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基于DSP的網(wǎng)絡化無刷直流電動機控制系統(tǒng)
摘要：設計了一種基于DSP的無刷直流電動機控制系統(tǒng)，對其中的轉(zhuǎn)子位置檢測電路、驅(qū)動電路、保護電路以及驅(qū)動器網(wǎng)絡控制等內(nèi)容進行了詳細的討論，并給出了相應的硬件電路。該設計方案電路簡單、可靠性強，具有較高的應用價值。關(guān)鍵詞：直流無刷電動機 DSP 網(wǎng)絡伺服控制器
眾所周期，直流電機具有最優(yōu)越的調(diào)速性能，主要表現(xiàn)在調(diào)速方便（可無級調(diào)速）、調(diào)速范圍寬、低速性能好（啟動轉(zhuǎn)矩大、啟動電流�。⑦\行平衡、噪音低、效率高等方面。目前無刷直流電機已廣泛應用于數(shù)控機床的進給驅(qū)動、機器人的伺服驅(qū)動以及新一代家用電器的變速驅(qū)動中。
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為進一步提高控制系統(tǒng)的綜合性能，就無刷直流電機控制系統(tǒng)的控制器而方，近幾年國外一些大公司紛紛推出較MCU性能更加優(yōu)越的DSP（數(shù)字信號處理器）單片電機控制器，如ADI公司的ADMC3xx系列，TI公司的TMS320C24系列及Motorola公司的DSP56F8xx系列。它們都是將一個以DSP為基礎的內(nèi)核，配以電機控制所需的外圍功能電路，集成在單一芯片內(nèi)，使價格大大降低且體積縮小、結(jié)構(gòu)緊湊、使用便捷、可靠性提高。其最大速度可達20～40MIPS，指令執(zhí)行時間或完成一次動作的時間僅為幾十納秒，和普通的MCU相比，運算及處理能力增強10～50倍，確保了系統(tǒng)有更優(yōu)越的控制性能。
1 系統(tǒng)原理概述
在本文設計的無刷直流電動機控制系統(tǒng)中，采用TI公司的TMS320LF240x芯片作為控制器。TMS320LF240x芯片作為DSP控制器24x系列的新成員，是TMS320C2000平臺下的一種定點DSP芯片。從結(jié)構(gòu)設計上講，240x系列DSP提供了低成本、低消耗、高性能的處理能力，對電機的數(shù)字化控制作用非常突出。
在圖1所示的基于TMS320LF240x的無刷直流電動機控制系統(tǒng)中，采用TMS320LF240 DSP作為控制器，處理采集到的數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令。TMS320LF240控制器首先通過三個I/O端口捕捉直流電機上的霍爾元件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)出相應的控制字來改變PWM信號的當前值，從而改變地直流電機驅(qū)動電路（全橋控制電路MOSFET）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DSP控制器的CAP1、CAP2端口進行捕捉。捕捉到的數(shù)據(jù)存放到寄存器中，通過比較捕捉到的A、B兩相脈沖值可以確定當前電機的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)以及轉(zhuǎn)速。在系統(tǒng)的運行過程中，驅(qū)動保護電路會檢測當前系統(tǒng)的運行狀態(tài)。如果系統(tǒng)中出現(xiàn)過流或者欠壓情況，PWM信號驅(qū)動器IR2130會啟動內(nèi)部保護電路，鎖住后繼PWM信號的輸出，同時通過FAULT引腳拉低DSP控制器的PDPINT引腳電壓，啟動DSP控制器的電源驅(qū)動保護。這時所有的EV模塊輸出引腳將被硬件置為高阻態(tài)，實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的保護。該系統(tǒng)中設計的保護電路主要用于保護DSP控制器和電機的驅(qū)動電路。
圖2 全橋式電機驅(qū)動電路控制原理圖
下面主要介紹系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子位置檢測電路、驅(qū)動電路、系統(tǒng)保護電路等。
2 轉(zhuǎn)子位置檢測電路
2.1 檢測電路應用原理
