基于ADMCF34X系列直流無刷電機控制系統(tǒng)設計 - 全文

　　0 引言

　　直流無刷電機實際屬于永磁同步電機，一般轉(zhuǎn)子為永磁材料，隨定子磁場同步轉(zhuǎn)動。這種電機結(jié)構(gòu)簡單，而且由于移去了物理電刷，使得電磁性能可靠，維護簡單，從而被廣泛應用于辦公自動化、家電等領域。直流無刷電機的運行過程要進行兩種控制，一種是轉(zhuǎn)速控制，也即控制提供給定子線圈的電流；另一種是換相控制，在轉(zhuǎn)子到達指定位置改變定子導通相，實現(xiàn)定子磁場改變，這種控制實際上實現(xiàn)了物理電刷的機制。因此這種電機需要有位置反饋機制，比如霍爾元件、光電碼盤，或利用梯形反電動勢特點進行反電動勢過零檢測等。電機速度控制也是根據(jù)位置反饋信號，計算出轉(zhuǎn)子速度，再利用PI或PID等控制方法，實時調(diào)整PWM占空比等來實現(xiàn)定子電流調(diào)節(jié)。因此，控制芯片要進行較多的計算過程。當然也有專門的直流無刷電機控制芯片，但一般來說，在大多數(shù)應用中，除了電機控制，總還需要做一些其他的控制和通信等事情，所以，選用帶PWM、同時又有較強數(shù)學運算功能的芯片也是一種很好的選擇。

　　ADI的數(shù)字信號處理器ADMCF34X系列整合了通用數(shù)字信號處理器快速運算功能和單片機外圍豐富的特點，使得該系列特別適合于那些要求有較強的數(shù)據(jù)處理能力，同時又要有較多控制功能的應用中，對直流無刷電機的控制就是這一系列DSP的典型應用之一。

　　1 ADMCF340芯片簡介

　　ADMCF340集成了一個20 MIPS定點DSP內(nèi)核和一整套外部接口。其中的DSP是完全與ADSP-2100系列數(shù)字信號處理器兼容的，這為熟悉ADSP-2100系列的用戶使用該控制器帶來了便利。

　　ADMCF340包括一個三相16位基于中心點脈寬調(diào)制（PWM）發(fā)生器，可編程脈寬調(diào)制，脈沖分辨率達50 ns，可編程窄脈沖檢測，最低開關頻率可至153 Hz，雙／單脈沖工作時間更新方式控制，死區(qū)可編程控制器；13個模擬輸入通道，高達12位的分辨率；3個雙極性模擬電流Isense輸入引腳，并具有可編程采樣和保持放大器以及過電流保護；兩個可用于模擬量輸出的輔助PWM輸出通道；25個引腳數(shù)字輸入／輸出I／O口，均可獨立配置成中斷源輸入，可用于捕捉直流無刷電機的換相。

　　2 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

　　對BLDC電機的控制可分為兩個分立的過程。

　　第一，保持轉(zhuǎn)子和定子磁場同步；

　　第二，控制定子的電流值。這兩個過程都要經(jīng)過逆變器實現(xiàn)。磁場同步信號來自于位置傳感器，根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置DSP處理器決定適當?shù)木w管的導通。

　　電流控制一般采用PWM模式，根據(jù)電流誤差信號調(diào)節(jié)PWM信號的占空比。因此，電流值和電流的變化率都可以被控制。電流取樣電路僅用一只串聯(lián)取樣電阻即可完成。如圖1所示，其阻值由電機的最大電流決定，即分壓電阻上的最大壓降不超過0．5 V。圖1中RC電路有兩個作用，一是濾掉換相噪聲，二是濾掉斬波噪聲。

　　3 控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

　　對于直流無刷電機的控制，軟件上的內(nèi)容是主體。本文中三相直流無刷電機采用PID算法實現(xiàn)全數(shù)字雙閉環(huán)控制。即給定轉(zhuǎn)速與速度反饋量形成偏差，即速度調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流參考量，它與電流反饋量的偏差經(jīng)電流調(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，如圖2所示。

　　軟件主要包括兩個模塊，初始化模塊和運行模塊。初始化模塊只在電機啟動時執(zhí)行，運行模塊式一個等待循環(huán)，等待PWM中斷和換相中斷。等待循環(huán)中也可寫入用戶控制程序?？傮w結(jié)構(gòu)如圖3所示。每一個PWM周期都產(chǎn)生中斷請求，并讀取1次A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。中斷服務流程如圖4所示。由變量PWM_count進行中斷計數(shù)。每四個中斷進行1次PWM脈寬調(diào)節(jié)。PWM中斷服務程序執(zhí)行需要30個CPU周期，大約1．5μs。

　　直流無刷電機的換相由捕捉中斷子程序完成。在捕捉中斷子程序中完成了速度計算、讀取換相控制字和換相操作。

　　4 結(jié)語

　　ADI的數(shù)字信號處理器ADMCF34X系列憑借著較強的數(shù)據(jù)處理能力和強大豐富的外圍，尤其是25個可獨立配置成I／O口或中斷的PIO口、PWM調(diào)制以及13路12位ADC等模塊，非常適用于直流無刷電機控制這樣的實時應用中。后臺方式控制算法的反應速度快，代碼量少，在直流無刷電機等控制過程不很復雜，但對于實時性要求較高的場合，有比較好的特性。