【正文】 IR2130/IR2132(J)(S)，該電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是美國(guó)國(guó)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(zhuān)用柵極驅(qū)動(dòng)集成電路，工作電壓為 10V~20V，分別有三個(gè)獨(dú)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(yùn)算放大器通過(guò)外部的電流檢測(cè)電位來(lái)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(dòng)器的內(nèi)部電流保護(hù)電路就啟動(dòng)關(guān)斷輸出通道，實(shí)現(xiàn)電流的保護(hù)作用。IR2130 驅(qū)動(dòng)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(dòng)通道能夠用來(lái)驅(qū)動(dòng) N 溝道功率 MOSFET 和 IGBT，最高電壓可達(dá) 60OV。IR2130 芯片可同時(shí)控制六個(gè)大功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷順序，通過(guò)輸出 HOHOHO3分別控制三相全橋驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)電路如圖49所示：圖49 全橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路原理圖 基于DSP的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)需要知道轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)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(duì)于有位置傳感器的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，順利起動(dòng)是不存在什么問(wèn)題的。但本文采用反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零法檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，在速度為零的情況下電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)為零，電機(jī)不能自起動(dòng)，因此反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)技術(shù)不可能在速度為零或極低速時(shí)使用，怎樣順利起動(dòng)成了控制無(wú)位置傳感的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的重要問(wèn)題。 位置型PID算法程序的設(shè)計(jì)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(hào)。e(t)調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)，它等于測(cè)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(shí)間。TD為調(diào)節(jié)器的微分時(shí)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(shí)刻的偏差值來(lái)計(jì)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(shí)積分項(xiàng)和微分項(xiàng)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(shí)的偏差值。E(k1)第(k1)次采樣時(shí)的偏差值。k采樣序號(hào)，k=O, 1, 2..。P(k)第k次采樣時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出。根據(jù)遞推原理，可寫(xiě)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(jì)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(xiàng)輸出:Pp(k)=KpE(k) 積分項(xiàng)輸出: (48)微分項(xiàng)輸出: 所以式46可改寫(xiě)為: (49) 數(shù)字PI速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)速度的控制即可采用開(kāi)環(huán)控制也可采用閉環(huán)控制。與開(kāi)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(kāi)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(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率(額定負(fù)載時(shí)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(shí)，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(shí)現(xiàn)調(diào)速的核心環(huán)節(jié)，它的設(shè)計(jì)好壞對(duì)系統(tǒng)動(dòng)、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(cè)速、給定值計(jì)算、比較、為了簡(jiǎn)化硬件，采用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器測(cè)速。假設(shè)測(cè)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(xiàng)，算法如下: (410)為了保證流過(guò)電機(jī)的電流不超過(guò)最大限度，需要對(duì)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(wú)靜差。(2)對(duì)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(duì)采樣頻率的要求不是很高，本設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)器，進(jìn)入AD中斷之后，首先判斷延時(shí)是否已到，如果延時(shí)到，調(diào)用PI子程序，同時(shí)計(jì)數(shù)器清。此外,可以將本設(shè)計(jì)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(diǎn)是速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定來(lái)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(shí)際速度的差額及時(shí)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，在速度差值比較大時(shí)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(shí)，又能使轉(zhuǎn)矩自動(dòng)減小，這樣可以避免過(guò)大的超調(diào)，以利于調(diào)速過(guò)程的快速性。并且，電流環(huán)的等效時(shí)間常數(shù)比較小，當(dāng)系統(tǒng)受到外來(lái)干擾時(shí)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(duì)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(jì)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)是無(wú)刷直流調(diào)速系統(tǒng)的一個(gè)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(yùn)行時(shí)采用傳感器檢測(cè)，高速時(shí)采用無(wú)位置傳感器檢測(cè)的方法。這里的傳感器僅在電機(jī)起動(dòng)時(shí)起作用，安裝精度要求不高，并且可使電機(jī)在低速時(shí)產(chǎn)生較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，有利于電機(jī)的快速起動(dòng)。由于采用輔助傳感器，因此這種方法不是嚴(yán)格的無(wú)位置傳感器法。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的外同步驅(qū)動(dòng)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(hào)，使電機(jī)由靜止逐步加速運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)的反電勢(shì)建立起來(lái)，通過(guò)端電壓的檢側(cè)已經(jīng)能夠確知電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置時(shí)把電機(jī)由外同步運(yùn)行方式切換為電機(jī)的自同步運(yùn)行方式。在切換時(shí)，若三相外同步信號(hào)與由位置檢測(cè)電路輸出的三相同步信號(hào)的相位差過(guò)大，就會(huì)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(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。給定一逐步增加的獨(dú)立頻率，按一定的開(kāi)通時(shí)序，使變換器的各功率開(kāi)關(guān)按給定頻率換流，在保證電機(jī)不失步的前提下，實(shí)現(xiàn)電機(jī)升速。但采用這種他控式起動(dòng)要保證電機(jī)不失步難度大，并且起動(dòng)時(shí)電機(jī)的脈動(dòng)，振動(dòng)也大。