基于DSP无刷直流电动机控制系统设计

宋连庆　袁世博　韩兴会

（西安工程大学电子信息学院　西安　710048）

1　引言

永磁无刷直流电动机以电子换相器替代了机械电刷和换向器，实现直流电动机的换向，因而具有无机械摩擦、无碳刷磨损、无换向火花、噪声小、寿命长的特点。无刷直流电机被广泛应用在日常家用电器、国家航空航天、医疗器械、以及工业设备自动生产线等相关领域。目前，BLDCM的控制方式主要运用特定的集成电路控制器。特定集成电路控制器具有结构相对简单、性价比较高、外围元器件少的优点，系统的软件和硬件方面，常采用FPGA、DSP等来实现对电机的控制［1］。本文选用TMS320F28335来作为无刷直流电动机的主控芯片，设计了无刷直流电动机控制系统包括软件和硬件两方面。

2　无刷直流电机的工作原理

无刷直流电动机就其基本结构而言是由电动机本体、内置的转子位置传感器和外加在转轴上的转速传感器三部分构成。无刷的转子为永磁材料，定子上绕有三相线圈，线圈通电时产生旋转磁场。从原理上来分析，当电动机定子的合成磁动势与转子永磁磁场在空间上的相位相差90°的时候电磁场转矩就会达到峰值。但在两磁场互相平行时就会变为最弱。电机转子的旋转是由无刷直流电动机定子绕组产生旋转的磁场，而电机转子跟随定子磁场平行的方向转动。控制无刷直流电动机的框图如图1所示，主要由霍尔（HALL）位置传感器的信号检测与控制单元和逻辑功率开关器件两部分构成［2］。逻辑功率开关为控制电路中重要的一环，逻辑功率开关将电源的功率以一定的逻辑规律分配给无刷直流电机定子各相绕组，从而使电动机产生连续不间断的电磁转矩，而各项绕组导通的顺序和时间控制主要由霍尔传感器的信号来决定的。

图1　BLDCM的工作原理图

BLDCM采用两两导通模式，每只开关管导通120°，在任何时候主电路只能有两相绕组导通，每间隔60°电角度就有其中一只开关管保持关断的状态，而另一只开关管则保持开通的状态。而且三相逆变电路上桥臂与下桥臂都只能有一个功率开关器件导通，并且电路运行的过程中一定有一相的上下两个功率开关器件始终处于关断的状态。根据霍尔传感器的输出信号，控制绕组上的功率开关的导通与关断，最终实现电动机旋转。每旋转变化60°电角度，电路中就有一个霍尔传感器改变一次工作状态，每个循环周期变化六次，每转过60°电角度定子绕组就会立即换相一次。电动机在运转过程中，定子通入电流，永磁体转子励磁，两个磁场在空间的作用产生合成磁势，推动转子向前运转［3］。

不同绕组的通电切换，必须在转子转到相应位置时进行，即换相必须及时准确地进行。本文采用有传感器无刷直流电机模型，配备了三个霍尔传感器，它们之间依次相隔120°并按圆形分布安装，输出信号Hall_a，Hall_b，Hall_c，输出波形相差120°，输出的信号高电平与低电平各占一半，分别占180°，在每360°内给出了六个代码，这六个代码具有一定的逻辑顺序，其换相顺序分别为101，100，110，010，011，001，这一顺序与电机的转动方向有这密切关系［4］。三相反电势波形为正负半波并且都有平顶宽度为120°的梯形波，三相之间分别相差120°。无刷直流电机三相反电势和霍尔传感器信号间相位关系如图2所示。

图2　BLDCM反电动势和霍尔传感器信号相位关系

无刷直流电动机的控制的核心是换相，其控制方法是通过DSP即28335的软件来实现，其控制框图如图3所示。无刷直流电动机控制系统为双闭环调速系统，其外环为速度环，内环为电流环，通过双闭环调速调节，得到系统需要的PWM控制信号，但是信号控制哪个开关管的关断，则是由霍尔检测信号来确定的［5］。

图3　基于28335的无刷直流电动机控制框图

3　系统硬件结构

3.1　主回路及驱动回路

三相全控电路作为系统的主回路。在此系统的电路中，采用六只N沟道型号为SPB80N06S2L-07的MOSFET功率管，被用来控制三相绕组的导通与关断。IR2136是高压集成驱动器件，它的电压限定在600V以下，拥有六路输入通道以及六路输出信号，并且只需要一个供电电源就可以完成驱动三相桥式逆变电路的六个功率开关器件的工作，一片IR2136芯片就可替代3片IR2110，使整个系统的驱动电路更加简化并且稳定性更强［6］。驱动电路如图4所示。

图4　驱动电路

3.2　信号检测电路

3.2.1霍尔检测电路

无刷直流电动机上集成霍尔元件，即电机转子位置传感器上带有霍尔元器件，传感器输出的脉冲信号H1、H2、H3被用来检测电机转子的位置。通过转子位置信号来改变电动机驱动电路中功率管的开关顺序，进而实现对电动机转动方向和转速的精准控制，因此，实际霍尔检测信号的获取在BLDCM控制中尤其重要。因为传感器的输出信号往往具有一些干扰的信号，因此送入DSP时还要将其滤波并经施密特触发器整形，如图5所示。霍尔传感器输出的脉冲信号首先经端口的6、7、8端，然后再经电阻、电容组成的滤波电路获得HALL1、HALL2和HALL3，然后再将这三个信号分别输入74HCT14的1、3、5端口经施密特触发器后从74HCT14的 2、4、6输 出 ，输 出 信 号 接TMS320F28335对应的端口，从而判断霍尔信号［7］。

