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基于DSP的永磁无刷直流电机速度控制
摘要：本文介绍使用TMS320F2812 DSP控制器的永磁无刷直流电机的数字速度控制。这里使用的DSP控制器具有数字电机控制的特点，并且用于速度控制的控制算法已经通过TMS320F2812 DSP控制器中的汇编语言编程实现。根据输入命令、反馈和控制算法，每相的PWM脉冲由DSP产生，并提供给MOSFET驱动器。驱动器的输出是6个独立的PWM脉冲，必须提供给三相桥式逆变器中使用的六个MOSFET功率开关的相应门极，输出被给予无刷直流电机的定子。完整的系统模型在MATLAB / Simulink环境中进行了仿真，并且通过在DSP控制器TMS320F2812中的编程实现了速度控制的硬件实现。
关键词：无刷直流电机，DSP控制器，脉宽调制（PWM），TMS320F2812
1.介绍
PMBLDC电机在大功率伺服应用中的需求具有损耗低、维护量低、转子惯性低等特点，因而效率高。现代固态器件如MOSFET、IGBT和高能稀土永磁体的发明也广泛地增强了变速驱动器中PMBLDC电机的应用。 控制需求的不断减少，从而降低驱动器的成本。 在这项工作中，开发了一种数字控制器，该控制器使用德州仪器（TI）最近推出的DSP控制器（TMS320F2812）的最小数量的组件用于电力电子应用[1],[2]。
传统的廉价模拟元件被用于电机驱动器。模拟系统的一个缺点是它们对温度变化和部件老化的敏感性， 另一个缺点是升级系统的难度。 数字控制结构消除了漂移，并且通过使用可编程控制器，可以通过软件轻松实现升级。 数字信号控制器的高性能允许他们执行高分辨率控制并最大限度地减少控制环路延迟。 这些有效的控制使其可以在所有速度范围内减少扭矩波动、谐波和改善动态特性。由于电机设计得到优化，产生了较低的振动和较低的功率损耗，如谐波损耗在转子[6]。
此外，设计人员已经认识到重新设计现有系统以使用高级算法的机会。 为了提高效率和转矩性能，无刷直流（BLDC）电机需要相位提前电路。由于BLDC电动机控制相位提前的问题，我们需要数字控制方法，而不是传统的模拟控制用于PMBLDCM的速度控制。 通过应用直接数字控制，它将显著增加有效速度范围并促进恒定的功率曲线。 SP控制器的设计由于更好的转速特性、高效率、高功率到机架尺寸、无声操作、 可靠性，满足了无刷直流电机的基于控制的应用需求[7],[8]。
SP支持：设计强大的控制器，用于无刷电机全新可变速度控制，具有更低的制造成本和更高的可靠性，节省高达25％的固定速度控制器使用的能源，降低了制造和维护成本 ，由于较小的转矩波动产生，运行更加高效、安静，导致功率损失较小，振动较小，寿命更长。TMS320F2812 DSP控制器旨在满足基于控制的应用需求。每秒2000万条指令（MIPS），DSP控制器比传统的16位微控制器和微处理器提供了显着的性能[10]-[12]。
在本文中，详细介绍了经典建模方程实现的PMBLDCM建模。 在仿真中使用数字PI控制器来实现闭环速度控制。而在硬件部分，控制算法在DSP控制器TMS320F2812中实现。 本文使用的换流方案在理论上也是六步梯形换向与正弦换向之间的折中。 与现有的梯形换向相比，这种换向方案具有相当小的转矩脉动，而且它解决了与正弦换向相关的较高开关损耗的固有缺点。换向仿真在MATLAB / Simulink环境中进行。
2.建立基于MATLAB / SIMULINK的模拟模型
图1 PMBLDC电机闭环速度控制框图
无刷电机速度控制框图如图1所示，由速度控制器、参考电流发生器、电流补偿器、PWM和换向逻辑电路、电压源逆变器（VSI）和PMBLDCM以及传感器组成。 所提出的模型具有灵活的结构，使得用户可以轻松地更改电机参数，而不像BLDC电机的状态空间模型灵活。 每个子系统确定BLDC电机的参数[2]。 完整的Simulink模型如图2所示。Simulink模型的不同子系统也被进行了详细的讨论。
图2 Simulink模型
2.1无刷直流电动机的建立
BLDC电机的建模是使用经典建模方程完成的，因此与状态空间模型不同，电动机模型是高度灵活的。基于BLDC电机的动态等效电路描述了这些方程，如图3所示。
图3 BLDCM的等效电路
BLDC电机具有三个定子绕组和一个永磁转子。对于建模和仿真的目的，假设是定子绕组、三相平衡系统和均匀气隙的常见“Y”连接。 与自感相比，定子相绕组之间的互感可以忽略，因此在设计模型[2]时忽略。经典建模方程涉及到如下方程：
—— 中性点节点电压
，，——定子相电压
，，——在后期阶段
对于这个模式，考虑一下symmtrical绕组，每相定子电阻,和电感周期相对于中性点的定子相电压由下式给出： （2）
（3）
（4）
这里，,,是相对于中性点的定子相电压。同时：
(5)
(6) (7) 这里,, , 子相电流，反电动势将形成：
(8)
(9)
(10)
定子相电流估计为：
(11)
（12） （13）
总电力转矩发展：
（14）
动力学的动力学模型方程：
（15）
这里，j-惯性矩，B-摩擦常数,我们再次知道：
(16)
(17)
BLDC电机的完整系统模型如图4所示，其中根据上述经典建模方程式创建其中的每个子系统。
图4 BLCM子块
2.2数字PI控制器
通过使用加法器将转子速度与参考速度进行比较来得到PI控制器的输入，并且将所得到的误差在第n个采样时刻估计为：
