摘要：介紹了以高性能dsPIC30F4012芯片為核心的無刷直流電動機控制系統的硬件設計和實現，全面分析研窮無刷直流電動機運行原理的基礎上，闡述了無刷直流電動機的控制策略以及軟件實現方法。實驗表明，該系統結構簡單緊湊，控制精度高，具有良好的靜態和動態性能，尤其可應用于伺服機構、機電一體化的調速設備中。
關鍵詞：dsHc30F4012；無刷直流電動機；控制系統
中圖分類號：TM33 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2009)10—0043—03
0引言
隨著電力電子技術、微電子技術、先進控制技術和稀土永磁材料的快速發展，無刷直流電動機得到了迅速地推廣。無刷直流電動機具有體積小、重量輕、高效節能、調速方便、結構簡單、易于控制、功率密度大以及易于維護等優點，在伺服控制、電動汽車、機器人及家用電器等領域得到了廣泛的應用。在許多場合成功地替代了有刷直流電動機1】
在無刷直流電動機控制系統中，選擇一款性能優越的芯片作CPU將會提升系統的整體性能。本
文控制系統采用Microchip公司的dsPIC30F4012作為控制核心，這使得控制系統的可擴展性、靈活性、適應性以及參數的可修改性得到了滿足。
1系統硬件設計
本文介紹的無刷直流電動機控制系統主要由以下五個部分組成：dsPIC30F4012、IP,2130、三相逆變橋、位置傳感器、無刷直流電動機。硬件原理框圖如圖1所示。
控制過程如下：dsPlC30F4012根據捕獲到的霍爾位置信號和正反轉按鈕狀態，確定PWM的輸出
圖1無刷直流電動機控制系統的硬件結構框圖通道，輸出的PWM經驅動芯片IR2130后開啟相應的MOSFET，使得電機中相應繞組通過電流，電機按給定方向連續轉動。調節調速旋鈕可以改變
dsPIC30F4012輸出PWM的占空比，從而調節電機繞組兩端的平均電壓，實現電機轉速的控制。
系統中的主控芯片dsPIC30F4012是專門為電機高速控制所設計的一種16位微處理器。它具有
一個16位CPU和一個DSP內核，片內設有一個6通道的A／D轉換器，工作在10位模式，采樣保持時間、轉換時間、閥值檢測方式和零偏補償校正均可編程；5個16位定時器；一個6通道的電機專用MCP—WM控制器。此裝置大大簡化了產生脈寬調制(PWM)波形的控制軟件和外部硬件，通過編程可產生互補的三相6路PWM波形2】可通過編程設置死區時間防止同一橋臂上2個功率管發生直通造成短路。本系統中采用PWM調速方式，系統頻率為24 MHz，主功率電路是三相全橋星形電路。
驅動芯片選用美國國際整流器公司的HR2130,一個IR2130可驅動三相橋式電路的六個功率開關
器件，內部設計有過電流、過電壓及欠電壓保護，使用戶可方便地用來保護被驅動的功率MOs管加之內部自舉技術的巧妙應用，使它可用于高壓系統，它還可對同一橋臂上下兩功率MOs器件的柵極驅動信號產生2μs的死區時間，使設計進一步簡化系統硬件電路，減少體積，提高可靠性。其輸出的****正向峰值驅動電流為250 mA，而反向峰值驅動電流為500 mA；耐壓600 V滿足要求3】。其驅動電路框圖如圖2所示．
三相逆變橋中的開關器件選用功率M0sFET，具有開關速度快、驅動功率小、安全工作區寬、過載能力強等優點。本系統選用N溝道的MOsFETIRF540，額定電流為40 A，耐壓值為100V，能夠滿足本系統的要求，其電路圖如圖2虛框所示.
