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基于DSP的網絡化無刷直流電動機控制系統
摘要：設計了一種基于DSP的無刷直流電動機控制系統，對其中的轉子位置檢測電路、驅動電路、保護電路以及驅動器網絡控制等內容進行了詳細的討論，并給出了相應的硬件電路。該設計方案電路簡單、可靠性強，具有較高的應用價值。眾所周期，直流電機具有最優越的調速性能，主要表現在調速方便（可無級調速）、調速范圍寬、低速性能好（啟動轉矩大、啟動電流�。⑦\行平衡、噪音低、效率高等方面。目前無刷直流電機已廣泛應用于數控機床的進給驅動、機器人的伺服驅動以及新一代家用電器的變速驅動中。
為進一步提高控制系統的綜合性能，就無刷直流電機控制系統的控制器而方，近幾年國外一些大公司紛紛推出較MCU性能更加優越的DSP（數字信號處理器）單片電機控制器，如ADI公司的ADMC3xx系列，TI公司的TMS320C24系列及Motorola公司的DSP56F8xx系列。它們都是將一個以DSP為基礎的內核，配以電機控制所需的外圍功能電路，集成在單一芯片內，使價格大大降低且體積縮小、結構緊湊、使用便捷、可靠性提高。其最大速度可達20～40MIPS，指令執行時間或完成一次動作的時間僅為幾十納秒，和普通的MCU相比，運算及處理能力增強10～50倍，確保了系統有更優越的控制性能。
1 系統原理概述
在本文設計的無刷直流電動機控制系統中，采用TI公司的TMS320LF240x芯片作為控制器。TMS320LF240x芯片作為DSP控制器24x系列的新成員，是TMS320C2000平臺下的一種定點DSP芯片。從結構設計上講，240x系列DSP提供了低成本、低消耗、高性能的處理能力，對電機的數字化控制作用非常突出。
在圖1所示的基于TMS320LF240x的無刷直流電動機控制系統中，采用TMS320LF240 DSP作為控制器，處理采集到的數據和發送控制命令。TMS320LF240控制器首先通過三個I/O端口捕捉直流電機上的霍爾元件H1、H2、H3的高速脈沖信號，檢測轉子的轉動位置，并根據轉子的位置發出相應的控制字來改變PWM信號的當前值，從而改變地直流電機驅動電路（全橋控制電路MOSFET）中功率管的導通順序，實現對電機轉速和轉動方向的控制。電機的碼盤信號A、B通過DSP控制器的CAP1、CAP2端口進行捕捉。捕捉到的數據存放到寄存器中，通過比較捕捉到的A、B兩相脈沖值可以確定當前電機的正反轉狀態以及轉速。在系統的運行過程中，驅動保護電路會檢測當前系統的運行狀態。如果系統中出現過流或者欠壓情況，PWM信號驅動器IR2130會啟動內部保護電路，鎖住后繼PWM信號的輸出，同時通過FAULT引腳拉低DSP控制器的PDPINT引腳電壓，啟動DSP控制器的電源驅動保護。這時所有的EV模塊輸出引腳將被硬件置為高阻態，實現對控制系統的保護。該系統中設計的保護電路主要用于保護DSP控制器和電機的驅動電路。
圖2 全橋式電機驅動電路控制原理圖
下面主要介紹系統的轉子位置檢測電路、驅動電路、系統保護電路等。
2 轉子位置檢測電路
2.1 檢測電路應用原理
控制無刷直流電動機時，DSP控制器主要是根據轉子當前的轉動位置，發出相應的控制字，通過改變PWM脈沖信號的占空比來實現對電機的控制。無刷直流電動機的轉子位置是由位置傳感器檢測出來的。在本設計方案中，采用了三個光電式位置傳感器（霍爾元件）。這種傳感器是利用光電效應制成的，由跟隨電動機轉子一起旋轉的遮光板和固定不動的光源及光電管等部件組成。遮光板開有180°左右電角度的縫隙，且縫隙的數目等于無刷直流電動機轉子磁極的極對數。當縫隙對著光電晶體管時，光源射到光電晶體管上，產生“亮電流”輸出。其它光電晶體管因遮光板擋住光線，只有“暗電流”輸出。在“亮電流”作用下，三相繞組中一相繞組有電流導通，其余兩相繞組不工作。遮光板隨轉子的轉動而輪流輸出“亮電流”或“暗電流”的信號，以此來檢測轉子磁極位置，控制電動機定子三相繞組輪流導通，使該三相繞組按一定順序通電，保證了無刷直流電動機正常運行。
隨著電機轉子的旋轉，光電管間歇接收從光源發出的光，不斷導通和截止，從而產生一系列“0”、“1”信號。這些脈沖信號通過I/O口傳輸給DSP，DSP讀取霍爾元件的狀態值，確定轉子當前的位置，通過改變PWM信號輸出的高有效或低效來控制驅動電路，改變MOSFET管的導通順序，很好地實現電機換相的控制；同時改變PWM信號占空比，來調節電機的轉速。電動機驅動電路控制橋功率管的導通順序為Q1Q2、Q2Q3、Q3Q4、Q4Q5、Q5Q6、Q6Q1，為兩兩通電方式。電機轉子每轉一圈，霍爾元件H1、H2、H3會出現六種狀態，DSP對每一種狀態發出相應的控制字，改變電機的通電相序，實現電機的連續運行。
電機驅動電路控制原理圖和電機正轉換相表如圖2和表1所示。
表1 電機正轉換相表
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