0 引 言

眾所周知,，直流電動機調(diào)速性能好,，但存在機械換向裝置易造成換向火花、電磁干擾及需要定期維護(hù)等不足,；同步電動機效率高,，功率因數(shù)可調(diào)，但存在啟動困難,，重載時易振蕩失步等問題,。

隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)和新型永磁材料的不斷發(fā)展,，為提出一種利用電子換向原理實現(xiàn)永磁無刷電動機控制創(chuàng)造了條件,。特別是近幾年推出的數(shù)字信號處理器(DSP)芯片，解決了原來微處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，單片微處理速度達(dá)不到實時系統(tǒng)控制的要求,，為無刷電動機的復(fù)雜算法提供了軟硬件基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

無刷電動機屬于一種自控同步電動機,，它主要由DSP電機專用高速處理器芯片,、轉(zhuǎn)子位置傳感器、邏輯驅(qū)動電路,、功率電子開關(guān),、電流和電壓檢測等裝置組成。DSP控制的無刷電動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。其中,，無刷電動機定子繞組為星形接法；DSP控制芯片ADMCF328驅(qū)動專用集成芯片IR2130,；逆變橋采用三相橋式電路,；轉(zhuǎn)子位置檢測器利用霍爾元件檢測，并利用位置信號估算轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速,，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制,。
 

無刷電動機的轉(zhuǎn)子采用永磁體，產(chǎn)生直軸位置的勵磁磁場,，定子為電樞繞組,，通過功率控制器控制各相繞組的通斷狀態(tài)而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,。設(shè)計無刷電動機控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是如果選擇轉(zhuǎn)子位置檢測器，當(dāng)電動機定子電樞系統(tǒng)直接由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制,。當(dāng)電動機速度降低時,，位置檢測器的輸出信號頻率也降低，電樞電流頻率及其旋轉(zhuǎn)磁場的速度也隨之降低,，但若使電樞磁場與勵磁磁場的相對位置仍保持不變,，則電動機就不會失步。同時,，由無刷電動機調(diào)速特性可知,，調(diào)節(jié)直流電壓Ud的大小，可以改變電動機的轉(zhuǎn)速性能,，這與有刷直流電動機有相似的機械特性,。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2．1 控制系統(tǒng)設(shè)計

電動機控制系統(tǒng)采用速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，兩個反饋環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器都采用PID數(shù)字調(diào)節(jié)器,，如圖2所示,。計算電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的目的是為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和計算出電樞電流的指令值。在直流母線上采集電流調(diào)節(jié)器的采樣信號,，采樣信號與前端值比較計算后輸出給PWM同步調(diào)節(jié)器,。電流調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器的計算除了調(diào)節(jié)器設(shè)定的PID參數(shù)KP,，kI和kD外,，還要設(shè)定PWM周期參數(shù)等。
 

2．2 DSP控制板

DSP控制板由ADI公司生產(chǎn)的專用DSP芯片ADMCF328,、硬件控制與恢復(fù)電路等組成,。ADM-CF、328芯片具有強大,、快速的處理能力,，主要完成控制算法的處理、PWM輸出,、模／數(shù)轉(zhuǎn)換,、與上位機通信和輸出顯示等功能。
該芯片只有28個外部引腳,，縮小了控制板尺寸,，提高了系統(tǒng)的可靠性，而且具有價格低等優(yōu)點,。芯片的內(nèi)部集成了一個具有反向功能的5倍放大器,，用于精確的電流采樣，實現(xiàn)電流的閉環(huán)控制,。芯片與IR2130驅(qū)動電路,、轉(zhuǎn)子位置檢測器,、鍵盤和計算機等外設(shè)備連接，可實現(xiàn)無刷電動機的實時控制和運行監(jiān)視,。

2．3 轉(zhuǎn)子位置檢測器

轉(zhuǎn)子位置檢測器是無刷電動機的重要組成部分,，常用的轉(zhuǎn)子位置檢測器有電磁感應(yīng)式、光電式,、霍爾開關(guān)式和接近開關(guān)式。高性能的無刷電機位置檢測器,、磁電碼盤和旋轉(zhuǎn)變壓器式,，可根據(jù)實際控制系統(tǒng)的要求予以選擇。
該系統(tǒng)選用霍爾開關(guān)式轉(zhuǎn)子位置檢測器,，具有性價比高的特點,。它的工作原理是：在霍爾元件的輸入端通入控制電流，當(dāng)霍爾元件受到外磁場作用時,，輸出端便有了信號輸出,，根據(jù)霍爾元件的控制信號便可判斷轉(zhuǎn)子磁極的位置。同時利用定時器確定相鄰兩次霍爾位置狀態(tài)變化所需的時間,，就可以估算出轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)數(shù)和轉(zhuǎn)向,。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計與上述硬件電路密切相關(guān)。軟件程序設(shè)計主要包括主程序和中斷服務(wù)子程序,。主程序主要完成ADFVCF328的初始化,、變量與常量參數(shù)的設(shè)置等。主程序?qū)嶋H上是進(jìn)入一個查詢過程,，程序不斷查詢電壓狀態(tài),、電流狀態(tài)，更新標(biāo)志并調(diào)入換相服務(wù)子程序,，給電動機相應(yīng)的定子繞組通電,。中斷服務(wù)子程序主要完成ADC轉(zhuǎn)換，測量電機定子電流,、直流電壓,、PID數(shù)字比較運算，確定PWM占空比,、PMW周期中斷,，計算及更新PWM寄存器的值。軟件程序設(shè)計還要考慮轉(zhuǎn)子位置傳感器,、霍爾元件信號接口的初始化及功能設(shè)計,、PID數(shù)字反饋系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定等。

由于ADMCF328芯片數(shù)字PIO口以串口多路復(fù)用,，因此選擇引腳時要特別注意,。圖3給出了無刷電動機控制系統(tǒng)中部分主程序和中斷服務(wù)子程序的軟件程序框圖,。
 

DSP芯片軟件編程一般分為兩部分：首先用匯編語言或C語言編寫DSP程序編譯、匯編并鏈接成為可執(zhí)行的DSP程序,；然后利用代碼調(diào)試工具對生成的可執(zhí)行的：DSP程序進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試,。該控制系統(tǒng)可以根據(jù)軟件程序框圖編寫DSP程序代碼清單。

4 結(jié) 語

利用數(shù)字信號處理器(DSP)電機專用高速芯片ADMCF328,、轉(zhuǎn)子位置傳感器,、專用集成芯片IR2130、功率電子開關(guān),、電流和電壓檢測裝置等設(shè)計的無刷電動機控制系統(tǒng),，具有效率高，功率因數(shù)可調(diào),，啟動方便和重載時不失步等優(yōu)點,。無刷電動機選用新型永磁材料和DSP電機專用高速處理器芯片，解決了原來微處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，單片微處理器速度達(dá)不到實時系統(tǒng)控制要求的不足,。用Matlab/Simulink軟件對無刷電動控制系統(tǒng)搭建了仿真模型。仿真輸出的轉(zhuǎn)矩,、轉(zhuǎn)速和電流波形及數(shù)據(jù)證明,，該控制系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)性能好，擾動作用下運行穩(wěn)定,，系統(tǒng)的動態(tài)性能優(yōu)良,。