利用DSP控制直流无刷的电机

直流无刷电机实际属于永磁同步电机,一般转子为永磁材料,随定子磁场同步转动。这种电机结构简单,而且由于移去了物理电刷,使得电磁性能可靠,维护简单,从而被广泛应用于办公自动化、家电等领域。直流无刷电机运行过程要进行两种控制,一种是转速控制,也即控制提供给定子线圈的电流;另一种是换相控制,在转子到达指定位置改变定子导通相,实现定子磁场改变,这种控制实际上实现了物理电刷的机制。因此这种电机需要有位置反馈机制,比如霍尔元件、光电码盘,或者利用梯形反电动势特点进行反电动势过零检测等。利用光电编码器的系统在软件实现上更方便。电机速度控制也是根据位置反馈信号,计算出转子速度,再利用PI或PID等控制方法,实时调整PWM占空比等来实现定子电流调节。因此,控制芯片要进行较多的计算过程。当然也有专门的直流无刷电机控制芯片;但一般来说,在大多数应用中,除了电机控制,总还需要做一些其他的控制和通信等事情,所以,选用带PWM,同时又有较强数学运算功能的芯片也是一种很好的选择。Motorola的数字信号处理器DSP568__系列整合了通用数字信号处理器快速运算功能和单片机丰富的特点,使得该系列特别适合于那些要求有较强的数据处理能力,同时又要有较多控制功能的应用中,对直流无刷电机的控制就是这一系列DSP的典型应用之一。

直流无刷电机结构和连接

三相直流无刷电机采用二二导通、三相六状态PWM调制方式。电机定子绕组轴向示意图如图1所示。>:请记住我站域名/

当电流从A到B时,定子绕组产生的磁场为图1中A-B方向,如果电机顺时针运行,此时,永磁转子磁场应位于III区,产生的扭矩最大。当转子转过III区和IV区的交界,到达IV区时,定子绕组电流应相应改变成为从A到C,即产生的磁场成为图1中A-C方向。

这样,定子磁场总超前转子磁场约90°,使转子不断的向前跟进。实现这个过程的关键是取得转子位置,积分编码器就起这个作用,如它的三路输出:PHASEA、PHASEB、PHASEC,在转子分别位于图1中的I到VI各区时,输出信号相应为:011、001、101、100、110、010。这样,通过捕捉积分编码器任一路输出上的跳变沿,读取跳变沿后的积分编码器输出状态,就可以确定转子的新位置,实现定子绕组电流换向。同时,利用定时器检测两次换向之间的时间间隔,计算出电机运行的速度,再通过调整PWM信号的占空比,调整定子电流,实现调速。

DSP568__中使用到的主要模块

在Motorola的DSP568__系列数字信号处理器的软件开发包中,给出了一个利用上述思路对直流无刷电机控制的应用程序:bldc_sensors。主要用到了DSP的脉宽调制PWM模块、定时器模块、相位检测器DECODER模块。

PWM模块共有六路输出,分别用来控制三相的顶底共六个功率管。

模块可以被配置成互补通道模式,即PWM0与PWM1为一对互补对,共三对互补对,如图2所示。互补对内的两个信号可以在芯片内部被互相交换,如图2中C相所示;也可以同时被屏蔽,使得输出全为0,该相就关断,如图2中A相所示。

定时器模块是最普通的外设,在这个应用中,使用了5个定时器模块,它们分别是A0、A1、A2、A3和D0。前3个分别接积分编码器的一路输出,利用它们的输入捕捉功能,产生中断,在中断子程序内检测新的积分编码器输出状态,实现换相。A3接的也是积分编码器的一路输出,它用来测量某路霍尔信号两个跳变沿间的时间间隔,计算转子速度。D0用来产生20ms间隔的节拍,周期性的对系统状态进行转换和检测。

相位检测器DECODER模块对于电机控制非常有用,它不仅能用于本文所说的六状态积分编码器,还能用于转子每转一圈产生相当多数目脉冲的积分编码器。该模块框图如图3所示。

但在本应用中,只用到了它的干扰信号滤波器,即使用了积分编码器的三路输出经过滤波后的值。六状态积分编码器的三个输出PHASEA、PHASEB、PHASEC分别接到相位检测器的PHASEA、PHASEB、INDEX三个输入端上。