【正文】 IR2130/IR2132(J)(S)，該電機(jī)驅(qū)動器是美國國際整流公司生產(chǎn)的一種高電壓、高速度的 MOSFET、IGBT 功率器件專用柵極驅(qū)動集成電路，工作電壓為 10V~20V，分別有三個獨立的高端和低端輸出通道。輸入邏輯與CMOS 或 LSTTL 輸出兼容，最小可達(dá)到 邏輯電壓，直接兼容 DSP 的 CMOS 輸出。外圍電路中的參考地運算放大器通過外部的電流檢測電位來提供全橋電流的模擬反饋值，如果超出設(shè)定值或調(diào)整的參考電流值，IR2130 驅(qū)動器的內(nèi)部電流保護(hù)電路就啟動關(guān)斷輸出通道，實現(xiàn)電流的保護(hù)作用。IR2130 驅(qū)動器反映高脈沖電流緩沖器的狀態(tài)，傳輸延遲和高頻放大器相匹配，浮動通道能夠用來驅(qū)動 N 溝道功率 MOSFET 和 IGBT，最高電壓可達(dá) 60OV。IR2130 芯片可同時控制六個大功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷順序，通過輸出 HOHOHO3分別控制三相全橋驅(qū)動電路的上半橋 QQQ5 的導(dǎo)通關(guān)斷，而 IR2130 的輸出 LOLOLO3 分別控制三相全橋驅(qū)動電路的下半橋 QQQ6 的導(dǎo)通關(guān)斷，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)的目的[28][29][32]。IR2130 芯片內(nèi)部有電流比較電路，可以進(jìn)行電機(jī)比較電流的設(shè)定。設(shè)定值可以作為軟件保護(hù)電路的參考值，這樣可以使電路能夠適用于不同功率的電機(jī)控制。由 IR2130 和MOSFET 組成的電機(jī)驅(qū)動電路如圖49所示：圖49 全橋式電機(jī)驅(qū)動控制電路原理圖 基于DSP的無位置傳感器無刷直流電動機(jī)的起動電機(jī)起動時需要知道轉(zhuǎn)子磁極相對于定子繞組的位置，以便正確導(dǎo)通電樞繞組使電機(jī)按照預(yù)定的方向旋轉(zhuǎn)。對于有位置傳感器的無刷直流電動機(jī)來說，順利起動是不存在什么問題的。但本文采用反電動勢過零法檢測轉(zhuǎn)子位置，在速度為零的情況下電機(jī)反電動勢為零，電機(jī)不能自起動，因此反電動勢檢測技術(shù)不可能在速度為零或極低速時使用，怎樣順利起動成了控制無位置傳感的無刷直流電動機(jī)的重要問題。 位置型PID算法程序的設(shè)計在模擬系統(tǒng)中，PID算法的表達(dá)式為： (41)式中，P(t)調(diào)節(jié)器的輸出信號。e(t)調(diào)節(jié)器的偏差信號，它等于測量值與給定值之差:Kp為調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)。Tt為調(diào)節(jié)器的積分時間。TD為調(diào)節(jié)器的微分時間。由于用PIC單片機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值來計算控制量。因此，在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)微分方程，此時積分項和微分項可用求和及增量式表示: (42) (43)將式4式42代入式43，則可得離散的PID表達(dá)式: (44)式中，采樣周期，必須使T足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度。E(k)第k次采樣時的偏差值。E(k1)第(k1)次采樣時的偏差值。k采樣序號，k=O, 1, 2..。P(k)第k次采樣時調(diào)節(jié)器的輸出。根據(jù)遞推原理，可寫出(k1)次的PID輸出表達(dá)式: (45)用式44減去式45，可得: （46）式中，為積分系數(shù)； 為微分系數(shù)。由式46可知，要計算第k次輸出值P(k)，只要知道P(k1)，E(k)，E(k1)，E(k2)即可。:)的輸出表達(dá)式: (47)設(shè)比例項輸出:Pp(k)=KpE(k) 積分項輸出: (48)微分項輸出: 所以式46可改寫為: (49) 數(shù)字PI速度調(diào)節(jié)器設(shè)計對無刷直流電機(jī)速度的控制即可采用開環(huán)控制也可采用閉環(huán)控制。與開環(huán)控制相比速度控制閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性有以下優(yōu)越性:閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性與開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性相比，其性能大大提高，理想空載轉(zhuǎn)速相同時，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率(額定負(fù)載時電機(jī)轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比)要小得多。