【正文】 ，計算出電動機的轉(zhuǎn)速，再與給定的轉(zhuǎn)速比較，輸出PWM信號，控制開關(guān)管的通斷，從而控制電動機電流（電壓）大小，是電動機的轉(zhuǎn)速變化。保護(hù)電路則是對整個系統(tǒng)提供安全的保護(hù)措施，包括過壓、欠壓等。其中A, B, C三相為從DSP系統(tǒng)開發(fā)控制板輸出的三相交流電。以下是介紹變頻器中最常用的以IGBT為主開關(guān)器件的IPM。六個IGBT開關(guān)管的開關(guān)觸發(fā)信號受TMS320LF2407A DSP芯片所輸出的六路PWM波的控制，開關(guān)管有規(guī)律的通斷將直流電逆變?yōu)榻涣麟娞峁┙o無刷直流機的三相定子。為適應(yīng)無刷電動機的進(jìn)一步發(fā)展，無位置傳感器應(yīng)運而生，它一般利用電樞繞組的感應(yīng)反電動勢來間接獲得轉(zhuǎn)子磁極位置，與直接檢測法相比，省去了位置傳感器，簡化了電動機本體結(jié)構(gòu)，取得了良好的效果，并得到了廣泛的應(yīng)用。因此，只要檢測到各相繞組反電勢的過零點，就可確定電機的轉(zhuǎn)子位置和下次換流的時間。一般采用專門的啟動電路，使電機以他控變頻方式起動，當(dāng)電機具有一定的初速度和電動勢后，在切換到自控變頻狀態(tài)。如果能夠通過一種方法測量和計算出這六個過零點，再將其延遲30o，就可以獲得六個換相信號。根據(jù)圖25，可以列出相電壓方程: ………………………………(22）對于三相無刷直流機，每次只有兩相通電，兩相通電電流方向相反，同時另一相斷電，相電流為零。 反電勢過零檢測電路的組成反電勢過零檢測法是通過將電動機電樞繞組的端電壓與電樞中性點電壓比較得反電勢過零點，從而確定轉(zhuǎn)子磁極的位置，其檢測電路由端電壓檢測、低通濾波、過零比較和光電隔離等環(huán)節(jié)組成，如圖26所示[5]。為了計算不通電相的感應(yīng)電動勢，需要測量三個相電壓。圖中，HCPL7800為高模抑制比隔離運算放大器，雙電源供電，具有良好的線形度，在高噪聲環(huán)境下也能保證較高的精度和穩(wěn)定性。端點壓經(jīng)分壓后的電壓經(jīng)隔離放大后送入DSPTMS320LF2407A的ADCIN0x。而就是ADC模塊的轉(zhuǎn)換電壓，而轉(zhuǎn)換電壓越低則ADC模塊的測量誤差也就越大。由于濾波電容與分壓電阻R2相并聯(lián)，所以應(yīng)注意對電容的選擇。這些干擾信號將影響過零點的正確檢測。同時反電勢過零點的測定，及過零點移相30o換相等處理都由軟件實現(xiàn)。圖28 電流檢測與保護(hù)電路原理 The diagram of current detection and protection circuit如圖28示，電流信號通過檢測采樣電阻R兩端的電壓得到。如圖28所示，其中電容C1和C2的作用是濾去采樣電阻兩端電壓的高頻干擾信號，防止過電流誤動作。具體的放大電路可參照端電壓檢測電路。故障處理電路原理如圖29所示，過電壓、欠電壓、過電流的各種故障信號一方面輸入或非門（如CD4078），一方面送入DSP進(jìn)行判別。圖210過、欠電壓保護(hù)原理圖 The diagram of overvoltage,undervoltage protection schematic過、欠壓保護(hù)電路[12]的輸入電壓IN必須能反映三相交流輸入電源的變化，這樣當(dāng)三相交流電出現(xiàn)過壓或者是欠壓時，過、欠壓保護(hù)電路的輸入電壓IN就會發(fā)生變化，輸出端的信號LOWVOL和OVERVOL就會輸出信號給控制電路進(jìn)行處理。以=，標(biāo)定W3使其中間抽頭輸出電壓為5V。這樣在輸入電壓在380V10%內(nèi)時，W4中間抽頭輸出電壓一定低于5V，三極管Q2不工作，OVERVOL輸出“1”。而OVERVOL信號只有在發(fā)生過壓時，為“0”，其它情況都為“1”。圖210過、欠電壓信號輸出原理圖 The diagram of overvoltage,undervoltage signal output schematic DSP控制電路設(shè)計TMS320LF240X芯片為公司的MS320C200系列下的一種定點DSP芯片，特別適合于運動系統(tǒng)全數(shù)字化控制。