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利用DSP控制直流無刷電機(jī)
摘 要：介紹了一種利用雙口RAM實(shí)現(xiàn)DSP與單片機(jī)高速數(shù)據(jù)通信的方法，給出了它們之間的接口電路以及軟件實(shí)現(xiàn)方案。
關(guān)鍵詞：DSP；雙口RAM；接口電路；數(shù)據(jù)通信
直流無刷電機(jī)實(shí)際屬于永磁同步電機(jī)，一般轉(zhuǎn)子為永磁材料，隨定子磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。這種電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且由于移去了物理電刷，使得電磁性能可靠，維護(hù)簡(jiǎn)單，從而被廣泛應(yīng)用于辦公自動(dòng)化、家電等領(lǐng)域。直流無刷電機(jī)運(yùn)行過程要進(jìn)行兩種控制，一種是轉(zhuǎn)速控制，也即控制提供給定子線圈的電流；另一種是換相控制，在轉(zhuǎn)子到達(dá)指定位置改變定子導(dǎo)通相，實(shí)現(xiàn)定子磁場(chǎng)改變，這種控制實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了物理電刷的機(jī)制。因此這種電機(jī)需要有位置反饋機(jī)制，比如霍爾元件、光電碼盤，或者利用梯形反電動(dòng)勢(shì)特點(diǎn)進(jìn)行反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)等。利用光電編碼器的系統(tǒng)在軟件實(shí)現(xiàn)上更方便。電機(jī)速度控制也是根據(jù)位置反饋信號(hào)，計(jì)算出轉(zhuǎn)子速度，再利用PI或PID等控制方法，實(shí)時(shí)調(diào)整PWM占空比等來實(shí)現(xiàn)定子電流調(diào)節(jié)。因此，控制芯片要進(jìn)行較多的計(jì)算過程。當(dāng)然也有專門的直流無刷電機(jī)控制芯片；但一般來說，在大多數(shù)應(yīng)用中，除了電機(jī)控制，總還需要做一些其他的控制和通信等事情，所以，選用帶PWM，同時(shí)又有較強(qiáng)數(shù)學(xué)運(yùn)算功能的芯片也是一種很好的選擇。Motorola的數(shù)字信號(hào)處理器DSP568xx系列整合了通用數(shù)字信號(hào)處理器快速運(yùn)算功能和單片機(jī)外圍豐富的特點(diǎn)，使得該系列特別適合于那些要求有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，同時(shí)又要有較多控制功能的應(yīng)用中，對(duì)直流無刷電機(jī)的控制就是這一系列DSP的典型應(yīng)用之一。
直流無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)和連接
三相直流無刷電機(jī)采用二二導(dǎo)通、三相六狀態(tài)PWM調(diào)制方式。電機(jī)定子繞組軸向示意圖如圖1所示。
當(dāng)電流從A到B時(shí)，定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)為圖1中A－B方向，如果電機(jī)順時(shí)針運(yùn)行，此時(shí)，永磁轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)應(yīng)位于III區(qū)，產(chǎn)生的扭矩最大。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過III區(qū)和IV區(qū)的交界，到達(dá)IV區(qū)時(shí)，定子繞組電流應(yīng)相應(yīng)改變成為從A到C，即產(chǎn)生的磁場(chǎng)成為圖1中A－C方向。
這樣，定子磁場(chǎng)總超前轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)約90°，使轉(zhuǎn)子不斷的向前跟進(jìn)。實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程的關(guān)鍵是取得轉(zhuǎn)子位置，積分編碼器就起這個(gè)作用，如它的三路輸出：PHASEA、PHASEB、PHASEC，在轉(zhuǎn)子分別位于圖1中的I到VI各區(qū)時(shí)，輸出信號(hào)相應(yīng)為：011、001、101、100、110、010。這樣，通過捕捉積分編碼器任一路輸出上的跳變沿，讀取跳變沿后的積分編碼器輸出狀態(tài)，就可以確定轉(zhuǎn)子的新位置，實(shí)現(xiàn)定子繞組電流換向。同時(shí)，利用定時(shí)器檢測(cè)兩次換向之間的時(shí)間間隔，計(jì)算出電機(jī)運(yùn)行的速度，再通過調(diào)整PWM信號(hào)的占空比，調(diào)整定子電流，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。
DSP568xx中使用到的主要模塊
在Motorola的DSP568xx系列數(shù)字信號(hào)處理器的軟件開發(fā)包中，給出了一個(gè)利用上述思路對(duì)直流無刷電機(jī)控制的應(yīng)用程序：bldc_sensors。主要用到了DSP的脈寬調(diào)制PWM模塊、定時(shí)器模塊、相位檢測(cè)器DECODER模塊。
PWM模塊共有六路輸出，分別用來控制三相的頂?shù)坠擦鶄�(gè)功率管。
模塊可以被配置成互補(bǔ)通道模式，即PWM0與PWM1為一對(duì)互補(bǔ)對(duì)，共三對(duì)互補(bǔ)對(duì)，如圖2所示。互補(bǔ)對(duì)內(nèi)的兩個(gè)信號(hào)可以在芯片內(nèi)部被互相交換，如圖2中C相所示；也可以同時(shí)被屏蔽，使得輸出全為0，該相就關(guān)斷，如圖2中A相所示。
定時(shí)器模塊是最普通的外設(shè)，在這個(gè)應(yīng)用中，使用了5個(gè)定時(shí)器模塊，它們分別是A0、A1、A2、A3和D0。前3個(gè)分別接積分編碼器的一路輸出，利用它們的輸入捕捉功能，產(chǎn)生中斷，在中斷子程序內(nèi)檢測(cè)新的積分編碼器輸出狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)換相。A3接的也是積分編碼器的一路輸出，它用來測(cè)量某路霍爾信號(hào)兩個(gè)跳變沿間的時(shí)間間隔，計(jì)算轉(zhuǎn)子速度。D0用來產(chǎn)生20ms間隔的節(jié)拍，周期性的對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和檢測(cè)。
相位檢測(cè)器DECODER模塊對(duì)于電機(jī)控制非常有用，它不僅能用于本文所說的六狀態(tài)積分編碼器，還能用于轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生相當(dāng)多數(shù)目脈沖的積分編碼器。該模塊框圖如圖3所示。
但在本應(yīng)用中，只用到了它的干擾信號(hào)濾波器，即使用了積分編碼器的三路輸出經(jīng)過濾波后的值。六狀態(tài)積分編碼器的三個(gè)輸出PHASEA、PHASEB、PHASEC分別接到相位檢測(cè)器的PHASEA、PHASEB、INDEX三個(gè)輸入端上。
控制算法
對(duì)于無刷直流電機(jī)的控制，軟件上的內(nèi)容是主體。
程序是一種前后臺(tái)結(jié)構(gòu)，前臺(tái)是一個(gè)死循環(huán)，死循環(huán)內(nèi)作兩個(gè)工作，一個(gè)是程序狀態(tài)轉(zhuǎn)換ApplicationStateMachine()，另一個(gè)是20ms時(shí)鐘節(jié)拍觸發(fā)的LED控制、直流電壓數(shù)字值讀取和速度控制等服務(wù)性工作ServiceLedISR()。程序中有一個(gè)全局變量ApplicationMode，取值可以是Init、Stopped、Running和Fault，用來指示系統(tǒng)的狀態(tài)。main()函數(shù)一開始在初始化函數(shù)Initialize()中先把系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)置為Init，然后在程序狀態(tài)機(jī)ApplicationStateMachine()里實(shí)現(xiàn)如圖4所示的轉(zhuǎn)換。
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