（18）
图5表示数字PI控制器的仿真模型
图5数字PI控制器
2.3参考电流发生器
通过使用参考转矩和反电动势常作为来确定三相电流的大小。 。 根据转子位置，参考电流发生器模块产生三相参考电流，来自霍尔传感器和速度误差信号的三个位置信号相乘以产生参考电流发生器 图6表示参考电流发生器的仿真模型。
图6 R法兰电流发生器
2.4电流补偿器
比较来自参考电流发生器的三个参考电流输出和来自电动机的实际电流，并将所得到的输出给予PWM子块。当前的补偿器子系统如图7所示：
图7电流补偿器
2.5新型换向计划
无刷直流电动机根据所产生的旋转电压（反电动势）可分为正弦型或梯形型。梯形激励具有较低的开关损耗，而正弦激励具有较低的铜损。梯形激励的相对较低的开关损耗是由于只有一个相位在一个频率处斩波，而在正弦波型中，所有三相都在同时斩波[4],[5]。梯形和正弦换向可以如下进行。在梯形换向中，开关转换较小，实现更简单，转矩波动较大，谐波性能较差。但正弦换向谐波性能较好，理论上无转矩波动。开关损耗较高，在正弦换向中实现复杂。一种新型的换向方案可以减少梯形和正弦换向的缺点。该换流方案利用2电平逆变器的六个非零开关矢量在任何时刻来合成参考矢量。
该方案在不使用高分辨率编码器的情况下实现近似正弦变换，并且切换次数也减少。因此，开关损耗将大大降低，导致开关损耗降低。对于2电平逆变器有8个可用的开关状态，其中6个是非零开关矢量，2个是零矢量。切换图2所示的矢量以合成参考矢量[3]。六个有效的非零向量位于六边形的顶点。六角形分为六个标记为1-6的区域。
图8在换向方案中使用的切换向量
可以注意到，在图8中标记为2的区域中，位于该区域的端部的向量为 100和110这里，对于逆变器电路A的三相被钳位到1和C相被钳位到零。开关的唯一相位是相位B。因此，如果可以从转子位置识别2级逆变器的六个区域中的三相中只有一个需要切换。这种换向方案是仅使用非零向量来合成参考矢量的思想来实现的。安装在电机上的霍尔传感器将提供有关当前转子位置的信息，这可以用作确定二电平逆变器区域的信息。然后，根据识别出的三个相中的两个相需要被钳位，并且根据PWM信号的状态只需要切换一个相。这种换向方案将导致切换次数最少[3]，[5]。在所提出的模型中使用的换向方案的逻辑顺序被构造并存储在使用写入用户定义块的MATLAB“m文件”来模拟的EPROM内。
表1.两级反相器的切换矢量和区域以及要钳位的相应相位和要切换的相位
|
交换向量 |
地区 |
阶段状态 |
|
101,100 |
1 |
APH被钳位到Vdc，BPH是钳位到GND，CPH将切换取决于PWM |
|
100,110 |
2 |
APH被钳位到Vdc，BPH会切换取决于PWM ,CPH被钳位到GND |
|
110,010 |
3 |
APH被钳位到Vdc，BPH是钳位到GND, CPH将切换 取决于PWM |
|
010,011 |
4 |
APH将切换 PWM，BPH被钳位到Vdc ,CPH被钳位到GND |
|
011,001 |
5 |
APH被钳位到GND，BPH会切换取决于PWM ,CPH 被钳位到Vdc |
|
001,101 |
6 |
APH将切换PWM，BPH被钳位到GND,CPH被钳位到Vdc |
所提出的换向方案利用2电平逆变器的六个非零开关矢量在任何时刻合成参考矢量。从图2可以看出，有6个区域。 考虑编号为1的区域，开关矢量100和100。通过检查这些电压矢量，发现APH被钳位到VDC，BPH被钳位到地或零电压，CPH将根据PWM切换。 对于每个区域，将采用类似的切换策略。 整体切换次数的减少将导致开关损耗较少。 其中APH表示A的相电压，BPH表示B的相电压，CPH表示相电压，VDC表示直流母线电压。表II显示了2级逆变器的区域和要钳位的相应相位和要切换的相位[5]。
3. TMS320F2812的实现
图9采用DSP控制的3相PWM逆变器馈入PMBLDCM
TMS320F2812是主频为150MHz的新一代控制器，DSP的速度和特点使其成为电机数字控制的理想选择。它具有12脉冲宽度调制（PWM）输出和12位模数转换器。快速转换周期约为80ns，非常适合实时采样。电机控制外设为ADC模块和事件管理器模块[12]。图9为使用TMS320F2812的速度控制框图。PWM算法的应用需要时间参考，比较机制和数字输出。 DSP的事件管理器模块具有通用（GP）定时器，可用作时间参考，全比较/ PWM单元作为比较机制，并具有专用数字PWM输出。由于在TMS320 F2812中有两个事件管理器模块称为EVA和EVB，它有六个独立的PWM输出对;其中三个由EVA控制，另外三个由EVB控制[13]。 ADC模块具有16个通道，并在0至3V之间输入。转换时间为12.5MSPS，非常适合实时采样且具有高精度。
转换开始（SOC）序列可以由软件、事件管理器或外部引脚触发[14]。 为了设计最有效的DSP系统，必须仔细优化代码以使控制器的大部分可用资源。这里实现了集成语言编程，其提供最快的执行和最紧凑的形式算法。主计算机中的汇编器将汇编程序转换成可以下载到控制器的程序存储器中以执行的目标代码。软件开发工具由DSP控制器制造商提供，为控制器开发高效代码。德州仪器的代码作曲家工作室是一个集成开发环境，集成了C编译器、汇编器、链接器、模拟器、调试器等，具有开发DSP软件的图形。
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