《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于TMS320F2812無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)
摘要: 以TMS320F2—812為核心的全數(shù)字電機(jī)控制系統(tǒng)極大地簡化了硬件設(shè)計,提高了系統(tǒng)的可靠性,降低了成本,并對無刷直流電機(jī)的普及應(yīng)用具有良好的前景。為此,提出了一種基于TMS320F2812的全數(shù)字永磁無刷直流電機(jī)控制方案。
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  1 引言

  眾所周期,無刷直流電機(jī)既具有交流電機(jī)簡單,運(yùn)行可靠,維護(hù)方便等優(yōu)點,又具有直流電機(jī)運(yùn)行效率高,不受機(jī)械換向限制,調(diào)速性能好,易于做到大容量、高轉(zhuǎn)速等特點。TI公司的TMS320F2812數(shù)字信號處理器(DSP)既具有高速信號處理和數(shù)字功能所需的體系結(jié)構(gòu)。還具有專為電機(jī)控制應(yīng)用提供單片解決方案所需的外圍設(shè)備。以TMS320F2—812為核心的全數(shù)字電機(jī)控制系統(tǒng)極大地簡化了硬件設(shè)計,提高了系統(tǒng)的可靠性,降低了成本,并對無刷直流電機(jī)的普及應(yīng)用具有良好的前景。為此,提出了一種基于TMS320F2812的全數(shù)字永磁無刷直流電機(jī)控制方案。

  2 系統(tǒng)設(shè)計方案

  該系統(tǒng)設(shè)計采用三相Y型永磁方波無刷電機(jī)PWM控制方案,通電方式為兩兩通電。圖1給出控制系統(tǒng)原理框圖。它采用全數(shù)字三閉環(huán)控制。其中,電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器,速度環(huán)采用遇限削弱積分的積分分離PID控制算法,它的輸出極性決定了正反轉(zhuǎn)方向,從而可實現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行。位置環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器。逆變器采用全橋型PWM調(diào)制。

控制系統(tǒng)原理框圖

  3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

  圖2給出基于TMS320F2812的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。采用TMS320F2812作為控制器,用于處理采集到的數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令。TMS320F2812控制器首先通過3個I/0端口捕捉直流電機(jī)上霍爾元件H1,H2,H3的高速脈沖信號,檢測轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動位置,并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置發(fā)出相應(yīng)的控制字,以改變PWM信號的當(dāng)前值,進(jìn)而改變直流電機(jī)驅(qū)動電路(全橋控制電路IGBT)中功率管的導(dǎo)通順序,實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向的控制。電機(jī)的碼盤信號A,B通過TMS320F2812 DSP控制器的CAPl,CAP2端口捕捉的。捕捉到的數(shù)據(jù)存儲在寄存器中,通過比較捕捉到A,B兩相脈沖值,以確定當(dāng)前電機(jī)的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)和轉(zhuǎn)速。在系統(tǒng)運(yùn)行中,驅(qū)動保護(hù)電路檢測當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),如果系統(tǒng)中出現(xiàn)過流或欠壓狀況,PWM信號驅(qū)動器(IR2131)啟動內(nèi)部保護(hù)電路,鎖存后繼PWM信號輸出,同時通過FAULT引腳拉低TMS320F2812控制器的PDPINTA引腳電壓,啟動DSP控制器的電源驅(qū)動保護(hù)。這時所有EV模塊的輸出引腳將被硬件置為高阻態(tài),從而保護(hù)控制系統(tǒng)。以下主要介紹系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)子位置檢測電路、相電流檢測電路、驅(qū)動電路、系統(tǒng)保護(hù)電路等。

基于TMS320F2812的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)

  3.1 轉(zhuǎn)子位置檢測電路

  控制無刷直流電機(jī)時,DSP控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子的當(dāng)前轉(zhuǎn)動位置,發(fā)送相應(yīng)的控制字,通過改變PWM脈沖信號的占空比控制電機(jī)。無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置是由位置傳感器來檢測的。該系統(tǒng)設(shè)計采用了3個光電式位置傳感器(霍爾元件),它們是利用光電效應(yīng)制成的,由跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光板和固定不動的光源及光電管等部件組成。

  隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn),光電管間歇接收從光源發(fā)出的光,不斷導(dǎo)通和截止,從而產(chǎn)生一系列“0”和“l”的信號。這些脈沖信號通過I/0端口傳輸給DSP,DSP讀取霍爾元件的狀態(tài)值,以確定轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置。再通過改變PWM信號的占空比控制驅(qū)動電路,改變IGBT的導(dǎo)通順序,實現(xiàn)電機(jī)的換相控制.并調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)驅(qū)動電路控制橋臂上的功率管導(dǎo)通順序為VQ1,VQ2→VQ2,VQ3→VQ3,VQ4→VQ4,VQ5→VQ5,VQ6→VQ6,VQ1(兩兩通電)。電機(jī)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈,H1,H2,H3將出現(xiàn)10l→100→110→010→011→00l的6種狀態(tài),DSP對每一種狀態(tài)發(fā)送相應(yīng)的控制字。改變電機(jī)的通電相序,實現(xiàn)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行。圖3給出電機(jī)驅(qū)動電路控制原理圖。

