基于DSP控制的无刷直流电机的电动执行器的设计

1 引 言

具有梯形反电动势的永磁同步电动机通常被称为无刷直流电动机，它具有体积小、重量轻、效率高、惯量小和响应快等特点。无刷直流电动机采用电子换向器替代了传统直流电动机的机械换向装置，从而克服了电刷和换向器所引起的噪声、火花、电磁干扰、寿命短等一系列弊病。由于无刷直流电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具有直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，故其在工业领域中的应用越来越广泛。

当前国内生产的电动执行器多由模拟器件控制，精度差；保护措施使用继电器和机械装置，可靠性差；很多电动执行器只能接收模拟信号（4～20mA、 1～5 V），不能与计算机进行通信；系统集成度低、维护困难。这就使得现有的电动执行器不便于调试和维护，也不能根据生产的实际需要进行参数的现场调整，不便于实现数字化的分布式控制。

嵌入了微控制器的智能电动执行器是最新一代的产品。智能电动执行器性能优越，占据了相当的市场份额。这类电动执行器具有可靠性高、使用方便、通信功能强、诊断保护功能完善、适应性广泛等优点。可以说，智能化已经成为电动执行器发展的趋势。

TMS320F240是美国TI公司推出的高性能16位数字信号处理器（DSP），是专门为电机的数字化控制而设计的。这种DSP包括一个定点DSP 内核及一系列微控制器外围电路，将数字信号处理的运算能力与面向电机的高效控制能力集于一体，可以实现用软件取代模拟器件，方便地修改控制策略，修正控制参数，兼具故障检测、自诊断和与上位机通信等功能。因此它强化了电动执行器的作用。

2 DSP的优良特性

TMS320F240是一种广泛适用于各种电机控制的数字信号处理器，它不仅具有一般DSP高速处理数字信号的能力，还将各种电机控制所需要的外围电路集于一体，能够大大提高系统的可靠性。

TMS320F240的系统结构如图2-1所示。




TMS320F240的执行速度很快，内部采用了哈佛结构，流水线作业，在20MHz的时钟频率下，指令周期仅为50 ns，且多数指令都能在一个指令周期内完成。

事件管理器（EV）是该系统DSP芯片特有的专门用于电机控制用的模块，主要由下面几部分构成：

①通用定时器TMS320F240一共有3个16bit的通用计数器（T1、T2、T3），除了用于产生周期信号外，还作为正交脉冲编码单元（QEP）、捕获单元、PWM模块的时基信号。

②比较单元和PWM控制TMS320F240提供了多达9路比较／PWM输出端。其中的6路PWM输出由一个空间矢量模块控制，并具有死区逻辑，不需程序过多的干预就能够方便地产生用于三相全桥逆变器6个功率开关元件的PWM触发信号，从而实现对三相交流感应电机或无刷直流电机的控制。

③捕获单元（CAP）TMS320F240的捕获单元可用于及时地捕捉无刷直流的电动机磁极位置信号的上升／下降沿，并通过查询相关计数器的值来确定电机的转速。

④正交编码器（QEP）TMS320F240的正交编码器可以对与电机同轴的光电编码器、磁编码器所产生的正交编码信号进行计数，继而判断电机的转速、位置、转动方向。

此外，事件管理器还包括串行通信接口（SCI）、串行外设接口（SPI）。

TMS320F240内部有16通道两路转换精度为10位的AD变换器，转换时间仅为6．6μs。在电机调速系统构成电流闭环时，反馈电流信号可以经AD输入CPU处理。除此之外，TMS320F240还提供28个I／O口用于控制系统所需的各种开关量。

