摘要：介绍了以高性能dsPIC30F4012芯片为核心的无刷直流电动机控制系统的硬件设计和实现，全面分析研穷无刷直流电动机运行原理的基础上，阐述了无刷直流电动机的控制策略以及软件实现方法。实验表明，该系统结构简单紧凑，控制精度高，具有良好的静态和动态性能，尤其可应用于伺服机构、机电一体化的调速设备中。
  关键词：dsHc30F4012；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(2009)10—0043—03
0引言
    随着电力电子技术、微电子技术、先进控制技术和稀土永磁材料的快速发展，无刷直流电动机得到了迅速地推广。无刷直流电动机具有体积小、重量轻、高效节能、调速方便、结构简单、易于控制、功率密度大以及易于维护等优点，在伺服控制、电动汽车、机器人及家用电器等领域得到了广泛的应用。在许多场合成功地替代了有刷直流电动机1】
    在无刷直流电动机控制系统中，选择一款性能优越的芯片作CPU将会提升系统的整体性能。本
文控制系统采用Microchip公司的dsPIC30F4012作为控制核心，这使得控制系统的可扩展性、灵活性、适应性以及参数的可修改性得到了满足。
1系统硬件设计
    本文介绍的无刷直流电动机控制系统主要由以下五个部分组成：dsPIC30F4012、IP,2130、三相逆变桥、位置传感器、无刷直流电动机。硬件原理框图如图1所示。
  控制过程如下：dsPlC30F4012根据捕获到的霍尔位置信号和正反转按钮状态，确定PWM的输出
    图1无刷直流电动机控制系统的硬件结构框图通道，输出的PWM经驱动芯片IR2130后开启相应的MOSFET，使得电机中相应绕组通过电流，电机按给定方向连续转动。调节调速旋钮可以改变
dsPIC30F4012输出PWM的占空比，从而调节电机绕组两端的平均电压，实现电机转速的控制。
    系统中的主控芯片dsPIC30F4012是专门为电机高速控制所设计的一种16位微处理器。它具有
一个16位CPU和一个DSP内核，片内设有一个6通道的A／D转换器，工作在10位模式，采样保持时间、转换时间、阀值检测方式和零偏补偿校正均可编程；5个16位定时器；一个6通道的电机专用MCP—WM控制器。此装置大大简化了产生脉宽调制(PWM)波形的控制软件和外部硬件，通过编程可产生互补的三相6路PWM波形2】可通过编程设置死区时间防止同一桥臂上2个功率管发生直通造成短路。本系统中采用PWM调速方式，系统频率为24 MHz，主功率电路是三相全桥星形电路。
    驱动芯片选用美国国际整流器公司的HR2130,一个IR2130可驱动三相桥式电路的六个功率开关
器件，内部设计有过电流、过电压及欠电压保护，使用户可方便地用来保护被驱动的功率MOs管加之内部自举技术的巧妙应用，使它可用于高压系统，它还可对同一桥臂上下两功率MOs器件的栅极驱动信号产生2μs的死区时间，使设计进一步简化系统硬件电路，减少体积，提高可靠性。其输出的****正向峰值驱动电流为250 mA，而反向峰值驱动电流为500 mA；耐压600 V满足要求3】。其驱动电路框图如图2所示．
     三相逆变桥中的开关器件选用功率M0sFET，具有开关速度快、驱动功率小、安全工作区宽、过载能力强等优点。本系统选用N沟道的MOsFETIRF540，额定电流为40 A，耐压值为100V，能够满足本系统的要求，其电路图如图2虚框所示.
