机电一体化技术无刷直流电机伺服控制系统的研究与设计邱向荣,陈炽坤(华南理工大学,广东广州510640ResearchandDesignofBrushlessDCMotorServoControlSystemQIUXiangrong,CHENChikun(SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China摘要:介绍了一种基于DSP的无刷直流电机伺服控制系统,简述了实现该控制系统的软件和硬件设计方案及控制策略。实验证明,系统高速范围宽,控制性能好,该方案是行之有效的。关键词:无刷直流电机;DSP;伺服控制系统中图分类号:TP391.73文献标识码:A文章编号:10012257(200508002802收稿日期:20050401Abstract:ThispaperpresentsbushlessDCmo2torservocontrolsystembasedonDSP,thenmakesabriefaboutcontrolstrategyanddesignschemeofsoftwareandhardwarethatrealizesthiscontrolsystem.Itisprovedbyexperimentthatsystemhaswidehighspeedrangeandgoodcontrolproperty,soitiseffective.Keywords:BLDCM;DSP;servocontrolsystem0引言无刷直流电机具有简单的电压和电流关系式,控制算法和功率放大器都比较简单,同时具有运行效率高和调速性能好等诸多优点。此外,借助于霍尔元件实现换相的无刷直流电机又避免了直流电机因电刷而引起的各种缺陷。其机械特性和调节特性线性度好,高速范围宽,寿命长,维护方便,可靠性高,噪声较小,不存在换向火花,不会产生对无线电信号的干扰。因此,在高性能、高精度伺服控制系统领域,无刷直流电机具有广泛的应用前景。1控制原理无刷直流电机的本体是一个永磁同步电机,定子三相绕组通过交流方波,转子为永磁体。励磁由转子的永磁体提供,定子的三相绕组中的交流电产生旋转磁场。电枢磁势和转子磁势共同作用产生电磁转矩。其运行原理是在一个具有恒定磁通密度分布的磁极下,保证电枢绕组中通过的电流总量恒定,以产生恒定转矩,而且转矩只与电枢电流的大小有关。由于转子的气隙磁通为梯型波,由电机学原理可知,电枢的感应电动势亦为梯形波,大小与转子磁通和转速成正比。BLDC电机三相电枢绕组的每相电流为120°通电型的交流方波,反电动势为120°梯形波。只要控制好逆变器各桥臂功率器件的开关时刻就能满足上述要求。BLDC三相绕组主回路基本类型有三相半控和三相全控2种。在此采用三相全控式电路,如图1所示。图1三相全控式电路2控制系统软硬件设计2.1硬件结构设计设计采用基于DSP的伺服控制系统。系统所采用的TMS320LF240x芯片包含有32K的FlashEEPROM,把具有低成本、高性能处理能力的C2XLP内核CPU的增强型体系结构设计,与适合于电机控制应用的先进外围设备结合在一起,从而?82?《机械与电子》2005(8最适合于数字电机控制应用[1]。DSP芯片根据系统外设输入的模拟和数字信号,通过运算处理得出电机所需输出的转矩。DSP通过调节PWM波形占空比来达到对电机输出转矩控制的目的。其控制电路如图2所示。在设计过程图2硬件电路中,应考虑对输入信号进行采样与滤波,以抑制某一频率防止干扰信号,使得DSP能接收到精确的输入指令信号。同时,由于电机在运转过程中会使得电路出现过流、过压和欠压等故障,而导致电路中元器件的损坏。这时,一些保护措施是必不可少的。电路中速度、位置和电流反馈提高的控制过程精度,是实现直流无刷电机高精度控制的必要环节。根据无刷直流电机控制原理,功率放大驱动环节采用IR2130三相全控桥功率芯片,经过处理后PWM信号通过DSP的PWM输出端,PWM1,PWM2,PWM3,PWM4,PWM5,PWM6到IR2130,从而驱动无刷直流电机。电流反馈环节采用电阻作为电流传感器,将其安放在电源对地端,实现电流反馈。电流反馈输出经滤波放大电路连接到DSP的ADC输入端AD2CIN00,在每一个PWM周期都对电流进行1次采样,以速度(PWM占空比进行控制。位置检测环节采用3个霍尔传感器。每1个霍尔传感器都产生180°脉宽的输出信号。3个霍尔传感器的输出信号互差120°相位差。在每个机械转中共有6个上升或下降沿,正好对应无刷直流电机的6个换相时刻。通过DSP中CAP1/IPOA1,CAP2/IPOA2,CAP3/IPOA3输入,触发DSP捕捉中断功能从而获得这6个时刻。2.2控制方案直流无刷电机的反电动势大小可表示为如下等式[2]:E=2NlrBω力矩等式可表示为[2]:T=(12i2dLdθ-(12B2dRdθ+(4NπBrlπi式中N每相...
