CN102957369A - 一种基于dsp处理器的无刷直流电机调速装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机调速装置，尤其是一种基于DSP处理器的无刷直流电机调速装置。所述调速装置包括：光耦隔离电路、三相逆变器、电流采样电路、调理电路、过电流保护电路、三个霍尔传感器、LED显示器、键盘。本发明具有响应快的优点，适用于控制精度高的场合。与传统的模拟电路及分离式元件组成的调试电路相比，简化了电路结构；与基于单片机的调试电路相比，为开发智能控制调试装置提供了硬件条件。

Description

一种基于DSP处理器的无刷直流电机调速装置

技术领域

本发明涉及一种电机调速装置，尤其是一种基于DSP处理器的无刷直流电机调速装置。

背景技术

无刷直流电机的发展至今已有多年的历史。传统的直流电机需要电刷机械换向而可靠性差，需要经常维护且换向时易产生电磁干扰和火花，噪声大。在此背景下，随着现代电力电子技术特别是大功率电子器件的迅速发展，无刷直流电机应运而生。

早在1917年，Boliger就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。1955年，美国D.Harrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，标志着现代无刷电机的诞生。随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件相继出现，如mosfet、IGBT等，以及高性能永磁材料的问世，均为永磁无刷直流电机的广泛应用奠定了坚实的基础。1978年，原西德公司的MANNESMANN公司intramat分部推出经典无刷直流电动机及其驱动器，从而标志着电子换相的无刷直流电机真正进入实用阶段。

无刷直流电机采用电子换向原理，调速性能好、启动转矩大、维护方便，在医疗仪器、机床工业、纺织工业、汽车等领域得到广泛应用。在无刷直流电动机的控制中，最早用模拟电路及分离式元件组成的电路来控制电机，由于其控制电路复杂，且存在零点漂移现象，稳定性不强。因此，逐步被高级的数字控制方式所取代，这些高级的数控方式主要采用单片机控制。与复杂的模拟电路相比，单片机具有电路设计简单、运算快、程序修改方便、控制精度高、无零点漂移等优点。另外，无刷直流电机专用模拟芯片、如motorola公司MC33035，由于价格低廉，定制方便，但是在一些对控制性能要求高的场合不适用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种基于DSP处理器的无刷直流电机调速装置。

本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种基于DSP处理器的无刷直流电机调速装置，包括：光耦隔离电路、三相逆变器、电流采样电路、调理电路、过电流保护电路、三个霍尔传感器、LED显示器、键盘；

所述光耦逆变电路的输入端与DSP处理器连接，输出端接三相逆变器的输入端；

所述电流采样电路的输入端与三相逆变器的输出端连接，输出端与调理电路的输入端连接；

所述调理电路的第一输出端与DSP处理器连接，第二输出端接过电流保护电路的输入端；

所述过电流保护电路的输出端与DSP处理器连接；

所述三相逆变电路的输出端与无刷直流电机的输入端连接，所述三个霍尔传感器的输入端与无刷直流电机的输出端连接；

所述三个霍尔传感器的输出端、LED显示器、键盘、系统电源电路分别与DSP处理器连接。

进一步的，所述一种基于DSP处理器的无刷直流电机调速装置，其特征在于所述DSP处理器为TMS320F2806芯片。

进一步的，所述一种基于DSP处理器的无刷直流电机调速装置，其特征在于还包括与DSP处理器连接的RS-485接口。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明具有响应快的优点，适用于控制精度高的场合。与传统的模拟电路及分离式元件组成的调试电路相比，简化了电路结构；与基于单片机的调试电路相比，为开发智能控制调试装置提供了硬件条件。

附图说明

图1为基于DSP处理器的无刷直流电机调速装置的模块图。

图2为无刷直流电机两两导通Y型连接结构图。

图3为无刷直流电机的Hpwm-Lon PWM调制方式。

图4为无刷直流电机调速装置A相功率驱动电路。

图5为过电流保护电路的电路图。

图6为无刷直流电机驱动主程序流程图。

图7为无刷直流电机捕获终端程序流程图。

图8为无刷直流电机采样中断程序流程图。

图9为无刷直流电机两管导通H_pwm-L_on调制波形。

图10为无刷直流电机A相电流波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示的基于DSP处理器的无刷直流电机调速装置，包括：光耦隔离电路、三相逆变器、电流采样电路、调理电路、过电流保护电路、霍尔传感器、LED显示器、键盘；

