基于DSP的小功率无刷直流风机双闭环控制系统研究

马 宁 胡应洪 王东林

（1.绵阳职业技术学院，四川绵阳621000；2.绵阳安普电器有限公司，四川绵阳621000）

0 引言

小功率无刷直流风机，是指工作电压在DC 5～48 V、输入功率在0.5～144 W范围内，具有软启动功能的直流电机驱动设备。由于应用场合的特殊性，其要求具备无电极换向火花、机械特性和调节特性线性度好、运行可靠、噪声小等优点，被广泛应用于IT、通信、光电产业、汽车电子、3D打印、工业机器人等工业自动化设备。本文研究的无刷直流风机控制系统采用高性能的DSP芯片，采用具有位置、速度反馈的双闭环控制方案，以满足电机控制系统不断增加的计算量和精度控制要求。

1 总体设计方案

以TI公司推出的专用DSP控制器TMS320LF2407A为核心，以Vishay Siliconix公司的SI9979无刷直流电机驱动芯片控制双通道MOSFET桥，实现对无刷直流风机的启动、停止、制动控制。由于驱动电路采用24 V供电，相对于DSP的3.3 V电压，容易导致信号扰动，为了抑制系统噪声，提高系统稳定性，在控制信号与驱动电路间设置了高速光电耦合隔离。HALL元件采集电机转子的位置信号，构成位置环反馈子系统；编码器采集电机转速构成速度环反馈子系统。总体方案如图1所示。

图1 小功率无刷直流风机总体设计框图

1.1 位置环子系统

为了防止电机在运动过程中由于换相出现脉冲捕获丢失而造成定位不精确，对位置信号进行检测，以实现对位置的校正。电机转动一周，定子完成一个换相周期，正常情况下两次换相之间位置的变化应该是定值，即位置反馈信号应该是一个常量，如果两次换相之间位置计数器增量不相同，将使得SI9979的INA、INB、INC输入逻辑发生改变，从而改变加载到MOSFET桥的控制脉冲，以控制开关管的导通顺序，实现精准的位置控制。位置检测通过安装在电机定子侧具有120°电角度的霍尔传感器（HALL IC）实现，检测到的位置脉冲信号被SI9979捕获并进行逻辑分析判断，发出正确及时的换相命令。

1.2 速度环子系统

电机转速的变化通过脉冲编码器转换为对应的脉冲信号，送入DSP内部的编码器信号处理模块，经过预先设计的速度PI控制器的运算，控制PWM信号占空比，实现对驱动信号电流幅值的调节。速度环子系统由脉冲编码器、信号处理电路、捕获单元、速度给定及速度控制器组成。

2 电机驱动逆变电路

电机驱动逆变电路以SI9979为核心，通过光电隔离接收来自DSP处理器的控制信号，SI9979内部集成了输入逻辑电路、功率放大电路、电源分离悬浮电路、斩波电路及电流反馈信号处理电路，具有60°和120°角度选择、PWM输入接收、电机转动方向选择、刹车控制及使能输入，HALL元件检测的电机转子位置信号接入INA、INB、INC输入端，驱动器输出加载到Q1～Q6组成的Y型全桥电路，采用两两导通方式控制无刷直流电机，每一时刻只有两只功率管导通，每隔60°电角度换相一次，每次换相一个功率管，每个功率管导通120°电角度，合成转矩的大小始终保持不变。正转导通顺序为：反转顺序为电机驱动电路如图2所示。

3 控制策略研究与实现

TMS320LF2407A提供了增量式光电编码接口。以EVA为例，使用定时器2作为可逆计数器，编码脉冲通过QEP1、QEP2接入到芯片内部，当QEP1的脉冲超前QEP2的脉冲90°时，定时器2增计数，反之作减计数，当定时器2计数值与周期寄存器2的比较值（TC）相等时产生中断。在中断程序中，读出计数值（m1），即可计算出电机转速为：

式中，pN为每转位置脉冲数。

由于脉冲个数只能是整数，为了抑制无刷直流电机的转矩脉动，减小量化误差，提高测量精度，加入速度PI调节。将转速给定值n*与计算得到的实际转速n的偏差实施PI调节，形成PWM波占空比控制量，实现电机速度控制。

速度PI调节的数学模型为：

式中，nk为当前控制量；ek、ek-1为当前次、前次偏差；Kp、Ki、T为比例、积分、时间常数。

图2 小功率风机电机驱动电路

速度PI调节的输出nk作为PWM的占空比设定值，控制DSP芯片输出PWM波形，算法流程如图3所示。

图3 速度PI调节流程图

TMS320LF2407A可以产生对称、非对称两种PWM信号，非对称PWM信号借助定时器的连续增计数模式，即只是单边脉冲变化，这会导致系统脉冲转矩大、运行不稳定，而对称PWM信号则是借助连续增减计数模式，所以采用对称PWM信号。

TMS320LF2407A的PWM信号控制编程：

（1）初始化比较寄存器ACTRA、定时器2计数器；

（2）设置T2PR，确定PWM周期，初始化CMPR，确定占空比；

（3）设置死区寄存器DBTCONA；

（4）设置T2CON，设定计数模式，启动比较操作。

4 试验测试

风机测试主要是测试其风阻特性。测试过程方法：风机工作电压DC 24 V，当流量为0时达到最大静压，缓慢降低静压，流量逐渐增加，一直到风压为0时达到最大流量，在最大风压及最大流量之间，风机的转速会根据风压而有所变化。

实际测试所得的反映风机风阻特性的静压—流量曲线如图4所示。

5 结语

本文研究设计的小功率无刷直流风机双闭环控制系统试验样机，采用符合JB/T 10562—2006《一般用途轴流通风机技术条件》的变风量双室测试系统测试其风阻特性，测试结果表明，该设计方案系统软硬件设计效果理想，实现了风机转速的稳定控制。该研究成果已进入产品化试生产阶段。

图4 静压—流量曲线