當(dāng)要求的靜差率相同時，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高。速度調(diào)節(jié)器是實現(xiàn)調(diào)速的核心環(huán)節(jié)，它的設(shè)計好壞對系統(tǒng)動、靜態(tài)性能關(guān)系很大。本系統(tǒng)中的速度閉環(huán)控制，主要有測速、給定值計算、比較、為了簡化硬件，采用單片機(jī)內(nèi)部定時器測速。假設(shè)測量的轉(zhuǎn)速為If，轉(zhuǎn)速的給定值為I4ef，根據(jù)式49，不考慮微分項，算法如下: (410)為了保證流過電機(jī)的電流不超過最大限度，需要對電流調(diào)節(jié)器的輸出進(jìn)行限幅處理，即 IF P(k)Um,THEN P(k)=Um,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用如下:(1)使轉(zhuǎn)速np跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)無靜差。(2)對負(fù)載變化起抗擾作用。(3)其輸出限幅值決定允許的最大電流。在速度閉環(huán)調(diào)制系統(tǒng)中，對采樣頻率的要求不是很高，本設(shè)計中速度環(huán)程序的采樣周期設(shè)定為40ms。本程序設(shè)置SPEED COUNT為速度環(huán)的計數(shù)器，進(jìn)入AD中斷之后，首先判斷延時是否已到，如果延時到，調(diào)用PI子程序，同時計數(shù)器清。此外,可以將本設(shè)計的速度閉環(huán)調(diào)制進(jìn)一步改進(jìn)為電流、速度雙閉環(huán)調(diào)制。雙閉環(huán)調(diào)速的特點是速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電流。好處是可以根據(jù)給定速度與實際速度的差額及時控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，在速度差值比較大時電機(jī)轉(zhuǎn)矩大，速度變化快，以便盡快地把電機(jī)轉(zhuǎn)速拉向給定值，在轉(zhuǎn)速接近給定值時，又能使轉(zhuǎn)矩自動減小，這樣可以避免過大的超調(diào)，以利于調(diào)速過程的快速性。并且，電流環(huán)的等效時間常數(shù)比較小，當(dāng)系統(tǒng)受到外來干擾時它能比較快速的作出響應(yīng)，抑制干擾的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。而且雙閉環(huán)系統(tǒng)以速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定值，對速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅就限定了電樞中的電流，起到了保護(hù)逆變橋的作用。 數(shù)字PI速度調(diào)節(jié)器設(shè)計無位置傳感器無刷直流電動機(jī)的起動是無刷直流調(diào)速系統(tǒng)的一個關(guān)鍵技術(shù)。目前常用的方案有以下幾種：該方法是在電機(jī)低速運行時采用傳感器檢測，高速時采用無位置傳感器檢測的方法。這里的傳感器僅在電機(jī)起動時起作用，安裝精度要求不高，并且可使電機(jī)在低速時產(chǎn)生較大的起動轉(zhuǎn)矩，有利于電機(jī)的快速起動。由于采用輔助傳感器，因此這種方法不是嚴(yán)格的無位置傳感器法。無刷直流電動機(jī)的外同步驅(qū)動方式需要人為地給電機(jī)施加一由低頻到高頻不斷加速的外同步信號，使電機(jī)由靜止逐步加速運轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)的反電勢建立起來，通過端電壓的檢側(cè)已經(jīng)能夠確知電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置時把電機(jī)由外同步運行方式切換為電機(jī)的自同步運行方式。在切換時，若三相外同步信號與由位置檢測電路輸出的三相同步信號的相位差過大，就會導(dǎo)致切換失敗，使電機(jī)因失步而停轉(zhuǎn)。該方法是以變頻方式同步拖動電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。給定一逐步增加的獨立頻率，按一定的開通時序，使變換器的各功率開關(guān)按給定頻率換流，在保證電機(jī)不失步的前提下，實現(xiàn)電機(jī)升速。但采用這種他控式起動要保證電機(jī)不失步難度大，并且起動時電機(jī)的脈動，振動也大。電機(jī)靜止時的轉(zhuǎn)子初始位置決定了逆變器第一次應(yīng)觸發(fā)哪兩個功率器件在沒有傳感器時判斷轉(zhuǎn)子位置是很復(fù)雜的。