基于DSP的无刷直流电机控制系统的研究与设计
来源： 作者： 发布时间：2015-01-30 07:09:58 浏览量： 引言
近几年来，随着电力电子器件和现代控制理论的迅速发展，无刷直流电动机由于没有接触式换向装置，不存在换向引起的火花，其具有效率高，转速不受机械换向所限制，可维护性强，安全性高等诸多优点，而被人们广泛应用于光驱、智能机器人、电动交通工具等领域。DSP(数字信号处理器)则以其高速的数据处理能力、丰富的内部资源、集成度高和功耗低等特点，已广泛应用在控制领域中。本文提出了一种基于DSP的无刷直流电机控制系统的设计方案。该设计结合模糊控制方法来实现无刷直流电动机的智能化控制。
1 无刷直流电机的数学模型
根据物理学公式，单根导体在磁场中切割磁力线运动时，所产生的电动势e为：
式中，B为磁场感应强度，l为磁场中导体的有效长度，v为导体垂直于磁力线运动的线速度。在电机中，v与转速n的关系为：
这样，无刷直流电机在运行过程中所感应产生的感应电动势大小为：
式中，E为无刷直流电动机产生的感应电动势；p为电机的工字电感极对数；α为极弧系数；W为点数绕差模电感器组每一相的绕线匝数；ψ为每一极的磁通量；n为电机的转速。
假设无刷直流电动机的绕组采用三相星型结构，定子三相完全对称，空间上互差120°的电角度，三相绕组电阻的电感量参数相同。同时忽略电枢绕组之间产生的互感，电机的气隙磁导均匀，磁路不饱和，并忽略涡流损耗。则无刷直流电动机的数学模型如下：
式中，Va、Vb、Vc分别为三相端压；R为三相绕组电阻；L为三相绕组电感；Ea、Eb、Ec分别为电动机的三相感应电势；ia、ib、ic分别为三相绕组流过的电流。这样，其电磁转矩的表达式可以表示为：
而根据运动学定律。电磁转矩的表达式也可以表示为：
式中，T1为电动机的负载转矩，J为转子的转动惯量，Z为电机转动的阻尼系数。
2 系统硬件设计
2．1 系统总体硬件设计
本系统大致可分为功率驱动部分、DSP控制核心部分、A／D信号检测部分等，图1所示是一个基于DSP的直流无刷电机控制系统的总体硬件系统框图。
2．2 功率驱动部分设计
图2所示是本文所介绍的三相无刷直流电机的功率变换桥路电路图。图中共使用了6个N沟道的MOSFET功率元件IRF540，可构成三相桥路以作为无刷直流电机的电子换相器，其完成的功能与传统的有刷直流电机的换相器的功能一致。电阻R107作为过电流保护功能的采样电阻。其实是一个小型的锰铜分流器，取值0．01Ω，可保证平时在正常工作电流以及额定启动电流通过电阻时，不会产生大的电压，而当电机堵转、某处短路或者上下MOSFET同时导通短路时，该电阻则可产生大电流，当在此电阻上的压降达到一定程度时，电路可迅速激活过电流保护电路以停止所有MOSFET的工作，同时断开主电路电源，防止事态进一步恶化。
2．3 DSP部分设计
根据对电机数学模型进行的分析。为实现对无刷直流电机转速的高精度可靠控制，本系统采用T1公司成熟的DSP产品TMS320LF2407。该数字信号处理器不但具有高速信号处理和数字功能所必需的体系结构的特点，而且其低成本、低功耗及高性能的处理能力以及丰富的内部资源，也对电机的数字化控制非常有用，此外，该数字信号处理器(DSP)内部还自带高精度10位ADC模数转换模块和脉冲调制PWM模块。
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