對三相橋逆變器來說，MOsFET起開關作用，所以它應工作在飽和區和截止區而不是在放大區。在同樣的工作電流下，管壓降在放大區比飽和導通時要大得多，從而會造成管子的過度發熱而損壞，為了避免功率管的損壞，需要對3個下管在開通時進行vce檢測保護。電路圖如圖3所示。 以第一相為例，當LOl為高電平(十15 V)開通M0sFET Qo時，DLOAl在L01(+15 V)與參考電壓VREF1(+10 V)通過比較器LM339比較之后輸出為高(+15 V)，此時開始vce檢測。在MOsFET功率管QO開通時，VSL的電位(不超過1.4 V)低于DLOAl(+15 V)，這使得二極管D7導通，此時+15 V電壓正極通過電阻R34R27二極管D7、MOsFET Q0的源極和漏極與+15 V電壓負極導通，如果MOsFET功率管Q～o工作正常，則vce的壓降約為1.2 V，二極管D7選用1N5819在電流小于0.1 A時的壓降為O.36 V，那么DLOAl的電壓變為：  其中R34=5．1 kΩ，R27=O 2 kΩn。這時VDLOA1(+2.12V)與參考電壓VREF約+2.28 V)比較，若MOsFET功率管Q2、Q4正常工作，則VDLOA2：和VDLOA3都小于參考電壓VREF，那么輸出比較的結果使得ITIRP輸出低，驅動芯片[R2130在ITIRP為低時說明工作正常。如果功率管Qo、Q2、Q4有一路發生故障，例如QO管壓降超過1 2 V時，則使VDLOA1高于參考電壓VREF，那么輸出比較的結果使得ITIRP輸出高，說明功率管發生了故障，IR2130的FAuLT腳輸出低電平，并立即關斷所有的輸出，從而起到保護作用。
2控制策略及軟件設計
2 1轉子定位與定子繞組換相原理
電機繞組中建立的旋轉的電樞磁場方向必須根據轉子永磁磁場位置進行調整。無刷直流電動機的
效率很大程度上取決于兩個磁場的相對位置關系。通常采用霍爾位置傳感器來檢測轉子磁場位置，并根據來自霍爾傳感器的位置信號實現正確換向。以兩相導通三相六狀態無刷直流電動機為例說明工作原理4]霍爾位置傳感器輸出磁極位置信號，經過控制電路邏輯變換后驅動逆變器，使圖2中的功率開關管Q1、Q2導通，即繞組A、B通電，A進B出，此時定轉子磁場相互作用拖動轉子順時針方向轉動。電流流通路徑為：電源正極一Q1-A相繞組一B相繞組Q2一電源負極。當轉子轉過60°電角度，霍爾位置傳感器輸出信號，經邏輯變換后使開關管Q2截止，Q4導通，此時Ql仍導通，則繞組A、C通電，A進c出，此時定轉子磁場相互作用使轉子繼續沿順時針方向轉動.電流流通路徑為：電源正極一Ql A相繞組一c相繞組一Q4一電源負極，依次類推：當轉子每轉過60。電角度時，功率開關管之間進行一次換流，定子磁狀態就改變一次。可見，電機有六個磁狀態，每一狀態都是兩相導通，每相繞組中流過電流的時間相當于轉子旋轉120°電角度，每個開關管的導通角為120°電角度。兩相導通三相六狀態無刷直流電動機的三相繞組與各開關管導通順序的關系如表1所示．
2 2軟件設計
控制部分的軟件內嵌于dsPIc30F4[)12的程序存儲器中，由c語言實現，主要由主函數和中斷服
務子程序兩部分組成。
圖4的主程序中，系統上電便進行開關位置及電機狀態等檢測，有故障時就報錯，若系統正常則 配置端口輸入輸出方向，初始化全局變量，然后調 用各個模塊初始化函數，并使能模塊，然后進入死 循環等待中斷觸發。
中斷服務子程序：主要包括定時器中斷子程序，ADc轉換中斷子程序、PwM中斷子程序。主要完成獲取電機轉子位置信號，并結合電機工作狀態按鈕確定OVDcOND寄存器的值，控制6路PwM的輸出進而完成控制電機正確轉動。其流程圖如圖5a所示。ADc中斷程序里完成指令和反饋值的計算；PID計算在Timerl中進行，并將值賦給PwM占空比寄存器。
在調速系統中采用數字PID算法，對轉速進行實行控制。本系統中控制器的設計特點是：根據實
際情況設定一個誤差閾值，當跟蹤誤差大于閾值時，取消積分控制作用，以免產生過大超調；當被控量與給定值的偏差小于設定閥值時，投入積分控制作用，以消除靜態誤差：流程圖如圖5b所示。
在上述電路構成的基礎上，我們對設計制成的電路板進行了測試，測試條件為：電機與直流母線電壓均為24 v，負載電機為5 kw無刷直流電動機，PwM斬波頻率為20 kHz。
圖6a為實驗測得dsPIc30F4012輸出PwM的死區時間值為500 ns，該死區時間通過在軟件中設定，本實驗中設定值為500 ns，可見輸出嚴格符合要求；圖6b為實驗測得Il：／2130輸出PwM的死區時間為2 .5μs：IR2130自動生成上、下側驅動所必需的死區時間為2～2.5μs，加上dsPIc30F4012輸出的死區時間值500 ns，理淪結果值為2．5～3μs.可以看出，實驗結果在理論值的范圍之內，符合設計要求。
電機穩態運行時三路PwM輸出和電機某一線電動勢波形如圖7所示。
通過實驗可以看出，設計完全符合要求，實踐證明了基于dsPIc30F4012單片機的無刷直流電動機控制系統具有電路簡單、調速性能好、抗干擾性強、可靠性高、穩定性好、性能價格比高等優點，系統適合于小功率無刷電動機的控制，同時，也可推廣到其他工業應用領域，如機床、機器人和電梯驅動等。
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