因此本系統(tǒng)選用DSP的型號為TMS320LF2407A。3)兩個事件管理器模塊EVA和EVB，每個包括：兩個16位通用定時器；8個16位的脈寬調(diào)制(PWM)通道。5)看門狗定時器模塊(W和DT) ,保證程序運行的安全性。9)16位的串行外設(shè)接口(SPI)。13)電源管理包括3種低功耗模式，并且能獨立將外設(shè)器件轉(zhuǎn)為低功耗模式。電阻R17和R18是為了防止在高電平到低電平的突變，起到續(xù)流的作用。圖212 復(fù)位電路 The diagram of reset circuit系統(tǒng)采用圖212電路的復(fù)位時間主要由R和C確定。3)晶振電路給DSP芯片提供時鐘一般有兩種方法，一種是利用DSP芯片內(nèi)部提供的晶振電路，在DSP芯片的X1和X2CLKIN之間連接一晶體可起動內(nèi)部晶體振蕩器，這種方式的晶體應(yīng)為基本模式，且為并聯(lián)諧振。系統(tǒng)中由于DSP的時鐘為20 MHz，所以選擇外部晶振為20MHz。系統(tǒng)時鐘，一般采用CPU時鐘頻率的1/2或1/4，供DSP的所有外圍設(shè)備總線上的設(shè)備使用。通常采用PWM（PulseWidth Modulation,脈寬調(diào)制）調(diào)節(jié)方式，通過改變控制脈沖的占空比來調(diào)節(jié)輸入無刷直流機的平均直流電壓，以達(dá)到調(diào)速的目的。速度給定信號，與速度反饋信號送給速度調(diào)節(jié)器（ASR），速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流信號的參考值，與電流信號的反饋值一起送至電流調(diào)節(jié)器（ACR），電流調(diào)節(jié)器的輸出為電壓參考值，與給定載波比較后，形成PWM調(diào)制波，控制IPM模塊的實際輸出電壓。TMS320LF2407A DSP 設(shè)計了使用定時器周期值和比較器的比較值來實現(xiàn)產(chǎn)生PWM波的方法。后者產(chǎn)生的PWM波可以加死區(qū)。a)非對稱PWM波的產(chǎn)生將定時器的計數(shù)方式設(shè)置在連續(xù)增計數(shù)方式時產(chǎn)生非對稱波形。當(dāng)計數(shù)到與比較值相等時，TXPWM引腳發(fā)生跳變；繼續(xù)計數(shù)到與周期值相等時，計數(shù)器開始減計數(shù)；再次計數(shù)到與比較值相等時，TXPWM引腳發(fā)生第二次跳變；當(dāng)計數(shù)器減計數(shù)到0時，完成一個PWM周期，計數(shù)器開始新一輪的增計數(shù)。如果比較值等于0，則引腳輸出保持1，其占空比為1。圖32定時器比較寄存器產(chǎn)生的對稱PWM波形 The diagram of timer pare register produced symmetric PWM waveform2)比較單元和死區(qū)單元每個事件管理器都有3個比較單元、1個比較控制寄存器COMCONx和1個比較方式控制寄存器ACTRx。比較單元的操作功能與定時器比較寄存器的操作功能相似。以事件管理器A為例，利用比較單元產(chǎn)生PWM波時，要使用定時器1計數(shù)器T1CNT、定時器控制寄存器T1CON、周期寄存器T1RP、比較寄存器CMPRX、比較控制寄存器COMCONA、比較方式控制寄存器ACTRA、死區(qū)控制寄存器DBTCONA。其原理是根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號變化的時間間隔來計算轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速計算公式可用下式來表示: …………………………………………………（31） 式中:P為極對數(shù)，這里p=3具體實現(xiàn)如下:在DSP的內(nèi)存中開辟一個字(16位)的存儲單元，記為BCOUNT，用于測定轉(zhuǎn)子位置變化的時間間隔。