基于ADMCF340的永磁无刷直流电机控制系统设计

摘要：随着直流无刷电机应用领域的不断扩大，对控制系统的稳定性和实时性提出了更高的要求。以DSP芯片ADMCF340为控制核心，设计了永磁无刷直流电机的控制系统，并给出了部分硬件电路图和控制软件流程图。该系统利用DSP芯片的快速运算功能和面向电机控制的专用外围设备，实现了电流、速度的全数字双闭环控制。研究结果表明，该系统稳定可靠，实时性良好，为永磁无刷直流电机的广泛应用提供了一定的理论参考依据和工程实际方法。
关键词：永磁无刷直流电机；DSP控制器；ADMCF340芯片；电机控制

0 引言
    直流无刷电机实际属于永磁同步电机，一般转子为永磁材料，随定子磁场同步转动。这种电机结构简单，而且由于移去了物理电刷，使得电磁性能可靠，维护简单，从而被广泛应用于办公自动化、家电等领域。直流无刷电机的运行过程要进行两种控制，一种是转速控制，也即控制提供给定子线圈的电流；另一种是换相控制，在转子到达指定位置改变定子导通相，实现定子磁场改变，这种控制实际上实现了物理电刷的机制。因此这种电机需要有位置反馈机制，比如霍尔元件、光电码盘，或利用梯形反电动势特点进行反电动势过零检测等。电机速度控制也是根据位置反馈信号，计算出转子速度，再利用PI或PID等控制方法，实时调整PWM占空比等来实现定子电流调节。因此，控制芯片要进行较多的计算过程。当然也有专门的直流无刷电机控制芯片，但一般来说，在大多数应用中，除了电机控制，总还需要做一些其他的控制和通信等事情，所以，选用带PWM、同时又有较强数学运算功能的芯片也是一种很好的选择。
    ADI的数字信号处理器ADMCF34X系列整合了通用数字信号处理器快速运算功能和单片机外围丰富的特点，使得该系列特别适合于那些要求有较强的数据处理能力，同时又要有较多控制功能的应用中，对直流无刷电机的控制就是这一系列DSP的典型应用之一。

1 ADMCF340芯片简介
    ADMCF340集成了一个20 MIPS定点DSP内核和一整套外部接口。其中的DSP是完全与ADSP-2100系列数字信号处理器兼容的，这为熟悉ADSP-2100系列的用户使用该控制器带来了便利。
    ADMCF340包括一个三相16位基于中心点脉宽调制(PWM)发生器，可编程脉宽调制，脉冲分辨率达50 ns，可编程窄脉冲检测，最低开关频率可至153 Hz，双／单脉冲工作时间更新方式控制，死区可编程控制器；13个模拟输入通道，高达12位的分辨率；3个双极性模拟电流Isense输入引脚，并具有可编程采样和保持放大器以及过电流保护；两个可用于模拟量输出的辅助PWM输出通道；25个引脚数字输入／输出I／O口，均可独立配置成中断源输入，可用于捕捉直流无刷电机的换相。

2 控制系统的硬件结构
    对BLDC电机的控制可分为两个分立的过程。
第一，保持转子和定子磁场同步；第二，控制定子的电流值。这两个过程都要经过逆变器实现。磁场同步信号来自于位置传感器，根据转子的位置DSP处理器决定适当的晶体管的导通。
    电流控制一般采用PWM模式，根据电流误差信号调节PWM信号的占空比。因此，电流值和电流的变化率都可以被控制。电流取样电路仅用一只串联取样电阻即可完成。如图1所示，其阻值由电机的最大电流决定，即分压电阻上的最大压降不超过0．5 V。图1中RC电路有两个作用，一是滤掉换相噪声，二是滤掉斩波噪声。

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3 控制系统的软件结构
    对于直流无刷电机的控制，软件上的内容是主体。本文中三相直流无刷电机采用PID算法实现全数字双闭环控制。即给定转速与速度反馈量形成偏差，即速度调节后产生电流参考量，它与电流反馈量的偏差经电流调节后形成PWM占空比的控制量，实现电动机的速度控制，如图2所示。

    软件主要包括两个模块，初始化模块和运行模块。初始化模块只在电机启动时执行，运行模块式一个等待循环，等待PWM中断和换相中断。等待循环中也可写入用户控制程序。总体结构如图3所示。每一个PWM周期都产生中断请求，并读取1次A／D转换的结果。中断服务流程如图4所示。由变量PWM_count进行中断计数。每四个中断进行1次PWM脉宽调节。PWM中断服务程序执行需要30个CPU周期，大约1．5μs。

    直流无刷电机的换相由捕捉中断子程序完成。在捕捉中断子程序中完成了速度计算、读取换相控制字和换相操作。

4 结语
    ADI的数字信号处理器ADMCF34X系列凭借着较强的数据处理能力和强大丰富的外围，尤其是25个可独立配置成I／O口或中断的PIO口、PWM调制以及13路12位ADC等模块，非常适用于直流无刷电机控制这样的实时应用中。后台方式控制算法的反应速度快，代码量少，在直流无刷电机等控制过程不很复杂，但对于实时性要求较高的场合，有比较好的特性。