DSP无刷直流电机全数字化控制系统解析

永磁无刷直流电机（Brushless DC Motor，BLDCM）既具有同步电机的优点，又有直流电机优良的调速性能，在工业领域，尤其是调速和伺服系统中得到了广泛的应用。高速数字信号处理器（DSP）在伺服系统中的应用，大大简化了控制系统结构，提高了系统性能，使无刷直流电机的优点更加突出。
　　本文主要研究采用TI公司的TMS320LF2407A DSP作为控制器的无刷直流电机全数字化控制系统。
　　1控制系统硬件框图设计
　　由直流电动机的运动方程可知：加速度与电动机的转矩成正比，而转矩又与电动机的电流成正比，因此，要实现电机的高精度高动态性能控制，就需要同时对电机的速度、电流及位置进行检测和控制。图1是无刷直流电机控制系统框图，在系统中设置了速度调节器和电流调节器，分别调节电机的转速和电流，两者之间实行串级连接，把速度调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制PWM装置。
　　
　　如图1所示，整个系统控制单元可分为两大部分：虚线框内的功能由TMS320LF2407A DSP组成的最小系统实现，他包括DSP和片外存储器，另一部分则为反馈信号采集部分。电流反馈信号由霍尔元件测得，通过F2407的A／D模块转化为数字量，转子位置信号则用于产生正确的转子换向，光电编码器检测电机的转动方向及转角并反馈回DSP系统，形成闭环控制。系统位置给定由上位机发出。三相交流输入经整流、稳压后为逆变电路提供直流电源，逆变电路的触发信号由上位机提供，其目的是输出占空比可调的PWM信号，通过调整PWM信号宽度以控制功率管的开、关时间，从而实现对无刷电机的控制。
　　2控制策略
　　本系统通过三闭环（即位置环、速度环、电流环）结构实现电机的伺服控制。如图2所示。
　　
　　当电机处于运行状态时，给定的位置信号Ua与反馈位置信号Ub的偏差经过（位置环）PID调节得到速度的参考值Vg，控制器根据测出的反馈位置信息计算出当前转速ωs，Vg与ωs在DSP中进行PI计算（速度环）得到电流的给定电压参考值Uig，电机绕组电流反馈信号经过电流传感器的检测从A／D口送入DSP，经转换得到当前主回路的电流反馈电压值Uif将Uif与Uig进行PI计算，得到的电流调节器的输出去调节占空比，进而控制功率开关管的导通与关断，从而实现对无刷直流电动机位置、转速、电流或转矩的控制。
　　在三闭环控制系统中，电流环和速度环均为内环，位置环为外环。电流环的作用是提高系统的快速性，抑制电流环内部干扰，限制最大电流保障系统安全运行，电流环采用PI调节器。速度环的作用是增加系统抗负载扰动的能力，抑制速度波动，速度环采用PI调节器。位置环的作用是保证系统静态精度和动态跟踪的性能。位置环采用积分分离的PID控制，即在开始跟踪被控量时，先取消积分作用，使比例项迅速跟踪偏差的变化，当被控量接近新的设定值时再将积分作用加入。这样既可以避免超调又可缩短达到稳态的时间，起到了积分校正的作用。图3为位置阶跃响应曲线和位置阶跃式跟踪结果。