因此，可以先把逆變器的某兩相導(dǎo)通，并控制電機(jī)電流，經(jīng)過一定時間后轉(zhuǎn)子就會轉(zhuǎn)到一個預(yù)知的位置。這個過程稱為轉(zhuǎn)子定位。預(yù)定位起動的控制方法相對簡單，起動可靠，本文采用這種方法。第五章 無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計無位置傳感器無刷直流電動機(jī)采用雙閉環(huán)控制，它主要是根據(jù)外部模擬量輸入轉(zhuǎn)速指令值及轉(zhuǎn)向要求確定轉(zhuǎn)速ω′，再利用光電編碼盤檢測到實際轉(zhuǎn)速ω ，就可以得到轉(zhuǎn)速誤差信號。然后利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器計算直流無刷電動機(jī)母線電流參考指令值I′，同時采樣直流母線電流值I ，計算電流誤差信號，利用電流調(diào)節(jié)器確定功率開關(guān)器件導(dǎo)通的占空比。最后根據(jù)反電勢檢測電路確定直流無刷電動機(jī)定子繞組控制邏輯，輸出相應(yīng)的 PWM 波形，使得轉(zhuǎn)子按照控制的要求運行通過上面的分析，可知軟件設(shè)計主要包括 DSP 事件管理器初始化程序、起動程序、換相子程序、中斷服務(wù)程序以及電流、速度環(huán)調(diào)節(jié)程序等組成。 主程序結(jié)構(gòu)主程序是整個程序的核心，它用來完成系統(tǒng)的初始化、電機(jī)啟動程序、速度、電流 A/D轉(zhuǎn)換及循環(huán)調(diào)用中斷服務(wù)子程序。主程序流程圖如圖51所示。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行 DSP 部分寄存器和存儲單元的初始化，對于 DSP 的初始化主要是完成系統(tǒng)時鐘、看門狗、I/O 端口、系統(tǒng)中斷及事件管理器的各個控制寄存器及其中斷的設(shè)置，以及軟件中各變量的初始化和輔助寄存器的設(shè)置等功能。起動程序主要負(fù)責(zé)無位置傳感器無刷直流電動機(jī)的起動。閉環(huán)換向調(diào)節(jié)程序由 DSP 負(fù)責(zé)根據(jù)采集到的信號根據(jù)反電動勢算法對電機(jī)進(jìn)行換向調(diào)節(jié)。中斷服務(wù)程序的作用是根據(jù)定時器的下溢中斷而產(chǎn)生ADC 中斷。而 ADC 中斷主要負(fù)責(zé)對采集信號的 AD 轉(zhuǎn)換，為 DSP 根據(jù)反電動勢算法進(jìn)行換向提供所需數(shù)據(jù)。 圖51 主程序框圖 圖52 啟動子程序 電動機(jī)啟動子程序由于無刷直流電動機(jī)在靜止的時候無法產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，因此無位置傳感器控制方式無法實現(xiàn)自起動，它的起動需要單獨設(shè)計。在第四章中分析了傳統(tǒng)的軟件起動方式——預(yù)定位起動，即預(yù)先對兩相繞組通電，另外一相斷電，比如對 A 相、C 相繞組通電，B 相繞組斷電，延時使電機(jī)轉(zhuǎn)子定位于磁極中心線 A 相繞組軸線重合的位置并停止擺動后，再使B 相、C 相繞組通電，A 相繞組斷電，轉(zhuǎn)子磁極中心線在磁場力的作用下，從 B 相繞組軸線向 A 相繞組軸線位置轉(zhuǎn)動，這樣，使三相繞組依次導(dǎo)通截止。當(dāng)轉(zhuǎn)子達(dá)到一定速度后，就能夠在定子繞組中感應(yīng)出足夠大的反電動勢，這時就可以選擇合適的時機(jī)將電路轉(zhuǎn)換至反電動勢換向工作狀態(tài)，這就完成了電機(jī)的起動。程序框圖見圖52所示： 換相子程序本系統(tǒng)采用無傳感器控制，取消了傳統(tǒng)的位置傳感器，因此電機(jī)轉(zhuǎn)子位置只能通過對反電勢過零檢測電路的信息加以處理得到。在第四章的介紹可知，反電勢過零檢測電路最終輸出的是包含電機(jī)換相信息的脈沖信號，TMS320LF2407 捕獲到這些信號來產(chǎn)生 PWM換相信號來控制開關(guān)管的導(dǎo)通順序，在本設(shè)計中 PWM 脈寬調(diào)制信號用來控制功率器件的導(dǎo)通與截止，從而改變加在電動機(jī)繞組上的平均電壓和電流，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。從第三章可知，直流無刷電動機(jī)的換相時刻為檢測到反電動勢過零點后待轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 30176。電角后進(jìn)行換相，即在測得過零點后，還要延遲一段時間才能換相，這個時間稱為延遲時間。換相子程序框圖如圖53所示：圖53 換相子程序 ADC中斷子程序在電機(jī)運行過程中，由 A/D 中斷服務(wù)模塊對轉(zhuǎn)速與電流進(jìn)行閉環(huán)控制。