基于dsp芯片的永磁無刷直流電機(jī)控制器
汪 銳1，許靜宇2
（1．廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510090; 2．清華大學(xué)，北京 100084）
摘 要：介紹了以dsp芯片tms320c240為核心的永磁無刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)，其主要內(nèi)容涉及其核心電路
的構(gòu)成、功率開關(guān)元件的驅(qū)動(dòng)等硬件電路和軟件編程。
關(guān)鍵詞：永磁無刷直流電機(jī)；dsp控制器；tms320c240芯片
中圖分類號(hào)：tm381;tm301.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：1001-6848(2000)04-0027-03
1 引 言
電機(jī)是一個(gè)量大面廣的基礎(chǔ)產(chǎn)品，應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，產(chǎn)量很大，永磁無刷電動(dòng)機(jī)又是電機(jī)的發(fā)展方向。永磁直流無刷電機(jī)是近年來隨著電子電力器件及新型永磁材料而迅速成熟起來的一種新型機(jī)電一體化電機(jī)，既具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便，又具備直流電機(jī)那樣良好的調(diào)速特性而無機(jī)械式換向器，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種調(diào)速場(chǎng)合。永磁直流無刷電機(jī)體積小，轉(zhuǎn)矩高，可靠性好，在工業(yè)中將得到廣泛的應(yīng)用[1]。無刷電機(jī)控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示，主要由永磁直流無刷電機(jī)、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器、電流檢測(cè)、控制器和功率逆變電路等四部分組成。
永磁無刷直流電機(jī)控制器的結(jié)構(gòu)已有多種形式。最初采用分立元件組成龐大復(fù)雜的模擬控制電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，由于模擬元件控制系統(tǒng)不僅對(duì)溫度變化敏感、易老化，而且系統(tǒng)升級(jí)因難，因此已被逐漸淘汰。以單片機(jī)為核心組成的數(shù)字控制電路調(diào)速控制功能強(qiáng)，但存在運(yùn)算速度慢的缺陷[2]，本文介紹以新型的dsp芯片tms320c240為核心的無刷直流電機(jī)控制器，它不僅具有較強(qiáng)實(shí)時(shí)運(yùn)算能力，并且集成了電機(jī)控制的外圍部件，組成的系統(tǒng)所需外圍電路簡單，抗干擾能力強(qiáng)，特別適用于對(duì)控制器體積性能要求較高的場(chǎng)合[3]。
2 直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)方案
直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)，采用pc作為上位機(jī)，進(jìn)行命令的發(fā)送并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。以dsp芯片tms320c240為核心構(gòu)成的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)為下位機(jī)，控制系統(tǒng)采用pwm方式控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，采用霍爾元件檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，以功率mosfet場(chǎng)效應(yīng)管作為功率變換器件。上位機(jī)和下位機(jī)采用串行通訊傳輸數(shù)據(jù)，下位機(jī)根據(jù)命令對(duì)無刷直流電機(jī)進(jìn)行控制。整個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，具有高可靠性和可擴(kuò)充性。
系統(tǒng)控制框圖如圖2所示，采用串級(jí)控制，分為速度環(huán)（外換）和電流環(huán)（內(nèi)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(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性。內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)，根據(jù)當(dāng)前測(cè)量的電流與計(jì)算值的差值調(diào)節(jié)pwm斬波輸出的參數(shù)，然后根據(jù)電機(jī)的啟動(dòng)電流和****電流對(duì)其進(jìn)行限幅，并根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置選擇mosfet管，輸出正確的觸發(fā)脈沖對(duì)。外環(huán)則根據(jù)速度反饋和給定值進(jìn)行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的性能。
3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3.1 功率主回路控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3.1.1功率輸入整流回路設(shè)計(jì)
控制的無刷直流電機(jī)為具有梯形反電勢(shì)的三相無刷直流電機(jī)，采用12v直流供電。它的轉(zhuǎn)子為一對(duì)永磁磁極，相電感為40mh，在5000r/min時(shí)的****允許電流為4. 3a，轉(zhuǎn)距常數(shù)為17. 2mnm／a。系統(tǒng)需要給元刷直流電機(jī)及控制部件提供電源，輸入的功率較大，采用普通的變壓器濾波方式體積較大，因此采用開關(guān)電源提供12v和5v電源。12v電源同時(shí)提供給無刷電機(jī)和前置驅(qū)動(dòng)器的電源。功率回路直接接到12v電源上，為了保證前置驅(qū)動(dòng)器電壓的穩(wěn)定，使用up7812對(duì)電壓進(jìn)行穩(wěn)壓后再供給ir21315。5v電源為tms320c240等芯片的電源。
3.1.2功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
功率驅(qū)動(dòng)電路為三相全控橋，采用international rectifier金司的irfp054n功率mosfet管，全控橋的前置驅(qū)動(dòng)器則采用ir2131s。ir2131s具有獨(dú)立的3個(gè)上側(cè)和下側(cè)驅(qū)動(dòng)器，能方便驅(qū)動(dòng)三相全控橋，而且可經(jīng)受600v的暫態(tài)電壓的沖擊，并有過流保護(hù)等功能。
從tms320f240來的pwm輸出信號(hào)直接輸出到前置驅(qū)動(dòng)器ir 2131s的輸入端。ir 2131s的輸出通過一個(gè)電阻直接與功率mosfet管的控制極相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)全控橋的控制。在系統(tǒng)剎車時(shí)，關(guān)閉pwm輸出，設(shè)置急停mosfet管的 |