3 DSP在电动执行器控制系统中具体应用

3．1 系统构成

系统采用直流无刷电机作为电动执行器的执行部件，文中研究的智能电动执行器的结构如图3—1所示。驱动系统主要包括控制电路、主电路、电机等，不包括机械装置。TMS320F240包含有一般的DSP芯片所没有的双10位模数转换器、基于PWM控制的管理器（6个比较单元、9路PWM输出、2路光电编码器接口的编码单元）。其PWM波形生成单元包含可编程死区控制，可输出非对称PWM波形、对称PWM波形和空间矢量PWM波形。

图中的IPM为智能功率模块（Intelligent PowerModule）。IPM不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且内藏有过电压、过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送CPU。即使发生负载事故或使用不当，也可保证IPM自身不受损坏。目前的IPM一般采用IGBT作为功率开关器件，并内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。

3．2 系统控制

（1）软启动

软启动就是在BLDCM启动过程中采取PWM方式控制逆变器的6个功率开关管，从而起到降低平均电压，限制启动电流的目的。

（2）换相逻辑

系统采用的控制方式为二相导通三相六状态，主电路如图3—2所示。功率器件的排列顺序采用图中所示的上桥臂1，3，5，下桥臂，4，6，2的顺序。按照一定的逻辑关系打开6个功率器件，即可实现电机的正反转。根据磁极位置传感器的信号组合，有6种状态，一一对应于桥臂的开关组合，如从T1， T2→T2，T3→T4，T5→T5，T6→T6，T1→T1，T2，如此循环，反过来即可实现反转。



宽范围调速是衡量调速系统性能的重要指标。考虑到无刷直流电动机的特殊情况，有两种改变电压的方法。其一是每相导通的时间维持不变，改变每相导通时加在线圈上的电压幅度大小来实现调速。这种通过调幅来实现调速的方法，其调速线性度好，但损耗大。为减少损耗，可采用直流电压变换器供电，以实现调压，但这又增加了线路成本。另一种方法是保持每相导通时加在电枢线圈上的电压幅度大小不变，而改变每相导通时间的长短，实质上就是改变了加在线圈上的平均电压的大小，从而也能实现调速。该系统采用DSP控制IPM驱动直流无刷电动机，实现脉宽调制是非常容易的，因而该系统采用后一种方法。

（4）转矩脉动

当电机换相时，电机中性点电压的变化使相电流会有很大的降落，从而形成很大的电机换相转矩脉动。大的转矩脉动容易使电机运动抖动，缩短电机的使用寿命，降低系统运行的可靠性。采用换相补偿后，电机换相转矩脉动有了很大程度的降低。

3．3 软件算法

图3—3给出了其中的位置控制流程。在偏差较大的时候，采用能快速纠偏的非线性控制作为开始的粗定位。为了保证精度，在位置偏差进入较小范围内的时候，控制器由非线性控制换成线性控制，从而保证了位置控制的快速性和精确性。

4 试验结果

（1）系统使用的BLDCM特性，它的相电阻R＝1．6Ω，相电感L＝5．5 mH，在交流输入电压恒定为380V情况下，用调节PWM信号（PWM周期1 ms）的占空比的方式实现BLDCM开环调速，得到的数据见表4—1。



可见，对于转速开环的PWM控制方式，占空比与转速呈非线性关系。

（2）系统小行程实验结果：

初始位置为0，位置给定值为240脉冲（5圈），采集了15组位置、转速值，得到的相应曲线如图4—1所示。

从位置响应曲线分析，整个定位过程只用了约0．6 s，定位过程平稳且没有超调，定位静差为5个脉冲。由于系统静差要求小于全行程的0．5％，而全行程约为200圈，即只要静差在1圈（48个脉冲）内都可满足要求。从转速响应曲线分析，转速在开始阶段上升很快，中间有短暂的近似匀速运行的阶段，定位后期转速降落迅速。这样的转速曲线是很理想的。

5 结语

基于TMS320F240数字信号处理芯片、智能功率模块IPM、无刷直流电动机的智能电动执行器的驱动系统具有以下主要特点：控制电路简单、软件代替硬件、开发速度快、系统运行平稳。