基于dsPIC30F6010的無刷直流電機的控制系統

摘要：研究了基于dsPIC30F6010的無刷直流電動機有位置傳感器法和反電勢過零檢測法兩大調速系統。完成了硬件和軟件的設計，并進行了測試。試驗結果表明，電機起動穩定快速、正常，運轉良好，具有較寬的調速范圍，精度高，滿足了無刷直流電動機高性能伺服控制的準確性與實時性的要求。
關鍵詞：無刷直流電動機；dsPIC30F6010；有位置傳感器法；反電勢

無刷直流電動機作為機電一體化產品，由于其既具備交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等一系列優點，又具備有刷直流電機的運行效率高、無勵磁損耗以及調速性能好等諸多優點，同時克服了有刷直流電機由于機械電刷和換向器的存在所帶來的噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等弊病，并且制造成本低，簡化了電機的維修，使得它在工業上的應用也越來越廣泛。本文涉及的系統以dsPIC30F6010為核心的數字信號控制器(Digital Signal ControlIer，DSC)為基礎，迎合了控制領域的數字化和智能化的趨勢。目前在控制上較多應用以DSP作為控制器，傳統的DSP用做數字信號處理，使其在滿足系統快速性和實時性的基礎上兼顧控制能力。而dsPIC30F6010作為一款為控制領域應用的數字信號控制器，是一款性價比優越的控制器(略低于DSP)，保證控制要求的前提下加快了運算速度。

1 系統硬件設計
1．1 控制器dsPIC30F6010簡介
dsPIC30F6010為16位(數據)改進的哈佛結構，是一款專為電機控制應用設計的80引腳的DSC。它運算靈活，數據處理能力強(內部有兩個40位的累加器)，指令集靈活并且支持小數運算。該DSC內部包含4M×24位的數據RAM、4 KB的E2PROM和32 KB的FLASH程序存儲空間，便于構成最小的控制系統。該DSC擁有豐富的外設，適合各種電機的數字控制，其中專門設計了8路死區時間可編程的PWM輸出通道(可控制四相電機)和5個16位計時器，可以直接用于控制電機；具有的4個16位的輸入捕捉和輸出比較功能，可以方便地捕獲電機位置傳感器信號；16通道10位A ／D轉換器可用于處理電機速度反饋、電壓、電流等模擬信號的采用，實現電機的各種控制功能；專為編碼器設計的QEI編碼器接口；而且它具備故障檢測接口，可以很好的對電路進行保護。
1．2 驅動電路
智能功率模塊(Intelligent Power Modulation)不但提供一定的功率輸出，并且具有邏輯、控制、傳感、檢測、保護和自診斷等功能。它內含驅動電路、保護電路，可實現過流、短路、欠壓和過壓等保護。由于采用了隔離技術，散熱更均勻，體積更加緊湊。如果與單片控制芯片結合則可以實現兩片式集成化控制系統。故成為當今電機控制系統開發者首先考慮的選擇，可提高系統可靠性，大幅度降低開發時間和費用。
本文采用的是以三菱公司生產的第三代單電源供電智能功率模塊(IPM)PS21563為核心組成的驅動電路。并設計了其外圍電路：光耦電路、自舉電路、短路保護電路。
1．3 有位置傳感器法硬件系統
給定轉速與速度反饋量形成偏差，經速度PI調節后產生電流參考值，它與電流反饋值的偏差經電流PI調節后形成PWM占空比的控制量，實現電動機的速度控制。以下為如何根據位置參數確定速度以及電流檢測的方法：
(1)位置檢測與速度反饋值的計算。圖1為無刷直流電動機三個空間上相差120°霍爾信號的電平變化圖形。每一個霍爾傳感器都產生180°脈寬的輸出信號。從圖1中可以看出只要任意一階段電平變化就到了換相時刻，檢測到三個霍爾信號的電平狀態(這里稱之為換相控制字)即可給相對應的開關管打開或關閉。