光耦逆变电路的输入端与DSP处理器连接，输出端接三相逆变器的输入端；

电流采样电路的输入端与三相逆变器的输出端连接，输出端与调理电路的输入端连接；

调理电路的第一输出端与DSP处理器连接，第二输出端接过电流保护电路的输入端；

过电流保护电路的输出端与DSP处理器连接；

三相逆变电路的输出端与无刷直流电机的输入端连接，所述霍尔传感器的输入端与无刷直流电机的输出端连接；

霍尔传感器的输出端、LED显示器、键盘分别与DSP处理器连接。

TMS320F2806处理器是基于TMS320C2xx内核的定点DSP，是集成度较高、性能较强的运动控制系列器件。F2806相比F2812提供了增强型外设模块ePWM、eCAP和eQEP。内核与I/O电压1.8V与3.3V。时钟频率经内部锁相环倍频后可达100MHz。F2806同过光藕隔离电路连接三相逆变器电路(3)，将DSP产生的PWM信号转化为足以驱动开关管动作的信号，从而将外部电源提供的直流电变换为驱动无刷直流电机的交流电。

电流检测电路是用无感低阻值电阻对电机电枢绕组电流采样。电流的大小是用电阻两端的电压来表示的。电压经调理电路放大并低通滤波，滤去高频噪声，送TMSF2806的片内ADC采样通道和电流保护电路作电流控制。

三相逆变器连接带霍尔传感器无刷直流电机，三路相位差霍尔转速信号送TMS320F2806片内捕获单元eCAP，完成电机转速计算与特定时刻换相操作。

采用“两两导通Y型连接”及“单斩PWM调制”对无刷直流电机进行控制。

无刷直流电机由定子与转子组成，同时包含位置传感器、控制电路以及逻辑开关换向装置。定子绕组所产生的磁场与转动中转子磁钢产生的永磁磁场，在空间始终保持90度电角度。这就使得两个磁场产生最大平均转矩而驱动电机不停的旋转。采用六管全桥逆变器“两两导通Y型连接”对开关管VTx(x=1,2…6)进行控制，以期获取最好的转矩与调速性能。两两导通Y型连接结构图见图2所示。

采用常用的两两导通Y型连接，每个瞬间只有两个功率管VTx导通，每隔1/6周期换相一次，每次换相一个功率管，每个功率管导通120度电角度。各功率管的导通顺序VT6VT1—VT1VT2-VT2VT3-VT3VT4-VT4VT5—VT6VT1。例如，当功率管VT6VT1导通时，电流从VT1管流入A相绕组，再从B相绕组流出，经VT6管回到地。每次换相合成转矩方向大小不变，方向按电角度60度变化。假设正转按如上次序换相，反转则逆次序换相。

开关管控制采用PWM调制方式。不同的PWM调制方式对换相转矩脉动影响不同。必须选择合适的调制方式使换相转矩脉动最小。图3给出了单斩控制PWM波调制过程。分析证明，在给定相同的占空比及相同的母线电压下，单斩万式下绕组电流的稳态值要大于双斩方式下绕组电流的稳态值。并且双斩方式下功率开关动态功耗大，发热比较严重。本发明采用上桥PWM，下桥恒通。即H_pwm-L_on PWM调制方式。

采用“遇限削弱积分PID”算法对电机转速进行调节。假设r(t)是给定值，y(t)是系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差e(t)，e(t)作为PID控制器的输入，u(t)作为PID控制器的输出和被控对象的输入。模拟PID写为公式（1）：

$U\left(t\right)=K_p[e\left(t\right)+\frac{1}{T_i}{\∫}_0^{t}e\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}+T_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]---\left(1\right)$