分析本系統(tǒng)的測速誤差，其可能產(chǎn)生的誤差來源有三個:1) 測量誤差，要提高速度檢測的精度，只有減小檢測時間，對于本系統(tǒng)來說即要減小測量值N的誤差。要減小此誤差，就要提高轉(zhuǎn)子位置信號檢測的精度。最小可為電角度，但這在高速時會給計算帶來很大誤差(若為電角度，當(dāng)轉(zhuǎn)速在1500～2000rpm之間時，BCOUNT的變化范圍只有5～8)。為了使系統(tǒng)具有良好的調(diào)速性能，通常要構(gòu)造一個閉環(huán)系統(tǒng)。由于電動機軸的轉(zhuǎn)動慣量和負(fù)載軸的轉(zhuǎn)動慣量的存在，使速度時間常數(shù)較大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度較慢。如果沒有電流環(huán)，擾動會使繞組電流隨之波動，使電動機的速度受影響。在電動機的閉環(huán)調(diào)速中，速度調(diào)節(jié)器一般采用PI調(diào)節(jié)器，即比例積分調(diào)節(jié)器。所以模擬PI控制器的規(guī)律為: …………………………………(36)式中Kp比例系數(shù),TI積分常數(shù)。積分調(diào)節(jié)的作用是消除靜態(tài)誤差。用式（38）計算PI調(diào)節(jié)器的輸出比較繁雜，可將其進(jìn)一步變化，令第k次采樣時刻的輸出值增量為： ………………………………（39） 所以 ……………………………………（310） 或 …………………………………………（311）式中第k1次采樣時刻的輸出值,第k1次采樣時刻的偏差值,,。 無刷直流電動機的起動無位置傳感器無刷直流機是利用反電勢來決定換流時序的。因此永磁無刷直流機的端電壓法無傳感器控制的另一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是電機起動程序設(shè)計，以往采用的是“三段式”起動方式，即分為轉(zhuǎn)子定位、加速、切換三個過程，并且需要設(shè)計專門的起動電路[17]。預(yù)定位方式起動分為兩個步驟。與自控式狀態(tài)一樣，用計數(shù)器進(jìn)行計時，換流時刻固定在To/2處，換流后對開路相的感應(yīng)電勢過零點進(jìn)行檢測。所提出的方法起動可靠、實現(xiàn)簡單、方便。2)為可靠預(yù)定位，需要經(jīng)過短暫的延時，保證在進(jìn)入起動階段前電機轉(zhuǎn)子經(jīng)過幾次擺動后穩(wěn)定在平衡點上。起動時，對任意兩相通電，使其轉(zhuǎn)到與定子磁場一致的位置。在磁定位期間，不對速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，不對延遲時間進(jìn)行估算，其他操作與正常時一樣。2)HALL3_DRV： 霍爾傳感器接口模塊，也即轉(zhuǎn)子位置檢測模塊，利用在x24x 系列DSP 控制器的捕獲輸入引腳3 上輸入的三個霍爾傳感器輸出信號，該模塊主要用來獲得無刷直流電動機的位置信號，從而產(chǎn)生用于三相直流無刷電機的換向信號。當(dāng)電機正轉(zhuǎn)時，它從0 數(shù)到5，然后置0,重新開ci下一個狀態(tài)。mfunc_p：PWM 脈沖周期調(diào)制輸入，范圍為000h~7FFFh。Mfunc_p 決定電機的工作模式。其調(diào)節(jié)的結(jié)果是生成當(dāng)前狀態(tài)下期望的電流值，從而作為內(nèi)環(huán)電流環(huán)的輸入。 系統(tǒng)初始化的說明1) F240 的初始化。設(shè)置等待狀態(tài)寄存器，使DSP 與外擴存儲器數(shù)據(jù)交換時等待狀態(tài)為0。其初始化程序如下：CALL BLDC_3PWM_DRV_INITCALL MOD6_CNT_INITCALL HALL3_DRV_INITCALL ADC_ SAMPLECALL INIT_ GET_SPEED INIT_SPEED_REGCALL INIT_CURRENT_REG3)定時器T2 的初始化。寄存器T2CON 用來設(shè)置定時器的運行方式。其值可根據(jù)計算公式(51)估計出來。