0 引 言

稀土永磁無刷直流電機(jī)采用高性能的稀土永磁材料和非接觸換相技術(shù)，體積小,，效率高,，無電火花，工作可靠,，同時(shí)又具有類似普通直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能,，廣泛應(yīng)用于航空航天、精密儀器和工業(yè)控制自動(dòng)化等領(lǐng)域。無刷直流電機(jī)采用電子換相裝置,，沒有機(jī)械電刷,；采用永磁體轉(zhuǎn)子，沒有激磁損耗,；發(fā)熱的電樞繞組置于外圍的定子上,，散熱性好，效率高,，過載能力強(qiáng),，無換相火花，在高轉(zhuǎn)速領(lǐng)域尤為適合,，是高速電機(jī)的一個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向,。

目前，在一些特殊領(lǐng)域,，對(duì)電機(jī)體積,、連線數(shù)目以及可靠性等方面有著嚴(yán)格要求，在這些場(chǎng)合,，無位置傳感器無刷直流電機(jī)(BLDCM)就成了理想的選擇,。課題利用DSP，CPLD等數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)體積較小的高轉(zhuǎn)速,、高可靠性電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng),。系統(tǒng)采用兩相無刷直流電機(jī)，以無位置傳感器方式,，用電機(jī)繞組的反電勢(shì)作為信號(hào),，由CPLD生成電機(jī)換相時(shí)序，通過硬件啟動(dòng)和鎖相環(huán)跟蹤,，實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷直流電機(jī)的穩(wěn)速控制,。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)和電子控制線路簡單、運(yùn)行可靠,、維護(hù)方便等特點(diǎn),。

1 無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

以兩相導(dǎo)通、三相星形六狀態(tài)為例,，無刷直流電機(jī)三相繞組的電壓平衡方程為：

式中：uA,，uB，uC為定子相繞組電壓,；eA,，eB，eC為定子相繞組電動(dòng)勢(shì),；iA,，iB,，iC為定子相繞組電流；L為定子每相繞組自感,；M為定子每兩相繞組間的互感,；R為三相定子電阻；p為微分算子,。

由式(1)可以得到永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的等效電路模型,，如圖l所示。

定子繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：

永磁無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：Tn為電磁轉(zhuǎn)矩,；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩,；B為阻尼系數(shù)；ω為電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速,；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,。

2 控制系統(tǒng)的控制策略和硬件組成

2．1 控制系統(tǒng)的控制策略

系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制,，用數(shù)字器件構(gòu)成速度控制部分,，電流環(huán)采用傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器。DSP作為中央控制器,，發(fā)出各種指令,，并構(gòu)成速度回路的PI調(diào)節(jié)器，可以進(jìn)行智能PID控制,； CPLD一部分構(gòu)成鎖相環(huán)用以檢測(cè)輸入頻率與反饋頻率的誤差值,，另一部分利用電樞反電勢(shì)產(chǎn)生逆變器的換相控制信號(hào)。系統(tǒng)的控制原理框圖如圖2所示,。

2．2 控制系統(tǒng)的硬件組成

無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件連接框圖如圖3所示,，主要由無刷直流電機(jī)、逆變器,、控制器和電源等組成,。

由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，達(dá)到19 500 r／min,，所以采用運(yùn)算速度較快的大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?CPLD)進(jìn)行速度反饋和電機(jī)換相信號(hào)的處理，TMS320F2812(DSP)構(gòu)成速度控制器,。電機(jī)的速度反饋量經(jīng)CPLD的內(nèi)置鎖相環(huán)74LS297處理,，產(chǎn)生偏差量輸入DSP進(jìn)行速度回路校正，經(jīng)4通道,、12位分辨率的D／A轉(zhuǎn)換器 DAC7724輸給電流控制器,，經(jīng)電流校正后進(jìn)入逆變器，EPM7128S(CPLD)接收電機(jī)繞組的反電勢(shì)產(chǎn)生控制4組功放開關(guān)的導(dǎo)通信號(hào),。電機(jī)有A,， B兩個(gè)繞組，兩個(gè)繞組依次正,、反導(dǎo)通,，按照A-B-A-B的順序連續(xù)給定子繞組通電，則轉(zhuǎn)子就以一定的轉(zhuǎn)速順時(shí)針旋轉(zhuǎn),。

控制系統(tǒng)的DSP核心控制部分的硬件電路連接圖如圖4所示,。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由DSP程序和CPLD程序兩部分組成。進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí),，先進(jìn)行系統(tǒng)分析,，將整個(gè)程序按功能需求劃分子模塊?？紤]到控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求,，采用中斷方式編程，整個(gè)DSP軟件系統(tǒng)由一個(gè)主程序和若干中斷服務(wù)程序組成,。

主程序的作用主要是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化,，包括對(duì)DSP本身寄存器、中斷,、定時(shí)器,、GPIO等進(jìn)行初始化。初始化DSP,，使其內(nèi)部產(chǎn)生工作時(shí)鐘,；初始化DSP 內(nèi)部模塊；禁止全局中斷,，初始化中斷向量表,，根據(jù)需要對(duì)中斷進(jìn)行設(shè)置；打開全局中斷,，進(jìn)入循環(huán)等待主程序,，等待內(nèi)部和外部中斷信號(hào)。中斷子程序完成轉(zhuǎn)速環(huán)的校正控制任務(wù),。DSP中斷子程序的流程圖如圖5所示,。

CPLD部分完成電機(jī)的換相處理和速度反饋控制功能，采用圖形化設(shè)計(jì)和VHDL語言混合設(shè)計(jì)完成時(shí)序部分的編寫,。CPLD接收電機(jī)繞組反電勢(shì),，經(jīng)片內(nèi)邏輯電路處理，形成4路逆變器的導(dǎo)通控制信號(hào),，用以控制電機(jī)繞組的加電順序,；通過CPLD內(nèi)置的數(shù)字鎖相環(huán)74LS297進(jìn)行鎖相處理，完成對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的恒定控制,。利用CPLD將鎖相環(huán)和換相處理電路封裝在一起,，形成一個(gè)完整的速度反饋控制模塊,。CPLD部分程序流程圖如圖6所示。