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稀土永磁無(wú)刷直流電機采用高性能的稀土永磁材料和非接觸換相技術(shù)，體積小，效率高，無(wú)電火花，工作可靠，同時(shí)又具有類(lèi)似普通直流電動(dòng)機的調速性能，廣泛應用于航空航天、精密儀器和工業(yè)控制自動(dòng)化等領(lǐng)域。無(wú)刷直流電機采用電子換相裝置，沒(méi)有機械電刷；采用永磁體轉子，沒(méi)有激磁損耗；發(fā)熱的電樞繞組置于外圍的定子上，散熱性好，效率高，過(guò)載能力強，無(wú)換相火花，在高轉速領(lǐng)域尤為適合，是高速電機的一個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向。 目前，在一些特殊領(lǐng)域，對電機體積、連線(xiàn)數目以及可靠性等方面有著(zhù)嚴格要求，在這些場(chǎng)合，無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(BLDCM)就成了理想的選擇。課題利用DSP，CPLD等數字化設計技術(shù)構建了一個(gè)體積較小的高轉速、高可靠性電機轉速控制系統。系統采用兩相無(wú)刷直流電機，以無(wú)位置傳感器方式，用電機繞組的反電勢作為信號，由CPLD生成電機換相時(shí)序，通過(guò)硬件啟動(dòng)和鎖相環(huán)跟蹤，實(shí)現對無(wú)刷直流電機的穩速控制。該系統具有結構和電子控制線(xiàn)路簡(jiǎn)單、運行可靠、維護方便等特點(diǎn)。 1 無(wú)刷直流電機的數學(xué)模型 以?xún)上鄬�、三相星形六狀態(tài)為例，無(wú)刷直流電機三相繞組的電壓平衡方程為： 式中：uA，uB，uC為定子相繞組電壓；eA，eB，eC為定子相繞組電動(dòng)勢；iA，iB，iC為定子相繞組電流；L為定子每相繞組自感；M為定子每?jì)上嗬@組間的互感；R為三相定子電阻；p為微分算子。 由式(1)可以得到永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機的等效電路模型，如圖l所示。 定子繞組產(chǎn)生的電磁轉矩表達式為： 永磁無(wú)刷直流電機轉子運動(dòng)方程為： 式中：Tn為電磁轉矩；TL為負載轉矩；B為阻尼系數；ω為電機機械轉速；J為轉動(dòng)慣量。 2 控制系統的控制策略和硬件組成 2．1 控制系統的控制策略 系統采用轉速、電流雙閉環(huán)控制，用數字器件構成速度控制部分，電流環(huán)采用傳統的PI調節器。DSP作為中央控制器，發(fā)出各種指令，并構成速度回路的PI調節器，可以進(jìn)行智能PID控制； CPLD一部分構成鎖相環(huán)用以檢測輸入頻率與反饋頻率的誤差值，另一部分利用電樞反電勢產(chǎn)生逆變器的換相控制信號。系統的控制原理框圖如圖2所示。 2．2 控制系統的硬件組成 無(wú)刷直流電機控制系統的硬件連接框圖如圖3所示，主要由無(wú)刷直流電機、逆變器、控制器和電源等組成。 由于電機的轉速較高，達到19 500 r／min，所以采用運算速度較快的大規�？删幊踢壿嬈骷�(CPLD)進(jìn)行速度反饋和電機換相信號的處理，TMS320F2812(DSP)構成速度控制器。電機的速度反饋量經(jīng)CPLD的內置鎖相環(huán)74LS297處理，產(chǎn)生偏差量輸入DSP進(jìn)行速度回路校正，經(jīng)4通道、12位分辨率的D／A轉換器 DAC7724輸給電流控制器，經(jīng)電流校正后進(jìn)入逆變器，EPM7128S(CPLD)接收電機繞組的反電勢產(chǎn)生控制4組功放開(kāi)關(guān)的導通信號。電機有A， B兩個(gè)繞組，兩個(gè)繞組依次正、反導通，按照A-B-A-B的順序連續給定子繞組通電，則轉子就以一定的轉速順時(shí)針旋轉。 控制系統的DSP核心控制部分的硬件電路連接圖如圖4所示。 3 軟件設計 系統軟件由DSP程序和CPLD程序兩部分組成。進(jìn)行軟件設計時(shí)，先進(jìn)行系統分析，將整個(gè)程序按功能需求劃分子模塊�？紤]到控制系統的實(shí)時(shí)性要求，采用中斷方式編程，整個(gè)DSP軟件系統由一個(gè)主程序和若干中斷服務(wù)程序組成。 主程序的作用主要是對系統進(jìn)行初始化，包括對DSP本身寄存器、中斷、定時(shí)器、GPIO等進(jìn)行初始化。初始化DSP，使其內部產(chǎn)生工作時(shí)鐘；初始化DSP 內部模塊；禁止全局中斷，初始化中斷向量表，根據需要對中斷進(jìn)行設置；打開(kāi)全局中斷，進(jìn)入循環(huán)等待主程序，等待內部和外部中斷信號。中斷子程序完成轉速環(huán)的校正控制任務(wù)。DSP中斷子程序的流程圖如圖5所示。 CPLD部分完成電機的換相處理和速度反饋控制功能，采用圖形化設計和VHDL語(yǔ)言混合設計完成時(shí)序部分的編寫(xiě)。CPLD接收電機繞組反電勢，經(jīng)片內邏輯電路處理，形成4路逆變器的導通控制信號，用以控制電機繞組的加電順序；通過(guò)CPLD內置的數字鎖相環(huán)74LS297進(jìn)行鎖相處理，完成對電機轉速的恒定控制。利用CPLD將鎖相環(huán)和換相處理電路封裝在一起，形成一個(gè)完整的速度反饋控制模塊。CPLD部分程序流程圖如圖6所示。 4 控制系統仿真及其結果比較分析 在進(jìn)行了VHDL描述和編譯后，就可應用EDA軟件進(jìn)行時(shí)序功能仿真。功能仿真是在QuartusⅡ軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行的，時(shí)序仿真波形如圖7所示。 對速度控制器進(jìn)行仿真，采用Matlab仿真軟件進(jìn)行，得到的模擬系統轉速響應曲線(xiàn)如圖8所示。 采用雙線(xiàn)性變換法將連續系統離散化，得到的數字系統速度響應曲線(xiàn)如圖9所示。 圖中：n為電機轉動(dòng)速度；r為電機轉數。 實(shí)驗結果表明，改進(jìn)后的數字系統的速度響應指標：上升時(shí)間、調節時(shí)間、超調量等均獲得了改善，系統有著(zhù)較好的快速性和穩定性。 5 結 語(yǔ) 在分析無(wú)刷直流電機運行原理的基礎上，提出了基于TMS320F2812的無(wú)刷直流電機控制系統解決方案，充分利用DSP的強大功能，使系統獲得較高的控制精度和動(dòng)靜態(tài)特性。將鎖相速度控制應用于無(wú)刷直流電機系統，將模擬和數字系統的仿真結果加以比較和分析，證明本系統具有較強的魯棒性和自適應能力，實(shí)現了對電機輸出轉矩和轉速的控制，改善了電機的調速性能 |