本系统采用TMS320F2806对电机转速做数字控制，需对模拟PID离散化处理。得到离散PID公式，如公式（2）所示：

$U\left(k\right)=K_{p}e\left(k\right)+K_i\underset{i=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(i\right)+K_d(e\left(k\right)-e(k-1))---\left(2\right)$

这里：K_p,K_i,K_d分别称之为PID控制器的比例、积分、微分系数。为了计算方便起见，对公式(2)形式变化，只计算控制量的增量Δu，可以使用增量式PID控制算法，如公式(3)所示：

ΔU_k=K_p(e_k-e_k-1)+k_ie_k+k_d(e_k-2e_k-1+e_k-2)                (3)

可以看出，如果PID参数确定，只要用前后3次测量值的偏差，就可以由式(3)求出控制增量。结合上一次输出U_k-1可以计算当前PID输出U_k。“遇限削弱积分PID”是抗积分项饱和PID算法。

换相与转速计算及调节方案是软件实现的核心。转子位置信号是通过三个霍尔传感器得到的，每一个霍尔传感器都能够产生180°脉宽的输出信号，并且输出信号互差120°相位角。这样它们在每个机械转中共有六个上升或者下降沿，分别对应着六个换相时刻。将TMS320F2806的eCAP单元设置为双沿触发捕捉中断功能。在每个中断捕获程序内设置为CAP1～CAP3为I/O输入口、并检查它们的电平状态，由此修改ePWM1~ePWM3单元AQCSFRC、AQCTLA/B寄存器实现开关管控制信号输出。在捕获中断程序中，执行换相后重新设置CAP1～CAP3捕获状态，等待下一次换相操作。

同时，转子位置信号还用于检测电机转速。选择定时器0对两次换相时间间隔频率计数。在每次捕获中断中，首先把计数器的值保存在速度参数变量区，并与上次计数器的值相差，就能得到两次换相的时间间隔。而每次换相对应60度转子电角度变化。在捕获中断程序结束时对定时器先关后开，计数清零，进行下次换相测量。电机转速n、极对数p、定时器计数值T、计数频率f四者之间关系可以用公式（4）计算。

$n=\frac{60}{\mathrm{fpT}}---\left(4\right)$

在实际控制电机转速时，通过积分限幅和输出限幅，可有效地减小超调。为了使控制系统能够稳定，当速度采样误差小于某设定阀值时，就可以认为当前次误差为零这样可以避免一些小的扰动引起的系统震荡。PID转速调节在电流采样中断程序中完成。考虑到母线电压、电流脉动，程序中对电流、电压采样数值做多次平均计算。同时，在程序中设计PID调节计数变量，以250ms为转速调节时间单位。PID输出分别更新ePWM1、ePWM2、ePWM3单元CMPA.half.CMPA、CMPB比较寄存器。

TMS320F2806处理器芯片由片内采样单元ADC、捕获单元eCAP、脉宽调制ePWM、JTAG、电源与地、串行通讯口SCI等功能单元组成。XCLKIN管脚接外部有源10MHz晶体后经内部软件10倍频后工作在100MHz。A3.3V、D3.3V、D1.8V工作电源由开关电源+5V输入经TI公司专用芯片TPS767HD318输出。模拟电源与数字电源、模拟地与数字地之间用电感隔离。电源管脚滤波选用0.1uf无极性电容。

如图4所示的无刷直流电机调速装置A相功率驱动电路，逆变功率开关管Q5，Q6采用IRF540N,其额定电压和额定电流分别达500V和20A，驱动芯片U12采用IR公司生产的IR2103，该芯片输入HIN和输出HO同相，LIN与LO反向。最高能够驱动直流电压为600V，输入端HIN、LIN具有施密特触发器，能够自动屏蔽小的扰动，防止误动作。在系统上电复位时，DSP的电机PWM控制模块要设置为通用IO口，HIN控制管脚设置低电平，LIN控制管脚接高电平。IRF540高电平导通。这样就可以确保在复位时不会出现桥臂直通烧坏MOS管。这里给出了A相半桥驱动电路。B相、C相驱动电路与A相相同。自举电容C40选择10uf无极性电容。开关管并连快速恢复二极管US2D。0.22欧姆/2w的两个电阻R75、R76并联串接在直流母线与地之间完成电流采样。

