【導讀】眾所周知，無刷直流電機既具有交流電機簡單，運行可靠，維護方便等優(yōu)點，又具有直流電機運行效率高，不受機械換向限制，調(diào)速性能好，易于做到大容量、高轉(zhuǎn)速等特點。本文提出了一種基于TMS320F2812的全數(shù)字永磁無刷直流電機控制方案。
1 引言
TI公司的TMS320F2812數(shù)字信號處理器(DSP)既具有高速信號處理和數(shù)字功能所需的體系結(jié)構。還具有專為電機控制應用提供單片解決方案所需的外圍設備。以TMS320F2812為核心的全數(shù)字電機控制系統(tǒng)極大地簡化了硬件設計，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了成本，并對無刷直流電機的普及應用具有良好的前景。為此，提出了一種基于TMS320F2812的全數(shù)字永磁無刷直流電機控制方案。
2 系統(tǒng)設計方案
該系統(tǒng)設計采用三相Y型永磁方波無刷電機PWM控制方案，通電方式為兩兩通電。圖1給出控制系統(tǒng)原理框圖。它采用全數(shù)字三閉環(huán)控制。其中，電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，速度環(huán)采用遇限削弱積分的積分分離PID控制算法，它的輸出極性決定了正反轉(zhuǎn)方向，從而可實現(xiàn)電機的四象限運行。位置環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器。逆變器采用全橋型PWM調(diào)制。
3 系統(tǒng)硬件設計
圖2給出基于TMS320F2812的無刷直流電機控制系統(tǒng)。采用TMS320F2812作為控制器，用于處理采集到的數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令。TMS320F2812控制器首先通過3個I／0端口捕捉直流電機上霍爾元件H1，H2，H3的高速脈沖信號，檢測轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置發(fā)出相應的控制字，以改變PWM信號的當前值，進而改變直流電機驅(qū)動電路(全橋控制電路IGBT)中功率管的導通順序，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向的控制。電機的碼盤信號A，B通過TMS320F2812 DSP控制器的CAP1，CAP2端口捕捉的。捕捉到的數(shù)據(jù)存儲在寄存器中，通過比較捕捉到A，B兩相脈沖值，以確定當前電機的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)和轉(zhuǎn)速。在系統(tǒng)運行中，驅(qū)動保護電路檢測當前系統(tǒng)的運行狀態(tài)，如果系統(tǒng)中出現(xiàn)過流或欠壓狀況，PWM信號驅(qū)動器(IR2131)啟動內(nèi)部保護電路，鎖存后繼PWM信號輸出，同時通過FAULT引腳拉低TMS320F2812控制器的PDPINTA引腳電壓，啟動DSP控制器的電源驅(qū)動保護。這時所有EV模塊的輸出引腳將被硬件置為高阻態(tài)，從而保護控制系統(tǒng)。以下主要介紹系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)子位置檢測電路、相電流檢測電路、驅(qū)動電路、系統(tǒng)保護電路等。
3．1 轉(zhuǎn)子位置檢測電路
控制無刷直流電機時，DSP控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子的當前轉(zhuǎn)動位置，發(fā)送相應的控制字，通過改變PWM脈沖信號的占空比控制電機。無刷直流電機的轉(zhuǎn)子位置是由位置傳感器來檢測的。該系統(tǒng)設計采用了3個光電式位置傳感器(霍爾元件)，它們是利用光電效應制成的，由跟隨電機轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光板和固定不動的光源及光電管等部件組成。
