基于ADMCF340的永磁無刷直流電機控制系統設計

    摘要：隨著直流無刷電機應用領域的不斷擴大,對控制系統的穩定性和實時性提出了更高的要求。以DSP芯片AD-MCF340為控制核心,設計了永磁無刷直流電機的控制系統,并給出了部分硬件電路圖和控制軟件流程圖。該系統利用DSP芯片的快速運算功能和面向電機控制的專用外圍設備,實現了電流、速度的全數字雙閉環控制。研究結果表明,該系統穩定可靠,實時性良好,為永磁無刷直流電機的廣泛應用提供了一定的理論參考依據和工程實際方法。

    0 引言

    直流無刷電機實際屬于永磁同步電機，一般轉子為永磁材料，隨定子磁場同步轉動。這種電機結構簡單，而且由于移去了物理電刷，使得電磁性能可靠，維護簡單，從而被廣泛應用于辦公自動化、家電等領域。直流無刷電機的運行過程要進行兩種控制，一種是轉速控制，也即控制提供給定子線圈的電流；另一種是換相控制，在轉子到達指定位置改變定子導通相，實現定子磁場改變，這種控制實際上實現了物理電刷的機制。因此這種電機需要有位置反饋機制，比如霍爾元件、光電碼盤，或利用梯形反電動勢特點進行反電動勢過零檢測等。電機速度控制也是根據位置反饋信號，計算出轉子速度，再利用PI或PID等控制方法，實時調整PWM占空比等來實現定子電流調節。因此，控制芯片要進行較多的計算過程。當然也有專門的直流無刷電機控制芯片，但一般來說，在大多數應用中，除了電機控制，總還需要做一些其他的控制和通信等事情，所以，選用帶PWM、同時又有較強數學運算功能的芯片也是一種很好的選擇。

    ADI的數字信號處理器ADMCF34X系列整合了通用數字信號處理器快速運算功能和單片機外圍豐富的特點，使得該系列特別適合于那些要求有較強的數據處理能力，同時又要有較多控制功能的應用中，對直流無刷電機的控制就是這一系列DSP的典型應用之一。

    1 ADMCF340芯片簡介

    ADMCF340集成了一個20 MIPS定點DSP內核和一整套外部接口。其中的DSP是完全與ADSP-2100系列數字信號處理器兼容的，這為熟悉ADSP-2100系列的用戶使用該控制器帶來了便利。

    ADMCF340包括一個三相16位基于中心點脈寬調制(PWM)發生器，可編程脈寬調制，脈沖分辨率達50 ns，可編程窄脈沖檢測，最低開關頻率可至153 Hz，雙／單脈沖工作時間更新方式控制，死區可編程控制器；13個模擬輸入通道，高達12位的分辨率；3個雙極性模擬電流Isense輸入引腳，并具有可編程采樣和保持放大器以及過電流保護；兩個可用于模擬量輸出的輔助PWM輸出通道；25個引腳數字輸入／輸出I／O口，均可獨立配置成中斷源輸入，可用于捕捉直流無刷電機的換相。

    2 控制系統的硬件結構

    對BLDC電機的控制可分為兩個分立的過程。

    第一，保持轉子和定子磁場同步；

    第二，控制定子的電流值。這兩個過程都要經過逆變器實現。磁場同步信號來自于位置傳感器，根據轉子的位置DSP處理器決定適當的晶體管的導通。

    電流控制一般采用PWM模式，根據電流誤差信號調節PWM信號的占空比。因此，電流值和電流的變化率都可以被控制。電流取樣電路僅用一只串聯取樣電阻即可完成。如圖1所示，其阻值由電機的最大電流決定，即分壓電阻上的最大壓降不超過0．5 V。圖1中RC電路有兩個作用，一是濾掉換相噪聲，二是濾掉斬波噪聲。