電機(jī)靜止時(shí)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(gè)功率器件在沒(méi)有傳感器時(shí)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(guò)一定時(shí)間后轉(zhuǎn)子就會(huì)轉(zhuǎn)到一個(gè)預(yù)知的位置。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為轉(zhuǎn)子定位。預(yù)定位起動(dòng)的控制方法相對(duì)簡(jiǎn)單，起動(dòng)可靠，本文采用這種方法。第五章 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)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(pán)檢測(cè)到實(shí)際轉(zhuǎn)速ω ，就可以得到轉(zhuǎn)速誤差信號(hào)。然后利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器計(jì)算直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)母線(xiàn)電流參考指令值I′，同時(shí)采樣直流母線(xiàn)電流值I ，計(jì)算電流誤差信號(hào)，利用電流調(diào)節(jié)器確定功率開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通的占空比。最后根據(jù)反電勢(shì)檢測(cè)電路確定直流無(wú)刷電動(dòng)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(yùn)行通過(guò)上面的分析，可知軟件設(shè)計(jì)主要包括 DSP 事件管理器初始化程序、起動(dòng)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(gè)程序的核心，它用來(lái)完成系統(tǒng)的初始化、電機(jī)啟動(dòng)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(chǔ)單元的初始化，對(duì)于 DSP 的初始化主要是完成系統(tǒng)時(shí)鐘、看門(mén)狗、I/O 端口、系統(tǒng)中斷及事件管理器的各個(gè)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(dòng)程序主要負(fù)責(zé)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。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(hào)根據(jù)反電動(dòng)勢(shì)算法對(duì)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(shí)器的下溢中斷而產(chǎn)生ADC 中斷。而 ADC 中斷主要負(fù)責(zé)對(duì)采集信號(hào)的 AD 轉(zhuǎn)換，為 DSP 根據(jù)反電動(dòng)勢(shì)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(dòng)子程序 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)子程序由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在靜止的時(shí)候無(wú)法產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因此無(wú)位置傳感器控制方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)自起動(dòng)，它的起動(dòng)需要單獨(dú)設(shè)計(jì)。在第四章中分析了傳統(tǒng)的軟件起動(dòng)方式——預(yù)定位起動(dòng)，即預(yù)先對(duì)兩相繞組通電，另外一相斷電，比如對(duì) A 相、C 相繞組通電，B 相繞組斷電，延時(shí)使電機(jī)轉(zhuǎn)子定位于磁極中心線(xiàn) A 相繞組軸線(xiàn)重合的位置并停止擺動(dòng)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(xiàn)在磁場(chǎng)力的作用下，從 B 相繞組軸線(xiàn)向 A 相繞組軸線(xiàn)位置轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)勢(shì)，這時(shí)就可以選擇合適的時(shí)機(jī)將電路轉(zhuǎn)換至反電動(dòng)勢(shì)換向工作狀態(tài)，這就完成了電機(jī)的起動(dòng)。程序框圖見(jiàn)圖52所示： 換相子程序本系統(tǒng)采用無(wú)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(guò)對(duì)反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)電路的信息加以處理得到。在第四章的介紹可知，反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)電路最終輸出的是包含電機(jī)換相信息的脈沖信號(hào)，TMS320LF2407 捕獲到這些信號(hào)來(lái)產(chǎn)生 PWM換相信號(hào)來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通順序，在本設(shè)計(jì)中 PWM 脈寬調(diào)制信號(hào)用來(lái)控制功率器件的導(dǎo)通與截止，從而改變加在電動(dòng)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(wú)刷電動(dòng)機(jī)的換相時(shí)刻為檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)后待轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò) 30176。電角后進(jìn)行換相，即在測(cè)得過(guò)零點(diǎn)后，還要延遲一段時(shí)間才能換相，這個(gè)時(shí)間稱(chēng)為延遲時(shí)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(yùn)行過(guò)程中，由 A/D 中斷服務(wù)模塊對(duì)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(guò)事件管理器 EVA 的 T1 計(jì)數(shù)器周期匹配中斷來(lái)起動(dòng)，PWM 產(chǎn)生電路設(shè)置成對(duì)稱(chēng)PWM 波形，即通用定時(shí)器設(shè)置為連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式。這種方式使得 A/D 轉(zhuǎn)換始終在功率開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通周期的中點(diǎn)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(shí)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(xiàn)并行處理機(jī)制的特點(diǎn)，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(jì)數(shù)器發(fā)生周期匹配時(shí)，A/D 轉(zhuǎn)換中斷啟動(dòng)，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(xiě)入到對(duì)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(chǎng)，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(jiàn)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(duì)于無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)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(wú)靜差，速度的實(shí)時(shí)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(duì)象的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，減小因電網(wǎng)電壓等因素引起的動(dòng)態(tài)速變；在電機(jī)的起動(dòng)過(guò)程中，使電機(jī)在所能允許的最大電流下“恒流”起動(dòng)，保證起動(dòng)的快速性；在轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)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(guò)程類(lèi)似，下面對(duì)電流環(huán)調(diào)節(jié)的過(guò)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(hào)與電流的反饋信號(hào)，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(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)，具體的軟件設(shè)計(jì)思想如下：經(jīng)過(guò) 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(shí)，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(shí)，PWM 的脈寬保持不變；當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)和給定速度較大時(shí)，電流誤差過(guò)大，使得 PWM 寬度大于控制周期時(shí)，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(shí)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(hào)。總 結(jié)本論文以三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行采用全數(shù)字雙