摘要：研究了基于dsPIC30F6010的無刷直流電動機有位置傳感器法和反電勢過零檢測法兩大調(diào)速系統(tǒng)。完成了硬件和軟件的設(shè)計，并進行了測試。試驗結(jié)果表明，電機起動穩(wěn)定快速、正常，運轉(zhuǎn)良好，具有較寬的調(diào)速范圍，精度高，滿足了無刷直流電動機高性能伺服控制的準確性與實時性的要求。
關(guān)鍵詞：無刷直流電動機；dsPIC30F6010；有位置傳感器法；反電勢

    無刷直流電動機作為機電一體化產(chǎn)品，由于其既具備交流電動機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點，又具備有刷直流電機的運行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點，同時克服了有刷直流電機由于機械電刷和換向器的存在所帶來的噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等弊病，并且制造成本低，簡化了電機的維修，使得它在工業(yè)上的應(yīng)用也越來越廣泛。本文涉及的系統(tǒng)以dsPIC30F6010為核心的數(shù)字信號控制器(Digital Signal ControlIer，DSC)為基礎(chǔ)，迎合了控制領(lǐng)域的數(shù)字化和智能化的趨勢。目前在控制上較多應(yīng)用以DSP作為控制器，傳統(tǒng)的DSP用做數(shù)字信號處理，使其在滿足系統(tǒng)快速性和實時性的基礎(chǔ)上兼顧控制能力。而dsPIC30F6010作為一款為控制領(lǐng)域應(yīng)用的數(shù)字信號控制器，是一款性價比優(yōu)越的控制器(略低于DSP)，保證控制要求的前提下加快了運算速度。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
1．1 控制器dsPIC30F6010簡介
    dsPIC30F6010為16位(數(shù)據(jù))改進的哈佛結(jié)構(gòu)，是一款專為電機控制應(yīng)用設(shè)計的80引腳的DSC。它運算靈活，數(shù)據(jù)處理能力強(內(nèi)部有兩個40位的累加器)，指令集靈活并且支持小數(shù)運算。該DSC內(nèi)部包含4M×24位的數(shù)據(jù)RAM、4 KB的E2PROM和32 KB的FLASH程序存儲空間，便于構(gòu)成最小的控制系統(tǒng)。該DSC擁有豐富的外設(shè)，適合各種電機的數(shù)字控制，其中專門設(shè)計了8路死區(qū)時間可編程的PWM輸出通道(可控制四相電機)和5個16位計時器，可以直接用于控制電機；具有的4個16位的輸入捕捉和輸出比較功能，可以方便地捕獲電機位置傳感器信號；16通道10位A ／D轉(zhuǎn)換器可用于處理電機速度反饋、電壓、電流等模擬信號的采用，實現(xiàn)電機的各種控制功能；專為編碼器設(shè)計的QEI編碼器接口；而且它具備故障檢測接口，可以很好的對電路進行保護。
1．2 驅(qū)動電路
    智能功率模塊(Intelligent Power Modulation)不但提供一定的功率輸出，并且具有邏輯、控制、傳感、檢測、保護和自診斷等功能。它內(nèi)含驅(qū)動電路、保護電路，可實現(xiàn)過流、短路、欠壓和過壓等保護。由于采用了隔離技術(shù)，散熱更均勻，體積更加緊湊。如果與單片控制芯片結(jié)合則可以實現(xiàn)兩片式集成化控制系統(tǒng)。故成為當(dāng)今電機控制系統(tǒng)開發(fā)者首先考慮的選擇，可提高系統(tǒng)可靠性，大幅度降低開發(fā)時間和費用。
    本文采用的是以三菱公司生產(chǎn)的第三代單電源供電智能功率模塊(IPM)PS21563為核心組成的驅(qū)動電路。并設(shè)計了其外圍電路：光耦電路、自舉電路、短路保護電路。
1．3 有位置傳感器法硬件系統(tǒng)
    給定轉(zhuǎn)速與速度反饋量形成偏差，經(jīng)速度PI調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流參考值，它與電流反饋值的偏差經(jīng)電流PI調(diào)節(jié)后形成PWM占空比的控制量，實現(xiàn)電動機的速度控制。以下為如何根據(jù)位置參數(shù)確定速度以及電流檢測的方法：
    (1)位置檢測與速度反饋值的計算。圖1為無刷直流電動機三個空間上相差120°霍爾信號的電平變化圖形。每一個霍爾傳感器都產(chǎn)生180°脈寬的輸出信號。從圖1中可以看出只要任意一階段電平變化就到了換相時刻，檢測到三個霍爾信號的電平狀態(tài)(這里稱之為換相控制字)即可給相對應(yīng)的開關(guān)管打開或關(guān)閉。

    (2)電流的測量。采樣電流的檢測一般是由采樣電阻或電流傳感器經(jīng)濾波放大后送入控制器進行A／D轉(zhuǎn)換，把數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量。在本試驗中采用0．03 Ω采樣電阻來進行試驗。
    有位置傳感器法無刷直流電動機硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

