基于dsPIC30F2010的无刷直流电动机控制系统设计

张冉，王秀和，王道涵，刘士勇

    (山东大学，山东济南250061)

    摘要：介绍基于Microchip公司的数字信号控制器dsPIc30F20lO设计的无刷直流电动机的控制系统，阐述了利用这种数字信号控制器控制无刷直流电动机的原理，详细介绍了该控制系统的硬件结构与软件流程。实验结果证明了该控制系统的可行性。

    关键词：数字信号控制器；ds PIc30心010；无刷直流电动机；控制系统

    中图分类号：TM33  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)05—0030—02

 

O引  言

    无刷直流电动机是随着电力电子技术的发展而出现的新型机电一体化电动机。它既具有直流电动机的机械特性和调节特性，又具有交流电动机维护方便、运行可靠等优点，在电子设备、工业驱动和控制、军用和航天领域取得了日益广泛的应用^[1]。MIcROc HlP公司的数字信号控制器是单片嵌入式控制器，它集成了单片机的控制功能以及DsP的计算能力，具有丰富的外设和强大的数字信号处理性能。此外，灵活的c语言再编程能力和低引脚封装形式使数字信号控制器成为控制领域的理想选择。本文介绍了基于数字信号控制器dsPIc30F2设计的永磁无刷直流电动机控制系统，并通过负载实验验证了该控制系统的可行性。

1基于dsPIC30F2010的无刷直流电动机控制原理^[3]

    无刷直流电动机的定子上安放各相绕组，转子上安放永磁磁极。以三相无刷直流电动机为例，为了产生一个恒定的电磁转矩，任意时刻需要根据转子位置信号使三相定子绕组中的两相绕组通电，通常转子位置信号由安放在电机定子内的霍尔位置传感器获得。霍尔元件所间隔的电角度可以为60^。和120^。。图1为无刷直流电动机及其控制系统的组成框图。

    本文的控制对象为一台三相带传感器永磁无刷直流电动机，霍尔位置传感器的相位差为120^。。根据在不同时刻相绕组的通电情况，分为6个工作区间，每个区间为60^。电角度，在每个工作区间内有特定的两相绕组通电。图2为不同工作区间内霍尔位置信号编码和功率开关导通状态。

    三相霍尔位置传感器可以得到一个三位的位置编码，每个编码代表了转子所在的区间。得到转子的位置信号之后，程序中通过查建立的驱动表决定每个功率开关的导通状态，如表1所示。控制系统中，将位置传感器连接到dsPIc30F2010的中断输入cN(change N0tification)引脚上，cN引脚上的电平发生变化会产生中断。在cN中断服务程序中，由位置信号编码查取应该导通的功率开关并使能相应的输出引脚，驱动电机转动。

    由无刷直流电动机的基本原理可知，改变加在电机绕组两端的电压可以改变电机的转速，即改变加在无刷直流电动机绕组上的PwM信号的占空比就可以实现电机的调速。dsPIC30F2010的电机控制专用模块(McPwM)可以提供六路由PwM信号驱动的PwM输出，McPwM有一个专用的16位的PIPER(Time Base Pedod Reglster)时基周期寄存器，通过更改此寄存器的数值可以更改PwM频率。改变占空比是通过改变三个PDc占空比寄存器的值实现。通常为了控制方便，对驱动电路下桥的功率开关施加占空比可变的PwM信号。

2控制系统的设计与实验

2 .1硬件设计

    图3为基于dsPIc30F20lO的无刷直流电动机控制系统的硬件结构图。霍尔位置信号与cN中断输入引脚相连，AN2引脚被软件配置为模拟输入，将O～5 V电压通过A／D转换作为速度给定。功率开关器件采用美国国际整流器公司生产的MOsFETIRF2807，其额定电压75 V，额定电流82 A。功率开关驱动电路采用IR2110高性能MOsFET驱动集成芯片，该芯片应用自举技术实现同一集成电路可同时输出两个驱动逆变桥中高压侧与低压侧的通道信号。IR2110的sD引脚为保护信号输人端，当该引脚接高电平时，IFl2110的输出信号全被封锁^[4]。控制系统中，功率驱动电路的负端通过一个约O．1 12小电阻接地。若通过功率开关的电流过大，使得检测电阻上的电压超过设定的安全工作电压时，比较器的输出与sD端相连为高电平，封锁全部PwM信号，起到对控制系统和无刷直流电动机的保护作用。

2.2软件设计

    控制系统的软件设计是在Micmchip公司的集成开发环境MPLAB IDE中完成的。MPLAB IDE拥有32位调试环境应具备的所有****编辑／编译／调试功能，它不仅集成了软件开发功能，而且集成了许多硬件开发工具，如软件模拟器MPLAB sIM、在线调试／开发编程器MPLAB IcD2。MPLAB c30 c编译器是符合ANSI c标准的优化编译器，对于相同的控制程序，其它16位单片机生成的代码量要比c30编译器多百分之120。

    本文采用无刷直流电动机的开环控制，控制程序用c30语言编写，程序的开始完成对McPwM模块和A／D转换模块的初始化以及各功能引脚的配置。在cN中断服务子程序中，从端口读取位置信号编码，查驱动表，然后进行手动输出改写，驱动相应的绕组导通。A／D转换中断服务子程序启动A／D转换，获得速度给定。图4为主程序流程图。其中，OVDcON寄存器为手动输出改写寄存器，它的值决定PwM引脚的工作状态。PDc寄存器为PwM占空比寄存器，装载不同的占空比可以实现无刷直流电动机的调速。

2．3负载实验

    对本文所设计的基于dsPIc30F2010的无刷直流电动机控制系统进行了负载实验，无刷直流电动机额定功率500 w，额定电压24 V，额定转速为1．500 r／min。图5～图7为当电机从空载到额定负图7---载时转速、输出功率与效率随着负载转矩的变化关系。实验结果表明控制系统工作正常，验证了设计方案的可行性。

3结语

    本文设计的基于dsPIc30F2010的无刷直流电动机控制系统，硬件结构简单，其成本比相同功能的单片机要低，控制程序采用c30语言编写，与专用控制集成芯片相比，复杂的控制策略与算法更容易通过软件编程实现。负载实验表明该控制系统的可行性，是无刷直流电动机控制器的理想选择。