因此我們必須設(shè)置中斷寄存器，使系統(tǒng)能夠響應(yīng)INT2(PWMINT、PDPINT)、INT4 中斷。中斷寄存器置零POINT_EVSPLK 0000001000000000b，EVIMRA 。電機的初始位置可以通過檢測CAP 單元的值得到。保存初始位置 系統(tǒng)中斷主要由兩個，分別為 INT2，INT4。載入中斷矢量地址SUB 0020h。重新載入中斷矢量地址SUB 0027h 。開中斷2) PWMINT 中斷 每個 PWM 周期完成之后產(chǎn)生PWMINT 中斷，每20KHz 進(jìn)行一次。當(dāng)執(zhí)行完BLDC_PWM_DRV 模塊后，就完成了T1 下溢中斷的主要任務(wù)，接下來就是恢復(fù)保存的環(huán)境，重新返回到主程序中，等待下一次中斷事件的發(fā)生。一旦產(chǎn)生PDPINT 中斷，DSP 中COMCON 寄存器里的FCOMPOE 位變?yōu)榱?，這時所有的PWM 輸出變?yōu)楦咦钁B(tài)，防止驅(qū)動電路遭到進(jìn)一步的損壞。三個捕捉單元CAPCAPCAP3 中任意一個電平發(fā)生變化，都會觸發(fā)INT4 中斷。 ADC中斷子程序 本設(shè)計PWM采用的是對稱波形，固定頻率為20kHZ。 在主程序中，初始化后進(jìn)行磁定位啟動電動機操作。圖38 ADC中斷子程序 diagram of ADC interrupt subroutine圖39 更新比較或換相子程序框圖 The diagram of update block diagram to pare or mutation subroutine5 系統(tǒng)設(shè)計的經(jīng)濟技術(shù)分析本文設(shè)計的無刷直流機控制系統(tǒng)是以DSP為核心的，通過軟件編程實現(xiàn)對無刷直流機的控制。在眾多的DSP中，我選擇的是TMS320LF2407A, 此型號的DSP特別適用于控制系統(tǒng)，它使TI公司專門為控制系統(tǒng)而設(shè)計的一種芯片，其除了具有其他芯片的一些特點外，而且還具有PWM波產(chǎn)生單元，且其波形和死去由設(shè)計者按不同的需要方便地進(jìn)行設(shè)置，即只需改變一下程序的初始值而已。且集成了各種保護(hù)單元使控制線路得到了簡化，維修更加方便，具有很強的互換性。系統(tǒng)的軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)合理功能完善，僅僅采用定時比較單元就實現(xiàn)了PWM調(diào)制。另外轉(zhuǎn)矩脈動也是無刷直流機控制系統(tǒng)普遍存在的問題，本文未對其作論述，有些資料上雖然也提出了一些抑制轉(zhuǎn)矩脈動的方案，但從根本上還沒能夠得到解決，有待進(jìn)一步研究。調(diào)速系統(tǒng)可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速兩大類，后者又分為異步調(diào)速和同步調(diào)速。隨著VIii和控制理論的發(fā)展，高速、高集成度、低成本的微控制器及專用芯片相繼問世，使全數(shù)字化的交流伺服系統(tǒng)得以實現(xiàn)。1 結(jié)構(gòu)與特點 TMS320F240是美國德州儀器公司1997 年推出的具有高速運算能力并面向電機控制的DSP 芯片，它通過把一個高性能的DSP(Digital Signal Processor)內(nèi)核和微處理器的片內(nèi)外圍設(shè)備集成為一個芯片,它具有每秒2 千萬條指令的處理速度。 TMS320F240 的體系結(jié)構(gòu) 為了快速地實現(xiàn)數(shù)字信號處理運 算 DSP,TMS320F240 采用特殊的軟硬件結(jié)構(gòu),包括：哈佛結(jié)構(gòu)、流水線結(jié)構(gòu)、專用的硬件乘法器、特殊的DSP 指令、高速的指令運行周期等。在哈佛結(jié)構(gòu)中，由于程序和數(shù)據(jù)存儲器在兩個分開的空間中，因此取指令和執(zhí)行指令能完全重疊運行，另外改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲器中并