TMS320C2812在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制中的應(yīng)用研究

　　1 引 言

　　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是一種用電子換向的小功率直流電動(dòng)機(jī)。又稱無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)、無(wú)整流子直流電動(dòng)機(jī)。它是用半導(dǎo)體逆變器取代一般直流電動(dòng)機(jī)中的機(jī)械換向器，構(gòu)成沒(méi)有換向器的直流電動(dòng)機(jī)。這種電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，沒(méi)有火花，電磁噪聲低，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代生產(chǎn)設(shè)備、儀器儀表、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和高級(jí)家用電器。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由一臺(tái)同步電機(jī)、一組轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器和一套受位置檢測(cè)器控制的自控式逆變器組成。中小型電機(jī)的逆變器一般由晶體管組成；大型電機(jī)的逆變器通常采用晶閘管構(gòu)成，稱為晶閘管電動(dòng)機(jī)。

　　近年來(lái)，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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)被廣泛應(yīng)用在航空、航天及電氣傳動(dòng)等方面。在高精度電機(jī)控制系咎中，采用無(wú)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(shì)，更好地發(fā)揮無(wú)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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制的過(guò)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，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。

　　TMS320F2812的幾個(gè)特點(diǎn)：

　?。?）速度方面 TMS320F2812最高工作頻率為150MHz（30MHz的品振經(jīng)過(guò)倍頻而得到）；

　　（2）AD精度 TMS320F2812的AD采樣精度可以達(dá)到12位：

　?。?）運(yùn)算方面 TMS320C2812是32位的定點(diǎn)DSP,可以方便地運(yùn)行32位與32位的乘法，能滿足高精度與快速計(jì)算的要求。

　　2.2 PWM控制信號(hào)的產(chǎn)生

　　根據(jù)無(wú)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(guò)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(guò)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，產(chǎn)生出對(duì)稱的三角波信號(hào)，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(wú)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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(zhǎng)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(shì)與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(guò)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(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

　　3 系統(tǒng)及硬件組成

　　無(wú)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(wú)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(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)定子繞組的位置。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)。

　　3.2 功率變換電路及驅(qū)動(dòng)電路

　　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(guò)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(guò)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(cè)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(guò)程序設(shè)定的電機(jī)給定轉(zhuǎn)速為320 rad/s.

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　試驗(yàn)波形表明，利用TMS320C2812型DSP構(gòu)建的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器控制方式簡(jiǎn)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)。