TMS320C2812在無刷直流電動(dòng)機(jī)控制中的應(yīng)用

1引  言

    近年來，由于新型稀土永磁材料的出現(xiàn)，采用電子換向裝置的的稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)在航空、航天和電氣傳動(dòng)等方面的應(yīng)用日益廣泛。在高精度電機(jī)控制系咎中，采用無刷直流電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置可使其在重量、功率及控制特性方面有很大的改善。TI公司新推出的TMS320C2812是定點(diǎn)DSP數(shù)字信號(hào)處理器，作為電機(jī)控制系列專用高端產(chǎn)品，在實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制中能充分利用其高精度處理器的優(yōu)勢，更好地發(fā)揮無刷直流電動(dòng)機(jī)良好的控制特性。本文主要介紹利用這種型號(hào)的DSP實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)控制的過程及達(dá)到的效果。

2 基本結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

2．1 TMS320C2812的基本結(jié)構(gòu)

    TMS320C2812型DSP是TI公司C2000系列電機(jī)控制專用電路的高端產(chǎn)品，是定點(diǎn)32位數(shù)字信號(hào)處理器，指令周期可達(dá)150 MHz．內(nèi)含128位Flash和兩個(gè)通用事件管理器,可用于捕獲位置脈沖和編碼脈沖，產(chǎn)生脈寬調(diào)制輸出信號(hào)：還有16通道12位高精度MD轉(zhuǎn)換模塊，并可拓展外部存儲(chǔ)器。這種DSP可以滿足各類復(fù)雜電機(jī)的控制。

2．2  PWM控制信號(hào)的產(chǎn)生

    根據(jù)無刷直流電機(jī)的控制需要．由DSP產(chǎn)生PWM控制信號(hào)。下面以單路PWM信號(hào)的產(chǎn)生過程為例，如圖1所示，DSP事件管理器A中的定時(shí)器l作為產(chǎn)生PWM信號(hào)的時(shí)基，通過控制寄存器T1CON和給定定時(shí)周期TlPR設(shè)置時(shí)鐘周期．定時(shí)器計(jì)數(shù)模式為連續(xù)增減模式；通過寄存器(COM-CONA)設(shè)置比較單元的各個(gè)參數(shù),產(chǎn)生出對(duì)稱的三角波信號(hào)，在寄存器CMPRl和ACTRl中分別設(shè)置閾值和比較輸出方式，設(shè)定的閾值實(shí)時(shí)與三角波信號(hào)比較，得到相應(yīng)占空比的PWM信號(hào)。

    圖2所示是PWM比較產(chǎn)生的原理,如圖所示．ACTRl設(shè)置為高電平有效，即在寄存器CMPRl中設(shè)置閾值小于三角波的值時(shí)輸出為無效的低電平。當(dāng)閾值大于三角波的值時(shí)，輸出為有效的高電平。

    理想的無刷直流電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢的計(jì)算公式是：
    E=3/3πpβLrω (1)
    式中：NP是通電導(dǎo)體數(shù)；β是永磁體產(chǎn)生的氣隙磁通密度；L是轉(zhuǎn)子鐵心長度：r是轉(zhuǎn)子半徑：ω是轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度。

    由式(1)可以看出，感應(yīng)電動(dòng)勢與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比。感應(yīng)電動(dòng)勢E與直流電源電壓U的關(guān)系為：
    E=dU
    式中：d為控制信號(hào)有效電平的占空比。直流電源電壓恒定，可推導(dǎo)出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與占空比d成正比，因此可以通過調(diào)整d的大小即調(diào)整PWM信號(hào)有效電平的寬度達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。
 
    由DSP產(chǎn)生的PWM信號(hào)根據(jù)相應(yīng)寄存器設(shè)置，由于定時(shí)器1采用連續(xù)增減計(jì)數(shù)模式．故有效電平的占空比d的表達(dá)式為
    d=(2T1PR-2CMPRl)／2T1PR (3)
    結(jié)合式(1)和(2)，在程序設(shè)計(jì)上，可以改變CMPRl的值來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3 系統(tǒng)及硬件組成

    無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)由TMS320C2812型DSP、功率變換電路及執(zhí)行電機(jī)組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

3．1 執(zhí)行電機(jī)與轉(zhuǎn)子位置傳感器

    系統(tǒng)中采用的是四通電機(jī)公司無刷直流電動(dòng)機(jī)系列中的永磁方波電機(jī)，電機(jī)集成了霍爾傳感器作為轉(zhuǎn)子的位置傳感器，實(shí)時(shí)檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)定子繞組的位置。實(shí)時(shí)輸出3路位置脈沖信號(hào)HU．HV，HW，根據(jù)3路信號(hào)的不同組合。共有6個(gè)狀態(tài)．循環(huán)5次，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)360°的過程中，共有30個(gè)狀態(tài)可以用來精確判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)子所在的位置．為實(shí)現(xiàn)DSP對(duì)電機(jī)的控制提供反饋位置和速度信號(hào)。

    功率變換電路主要包括整流、濾波、逆變及保護(hù)隔離電路。采用三菱公司生產(chǎn)的PSll032型ASIPM智能一體化模塊作為高度集成化的功率模塊，ASIPM內(nèi)部集成了整流橋、逆變橋及隔離保護(hù)電路，便于提高控制效果和減小功率。

3．3 外部隔離和電平轉(zhuǎn)換電路

    系統(tǒng)采用TLP521型光耦電路作為霍爾傳感器和DSP捕捉引腳的接口。對(duì)傳感器的位置脈沖信號(hào)進(jìn)行濾波和保持；采用HP4504型光耦電路將DSP輸出的3．3 V高電平轉(zhuǎn)換為ASIPM模塊需要的標(biāo)準(zhǔn)5V高電平。

    針對(duì)此系統(tǒng)中的Y型聯(lián)結(jié)三相繞組電機(jī)，根據(jù)ASIPM模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)．控制電路采用兩兩導(dǎo)通方式。DSP產(chǎn)生的PWM信號(hào)的相序如圖4所示。6路PWM控制信號(hào)經(jīng)由光耦電路輸入到ASIPM模塊逆變橋的6路開關(guān)控制端UP、UN、VP、VN、WP和WN,驅(qū)動(dòng)功率模塊帶動(dòng)電機(jī)，通過調(diào)整占空比的大小達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。

    圖5示出經(jīng)過HP4504型光耦電路前后的波形,左右兩圖分別為不同占空比下測得到的PWM信號(hào)波形。其上部波形為DSP輸出的PWM信號(hào)，高電平有效,下部波形為經(jīng)光耦后的信號(hào)，反相后輸入到ASIPM模塊，低電平有效。通過程序設(shè)定的電機(jī)給定轉(zhuǎn)速為320 rad／s。

4  結(jié)束語

    試驗(yàn)波形表明,利用TMS320C2812型DSP構(gòu)建的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器控制方式簡單，輸出信號(hào)穩(wěn)定,調(diào)速性能良好，可以應(yīng)用于各種高精度調(diào)速系統(tǒng)和位置伺服系統(tǒng)。