    对三相桥逆变器来说，MOsFET起开关作用，所以它应工作在饱和区和截止区而不是在放大区。在同样的工作电流下，管压降在放大区比饱和导通时要大得多，从而会造成管子的过度发热而损坏，为了避免功率管的损坏，需要对3个下管在开通时进行vce检测保护。电路图如图3所示。以第一相为例，当LOl为高电平(十15 V)开通M0sFET Qo时，DLOAl在L01(+15 V)与参考电压VREF1(+10 V)通过比较器LM339比较之后输出为高(+15 V)，此时开始vce检测。在MOsFET功率管QO开通时，VSL的电位(不超过1.4 V)低于DLOAl(+15 V)，这使得二极管D7导通，此时+15 V电压正极通过电阻R34R27二极管D7、MOsFET Q0的源极和漏极与+15 V电压负极导通，如果MOsFET功率管Q～o工作正常，则vce的压降约为1.2 V，二极管D7选用1N5819在电流小于0.1 A时的压降为O.36 V，那么DLOAl的电压变为： 其中R34=5．1 kΩ，R27=O 2 kΩn。这时VDLOA1(+2.12V)与参考电压VREF约+2.28 V)比较，若MOsFET功率管Q2、Q4正常工作，则VDLOA2：和VDLOA3都小于参考电压VREF，那么输出比较的结果使得ITIRP输出低，驱动芯片[R2130在ITIRP为低时说明工作正常。如果功率管Qo、Q2、Q4有一路发生故障，例如QO管压降超过1 2 V时，则使VDLOA1高于参考电压VREF，那么输出比较的结果使得ITIRP输出高，说明功率管发生了故障，IR2130的FAuLT脚输出低电平，并立即关断所有的输出，从而起到保护作用。
2控制策略及软件设计
2 1转子定位与定子绕组换相原理
    电机绕组中建立的旋转的电枢磁场方向必须根据转子永磁磁场位置进行调整。无刷直流电动机的
效率很大程度上取决于两个磁场的相对位置关系。通常采用霍尔位置传感器来检测转子磁场位置，并根据来自霍尔传感器的位置信号实现正确换向。以两相导通三相六状态无刷直流电动机为例说明工作原理4]霍尔位置传感器输出磁极位置信号，经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使图2中的功率开关管Q1、Q2导通，即绕组A、B通电，A进B出，此时定转子磁场相互作用拖动转子顺时针方向转动。电流流通路径为：电源正极一Q1-A相绕组一B相绕组Q2一电源负极。当转子转过60°电角度，霍尔位置传感器输出信号，经逻辑变换后使开关管Q2截止，Q4导通，此时Ql仍导通，则绕组A、C通电，A进c出，此时定转子磁场相互作用使转子继续沿顺时针方向转动.电流流通路径为：电源正极一Ql A相绕组一c相绕组一Q4一电源负极，依次类推：当转子每转过60。电角度时，功率开关管之间进行一次换流，定子磁状态就改变一次。可见，电机有六个磁状态，每一状态都是两相导通，每相绕组中流过电流的时间相当于转子旋转120°电角度，每个开关管的导通角为120°电角度。两相导通三相六状态无刷直流电动机的三相绕组与各开关管导通顺序的关系如表1所示．

2 2软件设计
    控制部分的软件内嵌于dsPIc30F4[)12的程序存储器中，由c语言实现，主要由主函数和中断服
务子程序两部分组成。
    图4的主程序中，系统上电便进行开关位置及电机状态等检测，有故障时就报错，若系统正常则    配置端口输入输出方向，初始化全局变量，然后调 用各个模块初始化函数，并使能模块，然后进入死  循环等待中断触发。  
    中断服务子程序：主要包括定时器中断子程序，ADc转换中断子程序、PwM中断子程序。主要完成获取电机转子位置信号，并结合电机工作状态按钮确定OVDcOND寄存器的值，控制6路PwM的输出进而完成控制电机正确转动。其流程图如图5a所示。ADc中断程序里完成指令和反馈值的计算；PID计算在Timerl中进行，并将值赋给PwM占空比寄存器。
    在调速系统中采用数字PID算法，对转速进行实行控制。本系统中控制器的设计特点是：根据实
际情况设定一个误差阈值，当跟踪误差大于阈值时，取消积分控制作用，以免产生过大超调；当被控量与给定值的偏差小于设定阀值时，投入积分控制作用，以消除静态误差：流程图如图5b所示。
    在上述电路构成的基础上，我们对设计制成的电路板进行了测试，测试条件为：电机与直流母线电压均为24 v，负载电机为5 kw无刷直流电动机，PwM斩波频率为20 kHz。
    图6a为实验测得dsPIc30F4012输出PwM的死区时间值为500 ns，该死区时间通过在软件中设定，本实验中设定值为500 ns，可见输出严格符合要求；图6b为实验测得Il：／2130输出PwM的死区时间为2 .5μs：IR2130自动生成上、下侧驱动所必需的死区时间为2～2.5μs，加上dsPIc30F4012输出的死区时间值500 ns，理沦结果值为2．5～3μs.可以看出，实验结果在理论值的范围之内，符合设计要求。
    电机稳态运行时三路PwM输出和电机某一线电动势波形如图7所示。

    通过实验可以看出，设计完全符合要求，实践证明了基于dsPIc30F4012单片机的无刷直流电动机控制系统具有电路简单、调速性能好、抗干扰性强、可靠性高、稳定性好、性能价格比高等优点，系统适合于小功率无刷电动机的控制，同时，也可推广到其他工业应用领域，如机床、机器人和电梯驱动等。