摘要：设计了一种基于DsP的正弦波直流无刷电机数字控制系统，以TMs320F2812为控制芯片，采用转子位置信号获得sPwM调制信号，介绍了该控制系统的硬件电路和软件控制策略，并研制了一台以DsP为控制核心的实验样机。实验结果表明，正弦波驱动直流无刷电机具有运行平稳、噪声小、转矩波动小、效率高等优点。正弦波驱动技术已成为直流无刷电机控制系统的一种发展趋势。
    关键词：正弦波；sPwM；DsP；直流无刷电机
O引  言
众所周知，直流无刷电机具有优越的性能，主要表现在调速方便、调速范围宽、响应快、无机械式换向器等方而。目前，直流无刷电机在电力能源、工业控制和航空航天等许多领域得到广泛应用卜。。
    为进一步提高直流无刷电机系统综合性能，近年米具有低噪声、效率高、转矩波动小、运行可靠、控制特性良好等优点的正弦波驱动直流无刷电机得到同外学者重视和研究；而国内目前对于正弦波驱动直流无刷电机方面的研究其少，部分文献也仅提供了仿真研究设计。
    本文所设计的正弦波直流无刷电机数字控制系统，以TMs320F2812芯片作为控制器，详细介绍该控制系统原理和软硬件控制策略，并依据该设汁方案研制出实验样机，同时给出其实际运行结果．．
1系统控制原理
正弦波直流无刷电机控制系统主要由DsP控制电路、驱动电路、三相逆变电路及直流无刷电机(含霍尔位置传感器)等构成，系统结构框图如图1所示。
    基于DsP的正弦波数字控制系统工作原理：首先用户接口控制正／反转指令信号经过隔离传输至DsP的GPIO端口，用户接口控制调速指令信号经过隔离后送至DsP的cAP端口，以及电机三相霍尔信号经过渊理放大后传输至DsP的AD端口；其次一方面将cAP端口调迷指令实时解算，另一方面将AD采集所得电机三相霍尔信号进行软件处理以便获得当前转了‘角度值，再结合sPwM调制深度、GPIO方向端口状态，依据一定换向规律，使DsP的Ev模块产生正确的SPWM调制脉冲序列，经由隔离驱动电路完成对于三相全桥逆变电路中相应功率管的开通关断控制，从而实现电机的正反转及调速运行。
    2系统硬件设计
2．1 DSP控制电路DsP硬件设计
主要是在DsP最小系统基础上进行以下几方面设计。
    (1)调速／正反转设计为达到直流无刷电机调速目的，通过改变调速指令信号占空比以实现对电机调速控制。系统将占空比可调的调速指令信号光耦隔离后送至DsP的cAP端口，根据指令信号中每一个脉冲跳变沿触发一次巾断，读取中断发生时捕获状态寄存器计数值，再依据相应的控制策略调节电机当前转速，从而完成直流无刷电机调速控制。而电机正反转方向的设定是根据DsP芯片ePIO端口的高低电平来实现。
    (2)电流检测设计直流无刷电机三相绕组在运行任何时刻都有三相绕组通电，所以在三相全桥逆变电路主回路中串接一采样电阻(Rs)代替常规的电流传感器。检测采样电阻两端电压，并使其经Rc滤波、增益放大后送至电压比较器(电压比较器参考电压为过流限定值)，再将电压比较器输出送入F2812的PDPINT引脚，一旦电枢电流超过限定值，则电压比较器输出为低电平，PDPINT引脚立即被拉为低电平，DsP内部计数器停止计数，所有EV模块的PwM输出引脚将被硬件置为高阻态，实现对DsP控制电路的保护。
    (3)位置检测设计电机采用接口简单方便的线性霍尔位置传感器来获得转子角度位置信息，并以此作为生成SPWM波调制脉冲序列影响凶索之一。具体实现步骤是：
    首先系统将位置传感器的输出信号滤波放大，输入至DsP的AD端口；其次软件第一步依据当前三路霍尔信号输出的正弦波幅值，计算当前转子角度值；第二步补偿位置磁钢与转子磁钢问装配工艺导致的角度间隙，根据补偿后所得当前转子角度值查询正弦表，获得相对应正弦幅值；第三步是将第二步所得正弦幅值作为sPwM波调制信号控制策略依据．．2．2驱动电路驱动电路采用集驱动、保护于一体的lR2136芯片。系统DsP控制电路发出的SPWM调制脉冲序列经硬件隔离后输入至驱动芯片的六路输入端口HINl、HIN2、HIN3、LINl、LIN2及LIN3，并且通过驱动芯片的输出HOl、H02、H03控制i相全桥逆变电路上半桥Q1、Q2、Q3的开通／关断，L01、L02、L03控制三相全桥逆变电路下半桥Q4、Q5、Q6的开通／关断，从而达到控制电机转速和正反转的目的。驱动电路设计结构框图如图2所示。
