【正文】 流雙閉環(huán)控制，系統(tǒng)原理圖如圖31所示。對TMS320LF2407A與別的CPU(51和96)不一樣，時鐘分為三種，CPUCLOCK, SYSCLOCK和WATCHCLOCK，它們由DSP內部的鎖相環(huán)時鐘模塊(PLL clock module)提供。A點電壓設V1=，則: ……………………………………（27） 選擇R=100K ,C =,可得t1=167ms，隨后的施密特觸發(fā)器保證了低電平的持續(xù)時間至少為167ms，從而滿足系統(tǒng)復位要求。 起停電路、DSP晶振及復位電路設計[16]1)起停電路的實現(xiàn)起動、停止電路如圖315所示: 圖211起動、停止控制電路圖 The diagram of start,stop control circuit起動、停止電路都是最基本的RC充放電路。6)16通道10位A/D轉換器，最小轉換時間為500ns，可選擇兩個事件管理器來觸發(fā)的兩個8通道輸入A/D轉換器或一個16位通道輸入的A/D轉換器。 TMS320LF2407A簡介TMS320LF2407A[15]是TMS320C24x系列中功能最高的一款DSP，該芯片與同系列其它DSP相比，有如下一些特點：1)采用高性能靜態(tài)CMOS技術，減小控制器的功耗；30MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到33ns，從而提高了控制器的實時控制能力。 我們將LOWVOL取反后，通過故障保護電路送到DSP的引腳。這樣在輸入電壓在380V10%內時，W3使其中間抽頭輸出電壓一定高于5V,穩(wěn)壓二極管D3穩(wěn)壓使Q1的基極電壓穩(wěn)定為5V, Q1控制光耦U10的輸入端導通，從而使LOWVOL輸出“0”，而當輸入幅值電壓低于342V時，W3中間抽頭輸出電壓一定低于5V，三極管Q1不工作，LOWVOL輸出“1”。當任一種故障發(fā)生時，或非門輸出一個低電平信號，向DSP申請故障中斷，封鎖PWM輸出，實現(xiàn)系統(tǒng)的保護功能圖29 故障處理原理圖 The diagram of schematic Troubleshooting 過欠電壓保護電路 DSP實時監(jiān)測交流母線電壓，當電網電壓過低或過高時，關閉逆變器，使控制器不會損壞。采樣電阻應根據(jù)最大允許電流的限值來選取。從而省去了以往硬件設計當中采用的濾波電路、電壓比較電路、及移相電路等硬件電路。對于R1值與R2相比不可過小。此分壓電路的分壓比為:……………………………………………… (26)在選擇R1, R2的值時，為了保護DSP芯片的ADC轉換模塊不因的值過大而損壞ADC轉換模塊，所以應適當減小分壓比。與有位置傳感器的硬件電路不同的是，反電勢檢測電路取代了位置傳感器和測量電路，采用廉價的分壓電阻和濾波電容組成反電勢過零檢測電路。因此，利用這個特點，將X分別等于A、B、C代入式（22），列出A、B、C三相的電壓方程，并將三個方程相加，使RIX項和項相抵消，可以得到: ……………………………（23）由圖25可見，無論哪個相的感應電動勢的過零點，都存在的關系成立。這個過程稱為三段式起動，包括轉子定位、加速和運行狀態(tài)切換三個階段。因此本系統(tǒng)采用無位置傳感器方法進行位置檢測。 IPM模塊的內部結構圖24 IPM的等效電路圖 The diagram of IPM 39。 功率主電路由于無刷直流機的供電電壓為直流，在其定子中流過的是交流電的原因，所以對于系統(tǒng)的主電路來說采用常用的交直交變換。當定子繞組某相通過直流電流時，電動機產生的轉矩為： ………………………………………（11）式中,為相導體數(shù)； 為導體的有效長度； 為氣隙磁通最大值； r為氣隙半徑； I為定子繞組相電流。在轉子位于300o～360o區(qū)間內，A相斷電，相帶A相和相帶A′相又進行換極，感應電動勢的方向再次改變，經過過零點后變成正值。根據(jù)上面講的道理必須要進行換相，即A相斷電，B相正相通電，（e）所示。綜合上述分析，目前以三相星形全橋驅動方式應用最多。從這個角度來看，三相比四相好，四相比五相好，全橋比半橋好。為了使電動機的轉子轉起來，必須使定子電樞各相繞組不斷地換相通電，這樣才能使定子磁場隨著轉子的位置不斷地變化，使定子磁場與轉子永磁磁場始終保持90o左右的空間角，產生轉矩推動轉子旋轉[5]。無刷直流機的工作離不開電子開關的電路，因此由電動機本體、轉子位置傳感器和電子開關電路三部分組成了無刷直流機控制系統(tǒng)。