A/D 轉(zhuǎn)換設(shè)置成通過事件管理器 EVA 的 T1 計數(shù)器周期匹配中斷來起動，PWM 產(chǎn)生電路設(shè)置成對稱PWM 波形，即通用定時器設(shè)置為連續(xù)增/減計數(shù)模式。這種方式使得 A/D 轉(zhuǎn)換始終在功率開關(guān)器件導(dǎo)通周期的中點采樣電流并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，避免了在功率器件關(guān)斷時采樣電流，從而大大提高了電流采樣的精度。由于 TMS320LF2407 DSP 芯片高達(dá) 30MIPS 的指令執(zhí)行速度及多總線并行處理機(jī)制的特點，使得速度環(huán)調(diào)節(jié)及電流環(huán)調(diào)節(jié)可直接嵌入 A/D 轉(zhuǎn)換中斷模塊。當(dāng) T1 計數(shù)器發(fā)生周期匹配時，A/D 轉(zhuǎn)換中斷啟動，相應(yīng)的中斷標(biāo)志 ADCINT 被置位，該中斷的偏移向量地址被寫入到對應(yīng)的事件中斷向量寄存器。進(jìn)入中斷服務(wù)子程序后，先將 DSP 控制器狀態(tài)寄存器 STO、STI 和累加器 ACC 壓入堆棧，保護(hù)現(xiàn)場，再將相應(yīng)事件中斷向量寄存器的中斷向量偏移地址送入到累加器，然后經(jīng)分支指令便可轉(zhuǎn)入到 A/D 轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)子程序的入口。ADC 中斷子程序的框圖見圖54所示：圖54 ADC 中斷程序框圖進(jìn)入 A/D 中斷服務(wù)子程序后，首先進(jìn)行的是速度的調(diào)節(jié)，速度環(huán)調(diào)節(jié)程序負(fù)責(zé)對于無位置傳感器無刷直流電動機(jī)的速度調(diào)節(jié)，主要是使轉(zhuǎn)速跟隨給定值變化，穩(wěn)態(tài)無靜差，速度的實時反饋和調(diào)整。電流環(huán)調(diào)節(jié)程序的主要作用是限制電機(jī)的最大電流，調(diào)節(jié)對象的動態(tài)結(jié)構(gòu)，加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，減小因電網(wǎng)電壓等因素引起的動態(tài)速變；在電機(jī)的起動過程中，使電機(jī)在所能允許的最大電流下“恒流”起動，保證起動的快速性；在轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨電流給定的變化。電流環(huán)調(diào)整完后，調(diào)用換相 PWM 輸出子程序，輸出新的 PWM 波，從而實現(xiàn)對無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。最后 CPU 將狀態(tài)寄存器 STO、STI 及累加器 ACC 彈出堆棧，結(jié)束 A/D 轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)子程序。速度、電流環(huán)的調(diào)節(jié)過程類似，下面對電流環(huán)調(diào)節(jié)的過程做詳細(xì)的敘述，速度環(huán)不再贅述。電流調(diào)節(jié)器作為內(nèi)環(huán)，綜合速度調(diào)節(jié)器的輸出信號與電流的反饋信號，使電樞繞組中的電流幅值和相位得到有效的控制。電流調(diào)節(jié)的實質(zhì)是調(diào)節(jié) PWM 波的占空比，電流調(diào)節(jié)器的輸出最終轉(zhuǎn)換成 PWM 的占空比，因此在軟件設(shè)計中，只要根據(jù)電流調(diào)節(jié)器輸出，向PWM 的比較寄存器 CMPR 中所輸入相應(yīng)的占空比值即可完成電流環(huán)的調(diào)節(jié)。電流環(huán)調(diào)節(jié)子程序流程如圖55所示：圖55 電流調(diào)節(jié)流程圖本系統(tǒng)的電流環(huán)的 PID 調(diào)節(jié)依靠軟件實現(xiàn)，具體的軟件設(shè)計思想如下：經(jīng)過 PID 調(diào)節(jié)器產(chǎn)生一定寬度的 PWM 波，電流誤差的大小決定了 PWM 波的寬度。當(dāng)其小于零時，就令 PWM 的寬度為零，以最快的速度降低電機(jī)轉(zhuǎn)速；當(dāng)其等于零時，PWM 的脈寬保持不變；當(dāng)電機(jī)啟動和給定速度較大時，電流誤差過大，使得 PWM 寬度大于控制周期時，就令 PWM 的寬度為控制周期，即起到電流調(diào)節(jié)器的限幅作用，此時電樞電流全壓升流，使電樞電流迅速達(dá)到某給定值，從而能快速跟蹤給定信號。總 結(jié)本論文以三相無刷直流電動機(jī)為研究對象，整個系統(tǒng)的運行采用全數(shù)字雙