隨著電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，光電管間歇接收從光源發(fā)出的光，不斷導通和截止，從而產(chǎn)生一系列“0”和“l”的信號。這些脈沖信號通過I／0端口傳輸給DSP，DSP讀取霍爾元件的狀態(tài)值，以確定轉(zhuǎn)子的當前位置。再通過改變PWM信號的占空比控制驅(qū)動電路，改變IGBT的導通順序，實現(xiàn)電機的換相控制．并調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。電機驅(qū)動電路控制橋臂上的功率管導通順序為VQ1，VQ2→VQ2，VQ3→VQ3，VQ4→VQ4，VQ5→VQ5，VQ6→VQ6，VQ1(兩兩通電)。電機轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈，H1，H2，H3將出現(xiàn)10l→100→110→010→011→00l的6種狀態(tài)，DSP對每一種狀態(tài)發(fā)送相應的控制字。改變電機的通電相序，實現(xiàn)電機的連續(xù)運行。圖3給出電機驅(qū)動電路控制原理圖。
3．2 相電流檢測電路
電流反饋通道由霍爾元件、運算放大器和A／D轉(zhuǎn)換器組成。電流反饋采用變比為1：1 000的磁平衡式霍爾元件，該元件的輸出為電流信號，并且信號較弱，必須經(jīng)過精密電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號，再經(jīng)過放大處理，得到電流的雙極性信號。因為DSP中A／D轉(zhuǎn)換單元的輸入范圍是0～3．3 V(單極性)，需要設計將雙極性信號變?yōu)閱螛O性的電路，再送到A／D轉(zhuǎn)換器。圖4給出電路原理圖。
3．3 驅(qū)動電路
電機控制器驅(qū)動電路采用IR2131(見圖5)。IR2131／IR2132是一種采用高壓、高速功率MOSFlET和IGBT的驅(qū)動器。IR2131可同時控制6個功率管的導通和關斷。通過輸出端口H01，H02，H03分別控制三相全橋驅(qū)動電路中上半橋VQ1、VQ5、VQ5的導通和關斷，通過輸出端口L0l、L02、L03分別控制三相全橋驅(qū)動電路中下半橋VQ4、VQ6、VQ2的導通和關斷，從而實現(xiàn)控制電機轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)。
3．4 系統(tǒng)保護電路
在無刷直流電機控制系統(tǒng)中，保護電路具有重要作用，可保護控制系統(tǒng)的核心器件DSP免受高壓、過電流的沖擊，同時也保護電機的驅(qū)動電路免遭損壞。整個系統(tǒng)的保護電路主要由電路隔離、信號隔離和驅(qū)動保護3部分組成。
3．4．1 隔離電路
信號隔離電路是把控制電路與驅(qū)動電路之間的控制信號和驅(qū)動信號通過光電隔離器進行信號隔離，實現(xiàn)不同電壓之間的信號傳輸，如圖6所示。該隔離電路可實現(xiàn)對DSP的6路PWM輸出信號與IGBT的光電隔離，并實現(xiàn)驅(qū)動和電平轉(zhuǎn)換功能。
3．4．2 保護電路
為保證系統(tǒng)中功率轉(zhuǎn)換電路及電機驅(qū)動電路安全可靠工作，TMS320F2812還提供了PDPINT輸入信號，利用它可方便地實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的各種保護功能。圖7給出具體實現(xiàn)電路。各種故障信號由CD8128綜合后，經(jīng)光電隔離輸入到PDPINT引腳。有任何故障狀態(tài)出現(xiàn)時CD8128輸出低電平，PDPINT引腳也被拉為低電平。此時，DSP內(nèi)的定時器立即停止計數(shù)，所有PWM輸出引腳全部呈高阻狀態(tài)．同時產(chǎn)生中斷信號，通知CPU有異常情況發(fā)生。整個過程不需程序干預，全部自動完成，這對實現(xiàn)各種故障狀態(tài)的快速處理非常有用。
4 系統(tǒng)與上位機的通訊
系統(tǒng)采用SCI接口完成與上位機的通訊功能，采用RS－232通信，通過上位機給定位置量．同時控制過程中電機的速度、電流、位置反饋量等參數(shù)，以實時發(fā)送上位機顯示；SPI接口完成串行驅(qū)動數(shù)碼管顯示功能．通過數(shù)字I／O擴展的鍵盤設定位置給定量，由數(shù)碼管顯示。
5 實驗結(jié)果
在硬件電路的基礎上，通過軟件編程得到圖8所示的兩個實驗結(jié)果。其中，圖8(a)為系統(tǒng)在常規(guī)PID控制下的系統(tǒng)跟蹤特性曲線；圖8(b)為系統(tǒng)在模糊PID系統(tǒng)跟蹤特性下的試驗曲線。
6 結(jié)語
采用TMS320F2812為核心設計的數(shù)字伺服系統(tǒng)，解決了伺服系統(tǒng)中PWM信號的生成、電機速度反饋及電機電流反饋問題，方便地實現(xiàn)了保護功能，極大地簡化了系統(tǒng)硬件設計，提高了系統(tǒng)的可靠性，減小了伺服系統(tǒng)的體積。降低了成本(降低約20％)。實驗結(jié)果驗證了該方法的有效性。
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