过电流保护电路如图5所示。母线电流信号经采样电阻转换成电压信号SC输入“轨到轨”运放LMV324放大。其中一路经低通RC滤波器后输入到TMS320F2806的AD口，另一路信号由LMV324管脚1输出作为LM393比较器输入，当检测电流大于设定电电流，LM393输出高电平信号OC送TMS320F2806通用IO管脚，对PWM波输出控制，以防意外事故发生。

本发明软件代码在CCS2.2版本下完成。CCS代码设计工作室是Ti公司推出的集成可视化DSP软件开发工具。直流无刷驱动软件主要包含三个功能模块：主程序、捕获中断程序、adc采样中断程序。

主程序主要完成变量与参数的初始化设置。数据类型由int、unsigned int、float组成，整个程序执行浮点计算。分别定义hall信号状态、电机转向、直流母线电压、电流、PWM占空比、转速为基本变量。采用比例积分PI调节，令微分系数Kd=0。Kp、Ki根据电机与负载环境采用“试凑法”方法确定。主程序开始阶段，在系统初始化函数中对时钟锁相寄存器做10倍频设置，确保主芯片在100MHz工作。初始化eCAP1/2/3捕获引脚为GPIO输入。选择ADCINA0/1为直流母线电压与电流采样通道。单序列SEQ1顺序采样。采样中断触发启用ePWM周期匹配。ePWM1/2/3模块六路输出经光藕隔离后经IR2103驱动开关管，完成两管导通H_pwm-L_on调制。直流无刷电机启动时，占空比寄存器初始值设定为50%。eCAP、ePWM、ADC模块初始化后，开中断等待中断发生。见图6所示。

捕获中断程序主要完成三路hall信号电平检测，并根据检测到状态与电机转向设定完成机械转6次换相。ePWM单元管脚输出有强制高、强制低、高有效及低有效四种不同情况。电机转速计算时，定义定时器0中断计数变量count为全局型。在捕获中断程序中读count值可以确定两次换相时间间隔。见图7所示。

采样中断程序主要完成母线电压与电流采样，本项目中只对转速进行PI调节。电流电压主要用于过/欠电压、过电流保护。对多次采样值做简单的数学平均完全可以实现项目设计要求。电机转速调节采用增量PID算法，调节过程中每次增量值限幅，减少调节过程中振荡现象。见图8所示。

对本发明实施后系统的性能测试简要说明：测试用无刷直流电机型号选择57BL，额定功率80W，额定电压24V,额定电流5A，额定转速3000转/分，图9给出了控制A相上管pwm调制与C相下管恒通的HO与LO输出波形。逻辑控制完全满足设计要求。图10给出了带载下A相电流“方波”波形。转速给定，加大负载，电流的方波特征更为明显。

综上所述，本发明具有响应快的优点，适用于控制精度高的场合。与传统的模拟电路及分离式元件组成的调试电路相比，简化了电路结构；与基于单片机的调试电路相比，为开发智能控制调试装置提供了硬件条件。

Claims (3)

1.一种基于DSP处理器的无刷直流电机调速装置，其特征在于包括：光耦隔离电路、三相逆变器、电流采样电路、调理电路、过电流保护电路、三个霍尔传感器、LED显示器、键盘；

所述光耦逆变电路的输入端与DSP处理器连接，输出端接三相逆变器的输入端；

所述电流采样电路的输入端与三相逆变器的输出端连接，输出端与调理电路的输入端连接；

所述调理电路的第一输出端与DSP处理器连接，第二输出端接过电流保护电路的输入端；

所述过电流保护电路的输出端与DSP处理器连接；

所述三相逆变电路的输出端与无刷直流电机的输入端连接，所述三个霍尔传感器的输入端与无刷直流电机的输出端连接；

所述三个霍尔传感器的输出端、LED显示器、键盘、系统电源电路分别与DSP处理器连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于DSP处理器的无刷直流电机调速装置，其特征在于所述DSP处理器为TMS320F2806芯片。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于DSP处理器的无刷直流电机调速装置，其特征在于还包括与DSP处理器连接的RS-485接口。

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