0 引 言
眾所周知,，直流電動機調速性能好,，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等不足,；同步電動機效率高,，功率因數(shù)可調，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、計算機技術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構復雜,，單片微處理速度達不到實時系統(tǒng)控制的要求,，為無刷電動機的復雜算法提供了軟硬件基礎。
1 系統(tǒng)結構和工作原理
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,、轉子位置傳感器、邏輯驅動電路,、功率電子開關,、電流和電壓檢測等裝置組成。DSP控制的無刷電動機系統(tǒng)結構如圖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驅動專用集成芯片IR2130,；逆變橋采用三相橋式電路,；轉子位置檢測器利用霍爾元件檢測，并利用位置信號估算轉子的轉速,，以實現(xiàn)轉速閉環(huán)控制,。
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無刷電動機的轉子采用永磁體，產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)而產生旋轉磁場。設計無刷電動機控制系統(tǒng)設計的關鍵是如果選擇轉子位置檢測器，當電動機定子電樞系統(tǒng)直接由轉子轉速控制,。當電動機速度降低時,，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,，由無刷電動機調速特性可知,，調節(jié)直流電壓Ud的大小，可以改變電動機的轉速性能,，這與有刷直流電動機有相似的機械特性,。
2 控制系統(tǒng)硬件設計
2．1 控制系統(tǒng)設計
電動機控制系統(tǒng)采用速度外環(huán)和電流內環(huán)的雙閉環(huán)控制，兩個反饋環(huán)節(jié)的調節(jié)器都采用PID數(shù)字調節(jié)器,，如圖2所示,。計算電動機轉子轉速的目的是為了實現(xiàn)轉速調節(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同步調節(jié)器,。電流調節(jié)器、速度調節(jié)器的計算除了調節(jié)器設定的PID參數(shù)KP,，kI和kD外,，還要設定PWM周期參數(shù)等。
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2．2 DSP控制板
DSP控制板由ADI公司生產的專用DSP芯片ADMCF328,、硬件控制與恢復電路等組成,。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驅動電路、轉子位置檢測器、鍵盤和計算機等外設備連接,，可實現(xiàn)無刷電動機的實時控制和運行監(jiān)視,。
2．3 轉子位置檢測器
轉子位置檢測器是無刷電動機的重要組成部分，常用的轉子位置檢測器有電磁感應式,、光電式,、霍爾開關式和接近開關式。高性能的無刷電機位置檢測器,、磁電碼盤和旋轉變壓器式,，可根據(jù)實際控制系統(tǒng)的要求予以選擇。
該系統(tǒng)選用霍爾開關式轉子位置檢測器,，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,，就可以估算出轉子的實際轉數(shù)和轉向,。
3 控制系統(tǒng)軟件設計
控制系統(tǒng)軟件設計與上述硬件電路密切相關。軟件程序設計主要包括主程序和中斷服務子程序,。主程序主要完成ADFVCF328的初始化,、變量與常量參數(shù)的設置等。主程序實際上是進入一個查詢過程,，程序不斷查詢電壓狀態(tài),、電流狀態(tài)，更新標志并調入換相服務子程序,，給電動機相應的定子繞組通電,。中斷服務子程序主要完成ADC轉換，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。軟件程序設計還要考慮轉子位置傳感器,、霍爾元件信號接口的初始化及功能設計,、PID數(shù)字反饋系統(tǒng)的參數(shù)設定等。
由于ADMCF328芯片數(shù)字PIO口以串口多路復用,，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,；然后利用代碼調試工具對生成的可執(zhí)行的：DSP程序進行系統(tǒng)調試,。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 語
利用數(shù)字信號處理器(DSP)電機專用高速芯片ADMCF328,、轉子位置傳感器,、專用集成芯片IR2130、功率電子開關,、電流和電壓檢測裝置等設計的無刷電動機控制系統(tǒng),，具有效率高，功率因數(shù)可調,，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構復雜,，單片微處理器速度達不到實時系統(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。仿真輸出的轉矩,、轉速和電流波形及數(shù)據(jù)證明,，該控制系統(tǒng)速度調節(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,。