本文對無刷直流機的結構和工作原理做了簡單的介紹，以為了更好地理解無刷直流機控制系統(tǒng)。由于DSP可對輸入輸出數(shù)據(jù)進行高速處理，特別是DSP器件還提供了高度專業(yè)化的指令集，提高了數(shù)字濾波器的運算速度，這樣使得它在控制器的規(guī)則實施、矢量控制和矩陣變換方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。無刷直流機的電樞繞組像交流電機的繞組一樣，采用多相形式，經由逆變器接到直流電源上，定子采用位置傳感器實現(xiàn)電子換相來代替有刷直流電機的電刷和換向器，各相逐次通電產生電流，定子磁場和轉子磁極主磁場相互作用產生轉矩。0 引言隨著社會生產力的發(fā)展，需要不斷地開發(fā)各種新型電動機。無刷直流機保持著有刷直流電機的優(yōu)良機械及控制特性，在電磁結構上和有刷直流電機一樣，但它的電樞繞組放在定子上，轉子上放置永久磁鋼。因此，人們便自然地想到了DSP(數(shù)字信號處理器)。此系統(tǒng)的雙閉環(huán)就是通過DSP軟件編程實現(xiàn)的，比起以往的用模擬器件實現(xiàn)的控制系統(tǒng)，其整個系統(tǒng)結構比較簡單、控制精度高并且具有很強的靈活性，系統(tǒng)可根據(jù)用戶的控制要求只需更改設定參數(shù)（即指令操作數(shù)）就可以實現(xiàn)其控制結果。各項繞組分別與外部的電子開關電路相連，開關電路中的開關管受位置傳感器的信號控制。然而即使這樣改變還不夠，因為定子上的電樞通入直流電以后，只能產生不變的磁場電動機依然轉不起來。適當?shù)靥岣呃@組通電率將可以使同時通電導體數(shù)增加，使電阻下降，提高效率。多相電動機的結構復雜，成本也高。轉子繼續(xù)旋轉，轉過60o角后到圖（d）所示位置。在轉子位于180o～300o區(qū)間內，A相反向通電，相帶A和相帶A′仍然分別在N磁極下和S極下，獲得恒定的負感應電動勢。根據(jù)圖11的通斷順序，三相星形聯(lián)結全橋驅動的通電規(guī)律如表11所列通電順序正轉（逆時針）轉子位置0～6060～120120～180180～240240～300300～360開關管1，41，63，63，25，25，4A相++B相++C相++通電順序反轉（順時針）轉子位置360～300300～240240～180180～120120～6060～0開關管3，61，61，45，45，23, 2A相++B相++C相++表11 三相星形聯(lián)結全橋驅動的通電規(guī)律 Table of starconnected threephase fullbridge driver of the power law 無刷直流機的運行特性和調速原理設轉子永久磁鐵所產生的磁場在電動機氣隙中是按正弦分布，轉子轉角為時。保護電路則是對整個系統(tǒng)提供安全的保護措施，包括過壓、欠壓等。以下是介紹變頻器中最常用的以IGBT為主開關器件的IPM。為適應無刷電動機的進一步發(fā)展，無位置傳感器應運而生，它一般利用電樞繞組的感應反電動勢來間接獲得轉子磁極位置，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構，取得了良好的效果，并得到了廣泛的應用。一般采用專門的啟動電路，使電機以他控變頻方式起動，當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)。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。為了計算不通電相的感應電動勢，需要測量三個相電壓。端點壓經分壓后的電壓經隔離放大后送入DSPTMS320LF2407A的ADCIN0x。由于濾波電容與分壓電阻R2相并聯(lián)，所以應注意對電容的選擇。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)。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。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進行判別。以=，標定W3使其中間抽頭輸出電壓為5V。而OVERVOL信號只有在發(fā)生過壓時，為“0”，其它情況都為“1”。因此本系統(tǒng)選用DSP的型號為TMS320LF2407A。5)看門狗定時器模塊(W和DT) ,保證程序運行的安全性。