基于dsPIC30F2010的无刷直流电动机正弦波驱动系统设计

11　收稿日期:2009-12-01基于dsPIC30F2010的无刷直流电动机正弦波驱动系统设计马瑞卿,李　颖,刘冠志(西北工业大学,陕西西安710129)摘　要:针对具有霍尔位置传感器的无刷直流电动机,以dsP I C30F2010为核心控制单元,给出了一种正弦波驱动无刷直流电动机的新方法。

根据三相Hall 位置信号所包含的位置和速度信息,获得正弦调制波的周期和幅值,并利用不对称规则采样法生成六路SP WM 信号。

仿真和实验结果显示该方法能够在低成本的前提下,实现正弦波驱动无刷直流电动机平稳运行。

关键词:dsP I C30F2010;无刷直流电动机;Hall 位置传感器;正弦脉宽调制中图分类号:T M 33 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2010)08-0011-04D esi gn of BLDCM S i n e -W ave D r i v i n g Syste m Ba sed on dsP IC30F2010MA R ui -qing,L I Ying,L I U Guan -zhi(Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710129,China )Abstract:A i m ing at BLDC M with a Hall r ot or positi on sens or,a ne w method of sine -wave driving BLDC M was p r o 2vided,in which dsP I C30F2010was regarded as the core contr ol unit .The peri od and a mp litude of the modulating sine wave were obtained according t o the positi on and vel ocity infor mati on included in the three -phase Hall signals .Then using the a 2sy mmetry regular samp ling,six sine pulse width modulati on (SP WM )signals were generated .Si m ulati on and experi m ental results show that this method can make BLDC M driven by SP WM stably under the conditi on of l ow cost .Key words:dsP I C30F2010;BLDC M;Hall positi on sens or;SP WM0引　言无刷直流电动机以其良好的性能和长久的使用寿命在军事、工业场合得到广泛应用。

方波驱动无刷直流电动机电路简单,可选用廉价的转子位置传感器,因而驱动成本较低。

而正弦波驱动无刷直流电动机在保证机械特性和转矩特性不变的前提下,具有更低的转矩纹波、更小的音频噪声、更优良的控制性能。

现有的正弦波驱动方法需要高分辨率的转子位置传感器(如光电编码器),使得系统设计复杂、成本较高。

本文针对具有三相Hall 位置传感器的无刷直流电动机,以dsP I C30F2010为核心控制单元,设计了一种正弦脉宽调制波(SP WM )驱动无刷直流电动机的控制系统。

该系统利用三相霍尔位置信号,通过合理的软件算法,计算出正弦调制波的周期和幅值,并采用不对称规则采样法的数学模型生成六路SP WM 信号,通过CP LD 进行故障综合后控制三相全桥逆变器工作,实现无刷直流电动机的正弦波驱动。

用Hall 转子位置传感器取代了传统正弦波驱动中使用的高分辨率转子位置传感器,这种方法在保证正弦波驱动优良特性的前提下,有效降低了正弦波驱动的成本,将为正弦波驱动的应用拓展更大的空间。

1系统硬件设计以3对极三相星形六状态工作的无刷直流电动机为控制对象,原理框图如图1所示。

图1　正弦波驱动系统原理框图1.1控制单元设计本系统以微芯(M icr ochi p )公司生产的dsP I C30F2010为核心控制单元。

dsP I C30F2010具有6个速率为1M s/s 的A /D 转换器、1kb 的非易失性EEPROM 数据存储器、4个输入捕获通道以及6路独立输出的电机控制专用P WM 通道[1],是一款无刷直流电动机控制的专用数字信号处理芯片。

dsP I C30F2010外围电路如图2所示,电位计12　R105用于选择给定转速,通过隔离电路反馈到输入捕获通道的三相霍尔位置信号可实时计算正弦调制波的周期和反馈转速。

给定转速和反馈转速的差值经过P I D调节后对正弦波周期和幅值进行控制。

图2　dsP I C30F2010外围电路1.2电机起动在无刷直流电动机起动时,霍尔位置信号频率很低,容易引起周期计数器的溢出而使得周期计算失准,影响反馈速度的测量。

因此,在电机起动之初,系统用以SG1525为核心的P WM生成单元,生成两路互补的P WM信号,通过CP LD与三相Hall位置信号进行逻辑综合后,控制三相全桥逆变器的六只功率管的导通和关断,实现无刷直流电动机方波起动。

当反馈转速测量值nmea达到100r/m in时,切换到正弦波驱动。

1.3逻辑单元设计系统上电后,默认I nf信号为低电平,电机按照方波模式起动,以EP M7064为核心的逻辑单元综合由P WM生成单元发出的两路互补的P WM信号、三相Hall位置信号,正反转信号、故障信号,发出六路P WM信号,无刷直流电动机进行开环方波起动。