電機(jī)驅(qū)動電路控制原理圖

  3.2 相電流檢測電路

  電流反饋通道由霍爾元件、運(yùn)算放大器和A/D轉(zhuǎn)換器組成。電流反饋采用變比為1:1 000的磁平衡式霍爾元件,該元件的輸出為電流信號,并且信號較弱,必須經(jīng)過精密電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號,再經(jīng)過放大處理,得到電流的雙極性信號。因為DSP中A/D轉(zhuǎn)換單元的輸入范圍是0~3.3 V(單極性),需要設(shè)計將雙極性信號變?yōu)閱螛O性的電路,再送到A/D轉(zhuǎn)換器。圖4給出電路原理圖。

電路原理圖

  3.3 驅(qū)動電路

  電機(jī)控制器驅(qū)動電路采用IR2131(見圖5)。IR2131/IR2132是一種采用高壓、高速功率MOSFlET和IGBT的驅(qū)動器。IR2131可同時控制6個功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷。通過輸出端口H01,H02,H03分別控制三相全橋驅(qū)動電路中上半橋VQ1、VQ5、VQ5的導(dǎo)通和關(guān)斷,通過輸出端口L0l、L02、L03分別控制三相全橋驅(qū)動電路中下半橋VQ4、VQ6、VQ2的導(dǎo)通和關(guān)斷,從而實現(xiàn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)。

電機(jī)控制器驅(qū)動電路采用IR2131

  3.4 系統(tǒng)保護(hù)電路

  在無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中,保護(hù)電路具有重要作用,可保護(hù)控制系統(tǒng)的核心器件DSP免受高壓、過電流的沖擊,同時也保護(hù)電機(jī)的驅(qū)動電路免遭損壞。整個系統(tǒng)的保護(hù)電路主要由電路隔離、信號隔離和驅(qū)動保護(hù)3部分組成。

  3.4.1 隔離電路

  信號隔離電路是把控制電路與驅(qū)動電路之間的控制信號和驅(qū)動信號通過光電隔離器進(jìn)行信號隔離,實現(xiàn)不同電壓之間的信號傳輸,如圖6所示。該隔離電路可實現(xiàn)對DSP的6路PWM輸出信號與IGBT的光電隔離,并實現(xiàn)驅(qū)動和電平轉(zhuǎn)換功能。

光電隔離的驅(qū)動回路

 

  3.4.2 保護(hù)電路

  為保證系統(tǒng)中功率轉(zhuǎn)換電路及電機(jī)驅(qū)動電路安全可靠工作,TMS320F2812還提供了PDPINT輸入信號,利用它可方便地實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的各種保護(hù)功能。圖7給出具體實現(xiàn)電路。各種故障信號由CD8128綜合后,經(jīng)光電隔離輸入到PDPINT引腳。有任何故障狀態(tài)出現(xiàn)時CD8128輸出低電平,PDPINT引腳也被拉為低電平。此時,DSP內(nèi)的定時器立即停止計數(shù),所有PWM輸出引腳全部呈高阻狀態(tài).同時產(chǎn)生中斷信號,通知CPU有異常情況發(fā)生。整個過程不需程序干預(yù),全部自動完成,這對實現(xiàn)各種故障狀態(tài)的快速處理非常有用。

保護(hù)電路

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  4 系統(tǒng)與上位機(jī)的通訊

  系統(tǒng)采用SCI接口完成與上位機(jī)的通訊功能,采用RS一232通信,通過上位機(jī)給定位置量.同時控制過程中電機(jī)的速度、電流、位置反饋量等參數(shù),以實時發(fā)送上位機(jī)顯示;SPI接口完成串行驅(qū)動數(shù)碼管顯示功能.通過數(shù)字I/0擴(kuò)展的鍵盤設(shè)定位置給定量,由數(shù)碼管顯示。

  5 實驗結(jié)果

  在硬件電路的基礎(chǔ)上,通過軟件編程得到圖8所示的兩個實驗結(jié)果。其中,圖8(a)為系統(tǒng)在常規(guī)PID控制下的系統(tǒng)跟蹤特性曲線;圖8(b)為系統(tǒng)在模糊PID系統(tǒng)跟蹤特性下的試驗曲線。

實驗結(jié)果

  6 結(jié)語

  采用TMS320F2812為核心設(shè)計的數(shù)字伺服系統(tǒng),解決了伺服系統(tǒng)中PWM信號的生成、電機(jī)速度反饋及電機(jī)電流反饋問題,方便地實現(xiàn)了保護(hù)功能,極大地簡化了系統(tǒng)硬件設(shè)計,提高了系統(tǒng)的可靠性,減小了伺服系統(tǒng)的體積。降低了成本(降低約20%)。實驗結(jié)果驗證了該方法的有效性。

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