图5　滤波整形电路

3.2.2转速检测电路

检测转速的传感器为2048线的光电编码器，其有四路输出脉冲量信号：A、Aˉ、B、Bˉ，经过施密特整形器74HC14以及差分接收器SN75115整形后发送到28335的增量编码器接口QEP口，DSP判断确定电动机的转动方向和转速n大小只需要检测这两个脉冲序列谁最先到达［8］。图6所示为该转速检测电路图。

图6　转速检测电路原理图

4　控制程序设计

4.1　DSP系统资源分配

DSP是整个BLDCM控制系统的控制核心，需要承担许多功能，这些功能就含有：PWM驱动波的产生，霍尔、电流等信号的采样，故障保护等。现把其他资源分配如下。

1）PWM信号生成。DSP28335的事件管理器模块有EVA和EVB两个。每个管理器包括比较器、通用定时器、捕获单元、PWM单元及正交编码脉冲电路（QEP）。EVA和EVB在外设功能上是一样的，因而对应的外围寄存器组也是一样。比较单元能够产生PWM波形，而每一个比较单元能够产生两个互补的PWM波。三个比较单元生成的六路PWM波，而六路PWM刚好能够驱动一个三相全桥电路。在本文采用的是EVA单元的三对全比较单元产生的死区可编程PWM信号PWM1～PWM6被用来作为驱动管的控制信号［9］。

2）电流检测。电流信号通过互感的输出送入DSP的ADCINA0、ADCINA1及ADCINA2。对电动机三相电流进行控制通常需要三个独立的电流闭环，而无刷直流电动机运用两相导通的方式，即电动机三相定子绕组在某一时刻只有两相通电，导通的两相绕组的电流方向相反，大小相等，因此只需要控制一个电流量。

3）霍尔信号检测。将传感器的输出信号经过整形调理送入DSP的CAP单元，根据每个上升沿或者下降沿的CAP口的状态来决定位置和速度，从而实现电动机正常换相和电动机的速度调节［10］。运用CAP1、CAP2、CAP3为EVA单元中的霍尔信号采样端口，完成霍尔信号检测的工作。

4.2　系统控制软件设计

系统软件控制部分主要包含下面几个方面：

1）主程序，其程序框图如图7所示，主要完成系统的相关初始化功能以及实时性要求不高的事件。

主程序主要完成对各功能模块的初始化，包括外部接口的初始化、事件管理器的初始化、ADC的初始化。主程序在进行必要的初始化工作以后，还要将电动机启动起来用来检测电机转子具体位置，而这是由于电动机在开始启动时，没有捕获中断产生，需将电动机启动起来后才能利用捕获中断进行自动换向［11］。在BLDCM的控制当中，事件管理器起到关键作用，包括霍尔信号的捕获、开关管的换向及PWM控制均由其决定，因此在初始化过程中要设置事件管理器，使之能正常工作。

图7　主程序框图

2）中断子程序，程序框图如图8所示，比较捕获中断程序是无刷直流电动机控制的重要功能，其包含检测正确的霍尔信号序列时的换相工作。

图8　比较捕获中断程序框图

5　BLDCM系统仿真及结果分析

BLDCM调速系统仿真模型的结构框图如图9所示。其转速和电流都采用PI调节。内环是电流环，其主要功能是限制最大电流，电流PI调节器的输出限幅电压限定了逆变电路的最大输出电压［12］。外环是转速环，电流PI调节器的最大输入值受速度PI调节器的限幅电压来决定，它不仅能有效地限制转速波动，而且在动态时电动机的转速能够时刻跟随其给定而发生变化，从而能实取得转速无静差或静差尽可能少。

根据上述在Matlab/Simulink中搭建的BLDCM仿真模型，进行了BLDCM转速电流双闭环控制系统的仿真实验。为了验证所设计的BLDCM控制系统仿真模型的动、静态特性，调速系统先进行了空载启动，参考电机转速n=1000r/min，待进入稳态后，在t=0.5s时速度上升为n=1600r/min，经过约0.1s迅速恢复到平稳状态，稳态时运行无静差可得到，电机转速、电枢电流、电磁转矩如图10所示。仿真波形可以看出，其波形符合理论分析，具有很强的自适应能力，电机转速响应快速并且平稳，电流波形相对较理想。

图9　BLDCM调速系统仿真模型

图10　相电流、转速、电磁转矩波形

6　结语

无刷直流电动机实现了运行稳定，结构简单，启动平稳，使用维护方便等特点。经过近几年的不懈发展与进步其技术已经相对成熟稳定，并在各项领域得到了普遍的运用，本文对它进行研究的目的主要就是为了提高其调速性能［13］。对于实现高精度调速这一要求，有目的性的设计了转速电流双闭环PI调速系统。通过实验结果证明该无刷直流调速系统具有电机控制结构相对简单，自适应强等优良特性，对推广使用无刷电动机具有一定的借鉴意义。

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