    系统采用集成电路作为驱动电路不仅大大简化电路结构，提高了整系统的可靠性，而且也是基于应用背景的特殊要求所慎重选择的。
    2．3逆变电路逆变电路主要将直流电压逆变为三相正弦矢量电压，从『fIi在电机三相绕组上产生按照正弦规律变化的电流矢量来驱动电机运转。三相全桥逆变电路拓扑结构如图3所示，其中Ql～Q6为MOsFET功率管，A，B，c为与直流无刷电机三相星型绕组相连接端口标号。而H01、H02、H03、L01、L02、I。03为MOsFET功率管驱动信号输入端口，与图2驱动电路结构框阁中字母标示含义一致。
    3系统软件设计
从整体上看，控制系统软件是一个实时系统，而该系统软件的设计是建芷在正确解算直流无刷电机转子位置信号的基础上。选用DsP控制系统，其****特点为硬件软件化，除驱动电路和三相逆变电路外，大部分功能由软件实现，冈此正弦波驱动控制系统的软件设计在整个控制系统巾极其重要。
    该系统软件主要由主程序、TLPINT中断程序、cAPlNT中断程序和角度计算子程序组成。
    (1)主程序主程序由系统初始化程序及循环检测GPIO口函数构成。其中系统初始化程序包括系统时钟的没定、控制寄存器的配置、PIE控制寄存器的配置、变量的初始化、巾断向量的定义及各功能模块的初始化等。主程序在初始化后，进入主程序循环即循环检测GPl0口状态，实时读人控制指令，并且等待中断来临，当某中断产生，则响应该中断，叶1断程序处理完毕则立即返同主程序循环，继续检测GPIO日状态，等待下一次中断到来。主程序流程如图4所示。
    (2)T1PINT中断程序T1PINT中断程序主要实现电机调理后_二相霍尔信号与DsP软件生成三角波信号的比较，从而产牛sI)wM调制脉冲序列，实现对于驱动芯片IR2136的逻辑控制。该程序依次完成电机一相霍尔信号的AD采集、信号归一化解算、角度补偿及sPwM调制脉冲序列生成。该中断程序计算量****，足系统控制的关键部分。其中断程序流程如图4所示。
    (3)cAPINT中断程序cAPINT中断程序主要采用cAP端口的双沿及单滑检测原理实现电机调速信号脉冲宽度和脉冲周期计算。从而完成电机调速指令信号的计算机读入。
    其巾断程序流程如图5所示、(4)角度计算子程序角度计算子程序首先根据电机三相霍尔信号归一化数值判断转子所在扇区，其次将归一化数值处理后作为反正弦查表依据，最后计算得到当前转了角度值。其中角度计算子程序作为独立的程序，只受TlPINT中断程序调用，与其它程序无参数传递．．角度计算子程序流程如图5所示。
    4实验结果
根据前述章节设计的正弦波直流无刷电机数字控制系统，与直流无刷电机配套，构成r典型的正弦波驱动直流无刷电机控制系统。其中实验采用直流无刷电机基本参数为un=56 v，‰=6300r/min．转子极数2p=4。通过电机性能测试平台——测功机来验证该套系统性能优劣。其巾图6为在测功机上运行一段时间的实测性能曲线。
    实验测试过程巾将正弦波直流无刷电机控制系统运行速度从5800r／min拉至4500r／min时，系统仍运行平稳，且噪声低；将运行速度降至30 r／min时，系统继续保持平稳运行，并且这样的低速运行特性是方波形式驱动该直流无刷电机难于实现的。
    从图6测功曲线可知，电机各特性曲线连续平滑，当电机转速为4500r／min时，73％的效率值说明了系统在该状态下仍具有较好的控制特性，650 mMm。

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