基于DSP的两相无刷直流电机转速控制系统

　　基于DSP的两相无刷直流电机转速控制系统

 

　　目前，在一些特殊领域，对电机体积、连线数目以及可靠性等方面有着严格要求，在这些场合，无位置传感器无刷直流电机(BLDCM)就成了理想的选择。课题利用DSP，CPLD等数字化设计技术构建了一个体积较小的高转速、高可靠性电机转速控制系统。系统采用两相无刷直流电机，以无位置传感器方式，用电机绕组的反电势作为信号，由CPLD生成电机换相时序，通过硬件启动和锁相环跟踪，实现对无刷直流电机的稳速控制。该系统具有结构和电子控制线路简单、运行可靠、维护方便等特点。

 

　　控制系统的控制策略和硬件组成

　　控制系统的控制策略

　　系统采用转速、电流双闭环控制，用数字器件构成速度控制部分，电流环采用传统的PI调节器。DSP作为中央控制器，发出各种指令，并构成速度回路的PI调节器，可以进行智能PID控制；CPLD一部分构成锁相环用以检测输入频率与反馈频率的误差值，另一部分利用电枢反电势产生逆变器的换相控制信号。系统的控制原理框图如图2所示。

　　

　　直流电机控制系统的硬件连接框图如图3所示，主要由无刷直流电机、逆变器、控制器和电源等组成。

　　由于电机的转速较高，达到19500r／min，所以采用运算速度较快的大规模可编程逻辑器件(CPLD)进行速度反馈和电机换相信号的处理，TMS320F2812(DSP)构成速度控制器。电机的速度反馈量经CPLD的内置锁相环74LS297处理，产生偏差量输入DSP进行速度回路校正，经4通道、12位分辨率的D／A转换器DAC7724输给电流控制器，经电流校正后进入逆变器，EPM7128S(CPLD)接收电机绕组的反电势产生控制4组功放开关的导通信号。电机有A，B两个绕组，两个绕组依次正、反导通，按照A-B-A-B的顺序连续给定子绕组通电，则转子就以一定的转速顺时针旋转。

　　控制系统的DSP核心控制部分的硬件电路连接图如图4所示。

　　3软件设计

　　系统软件由DSP程序和CPLD程序两部分组成。进行软件设计时，先进行系统分析，将整个程序按功能需求划分子模块。考虑到控制系统的实时性要求，采用中断方式编程，整个DSP软件系统由一个主程序和若干中断服务程序组成。

　　主程序的作用主要是对系统进行初始化，包括对DSP本身寄存器、中断、定时器、GPIO等进行初始化。初始化DSP，使其内部产生工作时钟；初始化DSP内部模块；禁止全局中断，初始化中断向量表，根据需要对中断进行设置；打开全局中断，进入循环等待主程序，等待内部和外部中断信号。中断子程序完成转速环的校正控制任务。DSP中断子程序的流程图如图5所示。

　　CPLD部分完成电机的换相处理和速度反馈控制功能，采用图形化设计和VHDL语言混合设计完成时序部分的编写。CPLD接收电机绕组反电势，经片内逻辑电路处理，形成4路逆变器的导通控制信号，用以控制电机绕组的加电顺序；通过CPLD内置的数字锁相环74LS297进行锁相处理，完成对电机转速的恒定控制。利用CPLD将锁相环和换相处理电路封装在一起，形成一个完整的速度反馈控制模块。CPLD部分程序流程图如图6所示。

　　4控制系统仿真及其结果比较分析

　　在进行了VHDL描述和编译后，就可应用EDA软件进行时序功能仿真。功能仿真是在QuartusⅡ软件开发环境下进行的，时序仿真波形如图7所示。

　　在分析无刷直流电机运行原理的基础上，提出了基于TMS320F2812的无刷直流电机控制系统解决方案，充分利用DSP的强大功能，使系统获得较高的控制精度和动静态特性。将锁相速度控制应用于无刷直流电机系统，将模拟和数字系统的仿真结果加以比较和分析，证明本系统具有较强的鲁棒性和自适应能力，实现了对电机输出转矩和转速的控制，改善了电机的调速性能。