    圖中A、B、C代表無刷直流電動機定子繞組三相，V1～V6為功率開關(guān)管，由IPM提供。其中整形隔離電路由光耦TLP521對三個霍爾信號進行隔離處理。濾波放大電路主要采用放大器LM324N。
1．4 反電勢過零檢測法硬件系統(tǒng)
    反電勢法的基本原理就是在忽略永磁無刷直流電機電樞反應(yīng)影響的前提下，通過檢測“斷開相”(逆變橋上下功率器件皆處于關(guān)斷的那一相)的反電勢過零點，來依次得到轉(zhuǎn)子的六個關(guān)鍵位置信號，并以此作為參考依據(jù)，輪流觸發(fā)導(dǎo)通六個功率管，驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。三相無刷直流電動機每轉(zhuǎn)過60°電角度需要換相一次，而轉(zhuǎn)過一周需要6個換相點。每一個過零點延遲30°電角度即為換相點，那么只要找到感應(yīng)電動勢過零點，再將其延遲30°電角度即可找到換相點。
    反電勢過零檢測法無刷直流電動機硬件系統(tǒng)框圖如圖3所示。

    從圖2，圖3中可以看出，反電勢法與有位置法硬件上的不同是檢測位置信號的不同。它是由相電壓檢測電路取代位置傳感器和測量電路。采用廉價的分壓電阻和濾波電容組成相電壓測量電路。電流信號和各相電壓信號經(jīng)過放大后，分別與控制器的AN3，AN4，AN5，AN7連接。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    軟件設(shè)計主要采用MPLAB IDE 7．40作為開發(fā)環(huán)境。MPLAB IDE是一種在PC機上運行的軟件，用來為Microchip單片機開發(fā)應(yīng)用程序。軟件設(shè)計根據(jù)前面介紹的控制策略，硬件系統(tǒng)進行編程、調(diào)試，主要完成以下功能：PWM信號的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)子位置檢測、故障引腳的使能、速度和電流的計算等。
2．1 有位置傳感器程序總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
    整個控制系統(tǒng)的軟件部分由主程序、A／D中斷服務(wù)子程序(其中包括速度調(diào)節(jié)子程序和電流調(diào)節(jié)子程序)、電平變化中斷子程序以及故障引腳子程序和中斷陷阱組成。圖4是A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷服務(wù)子程序流程圖。

2．2 反電動勢過零檢測法程序總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
    主要進行了速度調(diào)節(jié)、感應(yīng)電動勢、換相時刻等的電機參數(shù)的計算。設(shè)計了主循環(huán)程序和A／D轉(zhuǎn)換程序。圖5是主循環(huán)程序流程圖。

3 系統(tǒng)測試
    本試驗所用電機為珠海運控電機公司生產(chǎn)的方波驅(qū)動的三相無刷直流電動機。電機內(nèi)置的霍爾位置傳感器采用的是SS40系列的SS41霍尼韋爾開關(guān)量位置傳感器。其相關(guān)參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)速3 000 r／min，額定轉(zhuǎn)矩0．22 N·m，轉(zhuǎn)矩系數(shù)0．052 2 N·m／A，額定電源電壓24 V，額定功率70 W，額定電流5．18 A，5對極，三相繞組電阻0．488 Ω，三相繞組自感1．19 mH，轉(zhuǎn)動慣量1．68×10-5kg·m2，電勢系數(shù)0．048 2 Vs／rad，電氣時間常數(shù)2．44 ms，機械時間常數(shù)0．338 ms。
    進行了開環(huán)實驗和閉環(huán)實驗。在閉環(huán)實驗中，通過將存儲空間中3 000個點的值整理成圖形得到速度曲線如圖6，圖7所示，其橫軸為時間，縱軸為轉(zhuǎn)速。圖6可視為一個二階系統(tǒng)，從中可以看出，采用雙比例調(diào)節(jié)時，電機啟動正常、系統(tǒng)超調(diào)量小、轉(zhuǎn)速精度較高。圖7同樣可視為一個二階系統(tǒng)，從圖中可以看出，采用PI調(diào)速系統(tǒng)時，電機啟動平穩(wěn)、系統(tǒng)超調(diào)量小、轉(zhuǎn)速精度高。

    對無刷直流電動機做了補償，利用4通道數(shù)字示波器觀測并調(diào)整換相點與感應(yīng)電動勢波形換相點的誤差，并與霍爾傳感器做比較。
    在反電動勢過零檢測法中，在補償前圖像如圖8所示，補償后圖像如圖9所示，通過兩者對比可發(fā)現(xiàn)，補償后圖像某一相感應(yīng)電動勢與換相符號之間更為合理，換相點更為精確。其中黃線表示感應(yīng)電動勢波形，藍線表示采樣換相信號，紫線表示霍爾信號電平變化。

4 結(jié)論
    采用dsPIC30F6010專用電機控制芯片，其硬件結(jié)構(gòu)簡單、控制能力強、軟件實現(xiàn)方便、控制精度高、實時性強，能實現(xiàn)更為復(fù)雜的算法，升級空間較大，其高速的執(zhí)行性能和豐富的內(nèi)置資源很好的滿足了高性能無刷直流電動機調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，在電機控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。開環(huán)環(huán)境下可以很迅速的達到速度要求。在閉環(huán)控制中啟動、運行良好，反應(yīng)速度快。