浅谈无刷直流电机控制的两种模式

浅谈无刷直流电机控制的两种模式

【摘要】：文章以无刷直流电动机为控制对象,分别介绍了以PIC18F2431单片机和DSP作为电机的主要控制芯片所构成的电机控制系统及其工作方法。

【关键词】：无刷直流电；控制芯片；PIC18F2431单片机；DSP

直流电机是电机的主要类型之一。一台直流电机即可作为发电机使用，也可作为电动机使用，用作直流发电机可以得到直流电源，而作为直流电动机，由于其具有良好的调速性能，在许多调速性能要求较高的场合，仍得到广泛使用。对于无刷直流电机的控制，从控制硬件主体来说，可以有多种选择。其中包括单片机、DSP、FPGA等，文章将具体论述两种常见的分别由单片机和DSP作为电机的主要控制芯片的电机控制系统。

一、使用单片机作为无刷直流电机控制的主体

采用美国微芯公司生产的PIC18F2431作为无刷直流电机的主控芯片,其引脚如图1所示。该芯片具备所有PIC18 单片机固有的优点，即以及高耐久性的增强型闪存程序存储器和高速10 位A/D 转换器。除了这些优点之外，该芯片还增强了器件设计，使得其成为电机控制应用的良好选择，其中包括插入可编程死区时间的14 位分辨率功率控制PWM 模块、运动反馈模块（Motion Feedback Module，MFM）包含一个3 通道输入捕捉（Input Capture，IC）模块和正交编码器接口（Quadrature Encoder Interface，QEI），这些功能使得电机控制变得较为方便。

直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(P)影响：N=120f / P。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。当采用PIC18F2431单片机进行电机控制的时候，原理图如图2所示。PIC18F2431 单片机RB 口是PWM 调制脉冲的输出口, IC1 、IC2 和IC3 用于测量来自转子磁钢位置传感器的信号HA、HB 和HC ,RC1 是限流保护输入口,内部有比较模块。

在直流无刷电动机运行过程中,只要控制了输出PWM 脉冲的占空比,就实现了对直流无刷电动机转速的控制。在本系统中，将流过电动机转子的主电路电流Ia 经过取样电阻r连接到地,则得到电压u = r ×Ia,与电动机的电流Ia成正比例关系。当u0 = u 时,则表示给定的转速与电动机的转速相等,保持该占空比不变则可以使直流无刷电动机正常工作。当u0 〉u 时, 说明此时给定的电流比流经电动机转子的电流大,必须提高输出PWM 脉冲的占空比, 增大输出PWM 脉冲的平均电压,从而提高流过电动机转子的电流。提高输出PWM 脉冲的占空比也

就提高了逆桥的换相频率,从而加快了直流无刷电动机的转速。相反,当u0 < u 时,就要减小输出PWM 脉冲的占空比,减小逆变桥的换相频率,降低电动机的转速。我们把给定信号u0 输入RA0/ AN0口,u 经放大电路接至单片机的RA1/ AN1 模拟量输入口, u与u0 在芯片内部进行比较之后的结果进行输出来控制电机的转动。

二、使用DSP作为无刷直流电机控制的主体

由DSP作为控制主体的伺服控制系统主要由电源电路、异步串行接口电路、A/ D 转换电路、DSP、FPGA 组成。其硬件组成如图3所示。

从图3 中可以看出, DSP 的外部数据总线经过SN74LS245 与TL16C550B 和AD7898 相连,DSP 通过外部数据总线对TL16C554 和AD7898 片内寄存器操作以及读取两者发送的数据。DSP 的外部地址总线与FPGA 相连接, 经FPGA 内部地址译码后连接到TL16C554 和AD7898 的地址管脚和控制管脚。DSP 的I/ O 管脚与FPGA 相连。DSP 输出的PWM 信号与FPGA 相连,通过FPGA 片内的保护模块后输出到功率放大模块。TL16C550B的中断管脚与FPGA相连,经FPGA片内的中断管理模块后与DSP 的外部中断管脚相连。TL16C550B的异步串行信号输入与输出管脚与MAX3100相连实现TTL 与RS422 的转换。电源模块负责给系统供电。电源电路采用TI 公司的PS767D318 ; A/ D 转换电路部分以AD7898为核心构成,AD7898 具有12bit 转换精度，5V供电，单通道串行AD 转换器FPGA采用EP2C20F256C8,主要实现管理中断、地址译码、PWM 输出保护等功能。由于AD7898 及TL16C550B 与DSP 之间通过DSP 外部数据总线进行通讯,由于AD7898 及TL16C550B采用5 V 供电而DSP 采用3. 3 V供电,为了实现总线电压匹配以及防止总线冲突, 需要在DSP 外部数据总线和TL16C550B和AD7898 的数据总线之间使用SN74LS245 驱动芯片。

伺服控制算法采用位置、速度双闭环实现。伺服控制软件的原理是把脱靶量或数引位置与系统实际位置的偏差作为位置偏差输入到位置回路进行校正放大,然后把位置回路的输出和经过调节器的速度前馈相加作为速度回路的输入信号,再经过速度回路的校正放大。根据速度回路的输出信号对PWM 进行脉宽调制,最后把DSP 输出的PWM 输入功率放大器,然后控制电机向着消除偏差的方向转动直到达到一定精度为止。

伺服软件设计方法上,采用连续系统对数频率特性法,采用预修正双线性变换方法进行离散化处理,完成数字实现。系统具有方位、高低2 套独立的跟踪伺服系统,除了方位跟踪系统需要正割补偿以外, 两套系统设计一样。基于TMS320F240的伺服程序使用C 语言编写,需要注意的是由于该DSP 属于定点DSP 所以在编写伺服控制程序时涉及到程序中浮点运算如何处理的问题。

文章阐述了两种不同的无刷直流电机的控制模式，通过对比可以看出，它们适用于不同的应用场合，各自具有不同的特点，其中单片机系统使用方便、简单，DSP控制系统可靠性好、响应时间快、控制精度高，我们应该根据具体使用环境和控制对象的要求选择不同的控制系统来达到对电机控制的目的。