一种新型无刷直流电机伺服系统的设计

1 引 言

　　无刷直流电机具有质量轻、寿命长、调速范围宽、启动转矩大、电磁转矩与磁链耦合小等优点，在控制系统中获得了越来越广泛的应用。但其存在换相时电磁转矩扰动、负载扰动、参数变化等缺点，因此需要有先进的控制策略来提高系统的控制性能. 。基于智能控制思想的模糊控制算法的最大特点是不依赖于对象模型，而是利用所制定的模糊控制规则进行推理以获得合适的控制量，适合无刷直流电机驱动控制策略的要求。系统采用PID和模糊自适应PID相结合的控制策略。利用ALTERA公司的MAX7000系列CPLD器件和美国TI公司的面向电机控制的专用DSP芯片TMS320LF2407A作为控制器的核心，完成了无刷直流电机控制器硬件的设计，不仅大大简化了外围电路，而且使系统的适时性和可靠性得到了提高。

2 硬件设计

　　2．1 无刷直流电机伺服系统的组成

　　无刷直流电机控制系统主要由DSP模块单元、CPLD逻辑控制单元、驱动电路单元、位置检测单元、电流检测单元等组成，组成框图如图1所示。CPLD主要用于完成相应的电流斩波、外围电路的实现、产生PWM信号、过流保护、欠压保护、A／D采样等功能[5]。其中产生PWM信号的原理是采用DSP引脚T1PWM输出一路脉宽调制信号PWM和无刷直流电机反馈的三路转子磁极位置信号以及电机正反转信号并送到CPLD进行逻辑处理，输出六路PWM调制信号PWM1一PWM6，经一个反向驱动电路连接到六个开关管，实现定额PWM和换相控制。CPLD还负责A／D采样，并把转换结果写入到FIFO中，当转换结束时通知DSP，当DSP收到结束信号时，可以从FIFO中读取A／D转换的数据，从而避免了A／D转换过程中受DSP的频繁干预，简化了采样控制，最大程度地减轻了DSP的负担。VHDL语言在CPLD芯片中实现功能时，各进程之间采用并行处理方式，因此具有较好的实时性。DSP主要用于响应CPLD发送来的控制指令以及处理采集到的数据和实现控制策略等。

　　2．2 位置检测和速度计算

　　位置信号通过三个霍尔传感器得到，每个霍尔传感器都产生一个180。脉宽且相位差互呈120。的输出信号，它们在每个机械转中都有6个上升或下降沿，而每一个上升或下降沿对应着一个换相时刻。通过将DSP的捕捉口CAP1～CAP3设置为I／O口、并检测该口的电平状态，就可以知道哪一个霍尔传感器的什么沿触发的捕捉中断。在捕捉中断处理子程序中，根据换相控制字查表就能得到换相信息，实现正确换相。

　　位置信号还可用于产生速度控制量。每个机械转有6次换相，转子每转过6O°机械角都有一次换相，只要测得两次换相的时间间隔△t，就可通过t0=60°／△t计算出两次换相间隔期间的平均角速度。△t可以通过在捕捉中断发生时读T2CNT寄存器的值来获得。计算所得到的速度值作为速度反馈量参与速度调节计算。三相无刷直流电动机在启动时也需要位置信号。通过三个霍尔传感器的输出来判断应该先给哪两相通电，并且给出一个不变的供电电流，直到第一次速度调节[2]。

　　2．3 系统保护电路的设计

　　在无刷直流电机控制系统中，保护电路占据着很重要的地位。对功率运放使用的关键是使结温尽可能低。使结温降低有两个方法，一是降低功耗，二是减小热阻。由于功率大小由系统本身的需要而定，因此要降低结温只有选择合适的散热器。为了使系统可靠地工作，还必须对电流和发热等进行限制，使功率元件工作在安全工作区内。其中限流的工作原理是通过取样电阻检测全桥低边电流，再把检测电流送人CPLD的逻辑控制单元中，如果电流超过所设定的门限值时，产生过流信号。系统采用CPLD接收来自功率驱动电路的过流和欠压信号，将过流和欠压信号逻辑相或产生的综合故障信号反馈给DSP（高电平有效），当驱动电路出现过流或欠压时，DSP将关闭定时器T1，此时不产生PWM控制信号，直到重新加电，从而实现对驱动电路和电机的保护。