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电路板克隆TMS320LF2407 DSP的无刷直流电机智能控制系统设计

[日期:2012-05-25] [来源:http://www.pcbcool.cn/] [作者电路板克隆] [点击:]

    永磁无刷直流电机具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等特点,又具有直流电机调速性能好、运行效率高、无机械换向等优点,使它在机器人、数控机床、医疗器械、仪器仪表等各领域得到了广泛的应用。尤其是采用了DSP数字信号处理器、电子换向器、光电编码器等,使得无刷直流电机的数字化、智能化控制系统的实现成为可能,也是当今研究与应用的热点。
    但由于无刷直流电机本身存在非线性、数学模型难以建立等问题,单纯用传统的PID难以获得较好的速度控制效果;加上以往用单片机实现,线路复杂、速度慢,难以实现数字化、智能化控制。
    本设计是在我所研制的DSP数字控制实践开发系统的基础上,以TMS320LF2407 DSP控制器为核心;以无刷直流电机为被控对象;以模糊PI为智能控制策略;以霍尔电流传感器及光电编码器为检测手段,利用DSP速度快、运算能力强、资源丰富的优势,对无刷直流电机的控制与应用进行了研究。
    2 系统结构设计
    系统由“PC上位机、TMS320LF2407 DSP控制器、功率驱动模块、无刷直流电机、检测单元、通讯接口”等组成,如图1所示。
    2.1 DSP控制器
    TMS320LF2407是一种具有高速的运算能力与面向电机高效控制的数字信号处理器,集成了针对电机控制所需要的CPU、片内RAM、ROM/FLASH、SCI、事件管理器等功能模块资源。
    CPU具有独立的数据总线和地址总线,高速的运算能力,可完成复杂的控制算法与先进的控制策略;SCI串行通讯接口与PC上位机进行实时通讯,完成程序设计、数据采集及上位监控等功能;事件管理器的通用定时器用于产生电流和速度控制周期;16位脉宽调制PWM通道产生的信号供给驱动模块IGBT,通过调整PWM的占空比,进行电压自动调节,实现对无刷直流电机的转速和电流的控制;10位A/D转换接口用于测量电机的定子电流;正交编码器接口QEP用于接收光电编码器的反馈信号并计算转速;5个外部实时中断用于电机驱动保护和复位;3个捕捉单元可对电机转子位置进行检测等,这些资源为实现无刷直流电机数字化、智能化的研究与应用提供了极大方便,也是目前具有竞争力的数字电机控制器。
    2.2 无刷直流电机
    采用1500转/分,1.78A,27V电压供电的无刷直流电机,定子为三相对称绕组,转子是永磁体结构,采用星形接法两相通电三相6状态运行方式。
    当定子绕组两相通上方波电流产生的磁场与转子永磁磁场垂直时,则产生最大的电磁转矩驱动转子旋转。随着转子的旋转定子电流需要不断换相,才能保证两个磁场下的电流方向不变,因此通过控制三相定子电流的通电顺序和大小,就可实现电机转速的控制。
    2.3 功率驱动模块
    功率驱动采用东芝公司的IPM模块,包括驱动电路、逆变电路及保护电路,逆变电路采用6单元IGBT三相星形全桥连接驱动方式。pcb抄板利用高速光耦TLP550实现隔离驱动,使用事件管理器EVA的PWM脉冲信号控制逆变器的工作状态,再根据转子磁极的位置进行电机定子电流实时换相的逻辑控制;通过调节PWM脉冲的占空比可改变电机绕组的平均电压,从而控制定子电流的大小;使用可编程PWM死区控制可以防止逆变桥短路的现象。
    2.4 定子电流检测
    电流检测采用2个霍尔电流传感器CSNE151,分别检测A、B两相的相电流(因为任一时刻只有两相通电),再整合成一直流电流,经滤波后送DSP的A/D转换模块,则系统可采用一个电流调节器对电机的电流进行闭环控制。
    2.5 位置检测与速度计算
    转子位置是通过3个互差120°脉冲宽度为180°的霍尔位置传感器
    ,来实时检测转子磁极位置的6个循环变化状态,每个60°电角度对应电机的某一对磁极下的一个位置,转子位置状态每变化一次,绕组导通就改变一次。
    A、B两路脉冲信号送入DSP的正交编码脉冲接口单元QEP的QEP1和QEP2引脚,经译码逻辑单元产生时钟信号CLK和转向信号DIR,将CLK作为定时器1的时钟输入,由T1对CLK进行脉冲计数,可以产生60°电角度脉冲信号的中断。即根据霍尔位置传感器的状态信息,结合换相逻辑,DSP控制逆变器的导通或截止,从而控制电机定子绕组电流的换相。

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