控制無刷直流電動機時，DSP控制器主要是根據(jù)轉(zhuǎn)子當前的轉(zhuǎn)動位置，發(fā)出相應的控制字，通過改變PWM脈沖信號的占空比來實現(xiàn)對電機的控制。無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子位置是由位置傳感器檢測出來的。在本設計方案中，采用了三個光電式位置傳感器（霍爾元件）。這種傳感器是利用光電效應制成的，由跟隨電動機轉(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。遮光板開有180°左右電角度的縫隙，且縫隙的數(shù)目等于無刷直流電動機轉(zhuǎn)子磁極的極對數(shù)。當縫隙對著光電晶體管時，光源射到光電晶體管上，產(chǎn)生“亮電流”輸出。其它光電晶體管因遮光板擋住光線，只有“暗電流”輸出。在“亮電流”作用下，三相繞組中一相繞組有電流導通，其余兩相繞組不工作。遮光板隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動而輪流輸出“亮電流”或“暗電流”的信號，以此來檢測轉(zhuǎn)子磁極位置，控制電動機定子三相繞組輪流導通，使該三相繞組按一定順序通電，保證了無刷直流電動機正常運行。
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”、“1”信號。這些脈沖信號通過I/O口傳輸給DSP，DSP讀取霍爾元件的狀態(tài)值，確定轉(zhuǎn)子當前的位置，通過改變PWM信號輸出的高有效或低效來控制驅(qū)動電路，改變MOSFET管的導通順序，很好地實現(xiàn)電機換相的控制；同時改變PWM信號占空比，來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。電動機驅(qū)動電路控制橋功率管的導通順序為Q1Q2、Q2Q3、Q3Q4、Q4Q5、Q5Q6、Q6Q1，為兩兩通電方式。電機轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈，霍爾元件H1、H2、H3會出現(xiàn)六種狀態(tài)，DSP對每一種狀態(tài)發(fā)出相應的控制字，改變電機的通電相序，實現(xiàn)電機的連續(xù)運行。
電機驅(qū)動電路控制原理圖和電機正轉(zhuǎn)換相表如圖2和表1所示。
表1 電機正轉(zhuǎn)換相表
2.2 霍爾元件信號處理
電動機上的霍爾元件信號發(fā)生時序如圖3所示。
直流電機產(chǎn)生的霍爾元件信號通常高低電平相互覆蓋。而對電機驅(qū)動橋路的控制需要根據(jù)檢測到的三個霍爾元件的每一次跳變，來觸發(fā)控制器進入中斷響應，同時還要記錄霍爾元件的狀態(tài)。因此在設計中對三個霍爾元件做兩步處理：首先把三個霍爾元件的信號接到TMS320LF240的三個I/O引腳上，記錄當前的狀態(tài)；然后把霍爾元件信號作為三路輸入接到CPLD的I/O口，通過編程實現(xiàn)一路連續(xù)的窄脈沖輸出，接到TMS320LF240的CAP3引腳上。每一個脈沖觸發(fā)一次中斷，控制驅(qū)動橋路的導通順序，并根據(jù)當前的霍爾元件狀態(tài)信息對電機的轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)進行控制。
3 驅(qū)動電路
電機控制的驅(qū)動器采用IR2130芯片。IR2130/IR2132（J）（S）是一種高電壓、高速度的功率MOSFET和IGBT驅(qū)動器，工作電壓為10～20V，分別有三個獨立的高端和低端輸出通道。邏輯輸入與CMOS或LSTTL輸出兼容，最小可以達到2.5V邏輯電壓。外圍電路中的參考地運行放大器通過外部的電流檢測電位器來提供全橋電路電流的模擬反饋值，如果超出設定或調(diào)整的參考電流值。IR2130驅(qū)動器的內(nèi)部電流保護電路就啟動關(guān)斷輸出通道，實現(xiàn)電流保護的作用。IR2130驅(qū)動器反映高脈沖電流緩沖器的狀態(tài)，傳輸延遲和高頻放大器相匹配，浮動通道能夠用來驅(qū)動N溝道功率MOSFET和IGBT，最高電壓可達到600V。
IR2130芯片可同時控制六個大功率管的導通和關(guān)斷順序，通過輸出HO1，2，3分別控制三相全橋驅(qū)動電路的上半橋Q1、Q3、Q5的導通關(guān)斷，而IR2130的輸出LO1，2，3分別控制三相全橋驅(qū)動電路的下半橋Q4、Q6、Q2的導通關(guān)斷，從而達到控制電機轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)的目的。
圖4 IR2130的典型電路
IR2130芯片內(nèi)部有電流比較電路，可以進行電機比較電流的設定。設定值可以作為軟件保護電路的參考值，這樣可以使電路能夠適用于對不同功率的電機的控制。IR2130的典型電路如圖4所示。
4 系統(tǒng)保護電路
