下工作[1]。采用一種新型直流電機(jī)控制器——DSP控制器解決了單片機(jī)控制的缺點(diǎn)，其具備很多優(yōu)點(diǎn)，該控制器不僅具有面向電機(jī)的控制能力，同時(shí)它便于修改控制參數(shù)以及具有自診斷等功能[2]。

1 直流電機(jī)控制器硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

該調(diào)速系統(tǒng)主要由DSP芯片、脈寬調(diào)制電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)以及電流/電壓傳感器組成。TMS320LF2407是TI公司專門針對電機(jī)、逆變器、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等控制而設(shè)計(jì)[3]，工作溫度范圍為-40～125 ℃，針腳數(shù)為144，頻率為30 MHz，電源電壓最大為3.6 V，最小為3 V。存儲(chǔ)器容量RAM為5 KB，接口類型為CAN、SCI、SPI，封裝類型為剝式[4]。圖1為基于DSP控制器結(jié)構(gòu)框圖。

將傳感器檢測到的反映電機(jī)狀態(tài)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速信號(hào)傳向DSP控制器A/D轉(zhuǎn)換器[4]，經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)和它們相應(yīng)的設(shè)定值經(jīng)過DSP中的控制算法處理后，就產(chǎn)生一個(gè)PWM波的控制輸出量[5]。PWM經(jīng)濟(jì)、節(jié)約空間且抗噪性能強(qiáng)，是一種值得使用的有效技術(shù)。這個(gè)PWM波輸出量經(jīng)過脈寬調(diào)制后加載到驅(qū)動(dòng)電路中并調(diào)節(jié)電樞電流，直至直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

2 軟件控制

2.1 TMS320LF2407 DSP控制軟件

TMS320LF2407 DSP控制軟件流程圖如圖2所示。

對TMS320LF2407 DSP的軟件控制首先對寄存器進(jìn)行初始化。過段時(shí)間后對輸入、輸出（I/O）口及模數(shù)（A/D）采樣寄存器進(jìn)行初始化，其次讀取設(shè)定電流及細(xì)分?jǐn)?shù)和E2PROM中電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置。E2PROM 是“電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器”，最后DSP的參數(shù)變量進(jìn)行初始化，過段時(shí)間后取得ia、ib電流偏移量。同時(shí)中斷啟動(dòng)，允許PWM輸出控制量，并反復(fù)檢測細(xì)分開關(guān)狀態(tài)及記錄轉(zhuǎn)子位置。

2.2 轉(zhuǎn)子位置和速度檢測

位置檢測不但用于換相控制，而且還能產(chǎn)生速度控制量。位置信號(hào)是通過3個(gè)霍爾傳感器得到的，霍爾傳感器根據(jù)霍爾效應(yīng)工作的[6]。

3 測試結(jié)果與分析

使用TMS320LF2407 仿真器進(jìn)行調(diào)試，實(shí)驗(yàn)電機(jī)采用永磁直流電機(jī)[7]，其參數(shù)如下：額定功率[P=20 kW]，額定電壓[UN=120 V]，額定電流[IN=180 A]，額定轉(zhuǎn)速[nN=3 000 r/m]，電樞電阻[Ra=0.018 4 Ω]。電感[L=0.128 mH]，折算到電動(dòng)機(jī)軸上拖動(dòng)系統(tǒng)飛輪慣量[GD2=J=17.4 N?m2]。電磁時(shí)間常數(shù)[Kt=6.96 ms]，電勢常數(shù)[Ke=0.042 1 V/（r/m）]，轉(zhuǎn)矩常數(shù)：[Km=0.4 N?m/A]，機(jī)電時(shí)間常數(shù)[tm=20 ms]。圖3為PWM輸出曲線，由圖4可知，在電流閉環(huán)作用下，電流迅速上升至指定值并穩(wěn)定下來，直到電壓上升到最大允許值。此后，電壓穩(wěn)定下來而轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，因此電流急速下降，直到與負(fù)載電流相等為止，這時(shí)基本達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)[9]。

4 結(jié) 語

本文在電壓閉環(huán)系統(tǒng)改進(jìn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于DSP控制的全數(shù)字直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。將工業(yè)控制中普遍使用的算法用在DSP上可以很好的實(shí)現(xiàn)，可用于直流電機(jī)控制的PWM波形輸出。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)控制準(zhǔn)確且運(yùn)行速度提高60%以上，電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，在工業(yè)生產(chǎn)中可推廣使用。

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