13)電源管理包括3種低功耗模式，并且能獨立將外設器件轉為低功耗模式。圖212 復位電路 The diagram of reset circuit系統(tǒng)采用圖212電路的復位時間主要由R和C確定。系統(tǒng)中由于DSP的時鐘為20 MHz，所以選擇外部晶振為20MHz。通常采用PWM（PulseWidth Modulation,脈寬調制）調節(jié)方式，通過改變控制脈沖的占空比來調節(jié)輸入無刷直流機的平均直流電壓，以達到調速的目的。TMS320LF2407A DSP 設計了使用定時器周期值和比較器的比較值來實現(xiàn)產生PWM波的方法。a)非對稱PWM波的產生將定時器的計數(shù)方式設置在連續(xù)增計數(shù)方式時產生非對稱波形。如果比較值等于0，則引腳輸出保持1，其占空比為1。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。其原理是根據(jù)轉子位置信號變化的時間間隔來計算轉速，轉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的內存中開辟一個字(16位)的存儲單元，記為BCOUNT，用于測定轉子位置變化的時間間隔。要減小此誤差，就要提高轉子位置信號檢測的精度。為了使系統(tǒng)具有良好的調速性能，通常要構造一個閉環(huán)系統(tǒng)。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。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)。用式（38）計算PI調節(jié)器的輸出比較繁雜，可將其進一步變化，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,,。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鍵環(huán)節(jié)就是電機起動程序設計，以往采用的是“三段式”起動方式，即分為轉子定位、加速、切換三個過程，并且需要設計專門的起動電路[17]。與自控式狀態(tài)一樣，用計數(shù)器進行計時，換流時刻固定在To/2處，換流后對開路相的感應電勢過零點進行檢測。2)為可靠預定位，需要經過短暫的延時，保證在進入起動階段前電機轉子經過幾次擺動后穩(wěn)定在平衡點上。在磁定位期間，不對速度進行調節(jié)，不對延遲時間進行估算，其他操作與正常時一樣。當電機正轉時，它從0 數(shù)到5，然后置0,重新開ci下一個狀態(tài)。Mfunc_p 決定電機的工作模式。 系統(tǒng)初始化的說明1) F240 的初始化。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。其值可根據(jù)計算公式(51)估計出來。中斷寄存器置零POINT_EVSPLK 0000001000000000b，EVIMRA 。保存初始位置 系統(tǒng)中斷主要由兩個，分別為 INT2，INT4。重新載入中斷矢量地址SUB 0027h 。當執(zhí)行完BLDC_PWM_DRV 模塊后，就完成了T1 下溢中斷的主要任務，接下來就是恢復保存的環(huán)境，重新返回到主程序中，等待下一次中斷事件的發(fā)生。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。 在主程序中，初始化后進行磁定位啟動電動機操作。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波產生單元，且其波形和死去由設計者按不同的需要方便地進行設置，即只需改變一下程序的初始值而已。系統(tǒng)的軟件設計結構合理功能完善，僅僅采用定時比較單元就實現(xiàn)了PWM調制。調速系統(tǒng)可分為直流調速和交流調速兩大類，后者又分為異步調速和同步調速。1 結構與特點 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)內核和微處理器的片內外圍設備集成為一個芯片,它具有每秒2 千萬條指令的處理速度。在哈佛結構中，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，另外改進的哈佛結構允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲器中并