同时,控制单元实时计算正弦调制波的周期和幅值,并通过不对称规则采样法生成六路SP WM信号,但由于CP LD此时将正弦波驱动通道封锁而未执行正弦波驱动。

当控制单元计算的反馈转速nmea达到一定值后(此值在单片机程序中已经预置为约100r/m in,并且可调),dsP I C30F2010将I nf信号置高,通知EP M7064封锁两路P WM输入,打开六路SP WM输入通道,并通过综合SP WM信号、Hall位置信号和故障信号,使系统切换到转速闭环的SP WM驱动模式。

从方波起动到正弦波驱动的过程约几十毫秒。

1.4驱动单元设计驱动单元由I R2130和少量的外围电路构成,用于将逻辑单元的输出信号进行放大,以控制三相逆变器的六只功率管按相应的规律导通和关断。

另外,I R2130可通过采样电阻R2(0.22Ω/2W)实时采样逆变器直流母线的电流,并经过内部比较器与内置的0.5V基准电压进行比较。

如果采样电流经放大后的电压信号大于基准电压,则I R2130的8脚变低,输出过流保护信号,发送给逻辑单元对系统进行故障综合与保护。

2系统软件设计控制单元软件设计如图3所示。

图3　控制单元软件原理框图2.1正弦调制波周期、幅值的计算用C编写的dsP I C30F2010程序,将Hall B对应的捕获口P B设置为双沿捕捉模式,将相邻跳变沿时间间隔存放于变量TM中,其值对应正弦调制波周期的半值,并在每个TM开始时将定时器清零,以免计数器发生溢出[3]。

如果对dsP I C30F2010的系统时钟(20MHz)进行64分频,则每个计数值代表3.2μs。

所以有:T M=N×3.2(1)式中:N为捕获计数器所计的脉冲数。

由此可对正弦调制波周期半值TM进行实时计算,由于系统采用的无刷直流电动机是3对极,因此每个TM代表16机械周期。

则13　n mea =60T M ×6=60N ×3.2×10-6×6(2) 当n mea <n ref(n ref 为转速给定,由A /D 模块读出)时,电机需要加速,应增大SP WM 占空比,减小SP WM 的周期;而当n mea >n ref 时,电机需要减速,相应减小SP WM 的占空比,增大SP WM 的周期。

由于正弦调制波的幅值变量决定了输出SP WM 信号占空比的大小,因而给定转速n ref 与反馈转速n mea 的差值,经过10m s 执行一次的P I D 调节后输出的合成控制量,可以作为正弦波幅值的给定控制量用于补偿转速误差[1-3]。

转子区间计算提供电机当前转向,用于确定转速计算值的正负。

每60°电角度划分为一个转子区间,与相应的三相霍尔信号逻辑组合对应,在程序中分别用0～5进行转子区间标识,并用当前区间与上一区间进行比较的方式确定当前转向,如表1所示。

表1　当前转向的计算上一区间012345012345当前区间123450501234当前转向反转反转反转反转反转反转正转正转正转正转正转正转2.2六路SP WM 信号的生成在获得正弦调制波周期和幅值后,设载波比N =36(为保证三相SP WM 波对称,N 最好选3的倍数),根据不对称规则法的采样原理有[4]:t A K =T C4M sin (k πN-2π3)+1t B K =T C4M sin (k πN)+1k =(0,…,N -1)t CK =T C4M sin (kπN+2π3)+1(3)式中:M 为正弦波与三角波的幅值之比;N 为正弦波与三角波的周期之比;t A k 、t B k 、t Ck 为SP WM 开关时刻;T C 为三角载波周期(s )。

实时计算得到的T M 值和10m s 执行一次的P I D 运算结果将分别用于计算和更新式(3)中的T C 和M 。

将式(3)计算得到的三相SP WM 信号每个正弦调制波正半周期内36个脉冲的开关时刻制表存于EEPROM 中,以备查用。

比较定时器以实时计算的T C2值为周期,并设置为双更新连续增减计数模式,使得在定时器下溢和周期匹配时都产生中断,在中断服务子程序将t A k 、t B k 、t Ck 分别写入三个占空比寄存器,P WM 输出设置为低有效(I R2130驱动输入为低有效)。

当计数器中的数与三个占空比寄存器中任一个数匹配时,对应相输出低电平。

当B相开关时刻表中最后一个开关时刻被写入占空比寄存器时(即k =N -1),封锁当前输出通道SP WMBH (SP WMBL ),切换到SP WMBL (SP WM 2BH )输出,A 、C 相也相同,这样便得到上下管交替导通180°的六路SP WM 信号。

3仿真和实验3.1仿真结果及分析根据上述SP WM 驱动原理,在典型正弦波无刷直流电动机仿真模型的基础上,结合P WM 生成模块、控制模块、三相全桥逆变器模块,构建了基于Si m ulink 的正弦波驱动BLDC M 系统仿真模型,如图4所示。