在無刷直流電動機控制系統(tǒng)中，保護電路占據(jù)著很重要的地位，主要作用是保護控制系統(tǒng)的核心部件DSP免受高電壓、過電流沖擊，同時也保護電機的驅(qū)動電路免受損壞。整個系統(tǒng)的保護電路主要由三部分組成：電路隔離電路、信號隔離電路、驅(qū)動保護電路。
電路隔離電路選用內(nèi)部帶有隔離變壓器的電壓模塊，把電機驅(qū)動電壓控制部分的電壓隔離開，分成兩套供電系統(tǒng)：5V供電系統(tǒng)和24V供電系統(tǒng)。這樣當驅(qū)動電路部分發(fā)生異常情況時，不會從電源部分影響到控制電路，實現(xiàn)控制電路的保護作用。
信號隔離電路主要是把控制電路和驅(qū)動電路之間的控制和驅(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。由于本系統(tǒng)中的PWM脈沖信號的輸出頻率比較高，為了避免信號損失和失真，這里采用6N137光電隔離器。
系統(tǒng)的驅(qū)動電路保護作用主要是由IR2130驅(qū)動器來實現(xiàn)的。IR2130驅(qū)動器保護電路主要有兩部分：自保護電路和過電流欠電壓保護電路。
自保護電路如圖5所示。外圍電路中的參考地運算放大器通過引腳VsO的設定值與流入CA-引腳的電流在反饋電阻上產(chǎn)生的電壓相比較，如果超出設定或調(diào)整的VsO參考值，IR2130驅(qū)動器的內(nèi)部電流保護電路啟動關(guān)斷輸出通道，實現(xiàn)電流保護的作用。IR2130芯片內(nèi)部也有硬件保護電路。如果負載或驅(qū)動電路出現(xiàn)過電流或欠電壓的情況，IR2130驅(qū)動器的FAULT引腳會輸出制動信號，通常這個輸出信號接到DSP的PDPINT引腳上，拉低PDPINT引腳的輸入電平，關(guān)斷DSP的所有輸出并置為高阻狀態(tài)，實現(xiàn)整個控制電路的保護作用。
5 網(wǎng)絡化接口設計原理
為了適應網(wǎng)絡發(fā)展的要求，必然要求微處理器控制設備提供各種網(wǎng)絡通信接口。傳統(tǒng)的單片機對于網(wǎng)絡支持不足，而新一代的微處理器已經(jīng)開始內(nèi)嵌網(wǎng)絡接口，除了支持TCP/IP協(xié)議外，有的還支持USB、CAN、BLUETOOTH等通信接口，同時也提供相應的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅(qū)動軟件。
通過網(wǎng)絡控制無刷直流電動機的運行可以說是該控制系統(tǒng)的一個特色。通常是無刷直流電動機的控制系統(tǒng)都是單機控制或采用雙控制器進行控制，很少通過網(wǎng)絡來控制。本控制系統(tǒng)采用RS485通訊接口進行網(wǎng)絡化數(shù)據(jù)傳輸。主要的網(wǎng)絡傳輸示意圖如圖6所示。上位機或PC機為每個控制模塊軟件分配地址，發(fā)送數(shù)據(jù)給每個模塊，而主機在發(fā)送數(shù)據(jù)時主要是通過分配給每個模塊的地址識別發(fā)送對象。網(wǎng)絡系統(tǒng)上電后，在進行網(wǎng)絡初始化之前，除了主機的組地址和地址可以確定外，所有驅(qū)動器模塊組地址和地址都是0xFF，表示該驅(qū)動器模塊只在0xFF這個全體組內(nèi)，且地址沒有初始化。由硬件的連接方式?jīng)Q定，此時網(wǎng)絡的下一個驅(qū)動器模塊處于等待網(wǎng)絡初始化指令狀態(tài)，主機應當發(fā)送一個地址分配指令對該驅(qū)動器模塊進行地址分配。一旦該驅(qū)動器模塊地址分配成功，它便通過硬件向下一個驅(qū)動器模塊傳遞信息，表示自身已經(jīng)分配完畢。然后主機的下一個地址分配指令將作用于下一個驅(qū)動器模塊。這個過程將一直持續(xù)下去，直到主機在發(fā)送地址分配指令后收到分配成功的反饋信息為止，此時表示沒有需要分配的驅(qū)動器模塊了。至此網(wǎng)絡初始化完畢。在網(wǎng)絡已經(jīng)建立好的情況下，主機可以通過發(fā)送網(wǎng)絡復位指令，使所有驅(qū)動器模塊復位為剛上電的狀態(tài)，然后再次進行初始化，即提供了網(wǎng)絡“熱”重建能力。
無刷直流電機配以高性能高速實時數(shù)字控制器構(gòu)成的調(diào)速裝置，整個系統(tǒng)控制相對簡單、成本低、轉(zhuǎn)速平衡、噪音低，特別適合在家用電器產(chǎn)品中應用。同時，也可推廣到其它工業(yè)應用領(lǐng)域，如機床、機器人和電梯驅(qū)動等。
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