基于dsPIC30F4011的BLDC控制.docx

1　dsP IC30F4011概述M ICROCH IP公司推出的dsPIC30FXXX系列单片机将16位单片机的控制特点和DSP高速运算的优点相结合,为嵌入式系统设计提供了适合的,单芯片、单指令流的解决方案。其内部采用改进型哈佛结构。dsP IC30F4011 是M ICROCH IP公司专为电机高速控制设计的一种16位微处理器,具有以下基本特点。(1) 1个16位CPU和1个DSP内核;(2)当内部时钟频率为最高120MHz时,进行1次16位乘法运算为8. 3 ns;(3)包括2048B 的RAM、48 kB片内程序空间和1024B E2 PROM;(4) 7个中断、21条I/O口线;(5) 1路全双工UART功能模块, 1个同步串行SPI功能模块, 1个I2C串行通信模块和1 个CAN串行通信模块;(6) 1个6通道A /D 转换器,工作于10 位模式,采样保持时间、转换时间、阀值检测方式和零偏补偿校正均可编程;(7) 5个16 位定时器, 4 路捕捉器, 2 路比较/标准脉宽调制( PWM)单元模块;(8) 1个6通道的电机专用MCPWM控制器[ 1 ] 。dsP IC30F4011片内的MCPWM 控制器是其特色之一。此装置大大简化了产生脉宽调制( PWM)波形的控制软件和外部硬件,通过编程可产生独立的、具有相同频率工作方式的三相6路PWM波形,并由RE口直接输出6路PWM信号至逆变器,且三相互补不重叠。每个引脚驱动电流达25 mA。为了防止同一桥臂上2个功率管发生直通造成短路,该控制器还通过编程设置了死区互锁时间。2　无刷直流电机基本工作原理如图1所示,无刷直流电动机由电机本体、转子位置传感器、电子开关线路三部分组成,电机本体的主转子由永磁钢组成,主要作用是在电动机气隙中产生磁场。主定子上的线圈通电后产生反应磁场,该磁场方向与转子磁场方向保持90°左右的角度,驱动转子转动。但是由于无刷电机没有机械换向装置,不能使定子绕组依次通电,所以还要由位置传感器、位置逻辑控制单元、功率开关管共同构成一个保证电机正常运行的换向装置。电路中,以光电器件作为位置传感器,遮光板的透光部分为120°,三个光电器件相差120°位置,因而其导通角也是120°,随着位置传感器遮光板的转动,定子绕组在位置传感器件Sa、Sb、Sc的控制下, A、B、C三相依次通电,实现了各相绕组电流的换相。无刷直流电机速度和转矩控制主要依据如下反电动势和转矩工程计算方程:其中: N 为电机定子每相线圈数; l为转子的长度;r为转子的内径; B 为转子的磁通密度; ω为电机的角速度; i为相电流; θ为转子位置。从上述方程可以看出, 无刷直流电机的反电动势与转速成比例, 转矩与相电流也几乎是成比例的[ 2 ] 。3　硬件电路的设计3. 1　硬件组成基于dsPIC30F4011的无刷直流电机控制系统的原理框图如图2所示。dsP IC通过捕获单元捕捉电机转子位置传感器上的脉冲信号,计算转子位置, dsP IC根据捕获的霍尔位置传感器脉冲信号的宽度计算出电机的当前速度,与电机的设定速度比较后,产生转速偏差信号。该偏差信号经P I调节产生电流参考给定;将该给定参考电流与实际电流再作比较,产生电流偏差信号,经P I算法产生适当的PWM信号供给智能功率模块IRAMS10UP60A以控制电机的转速。dsP IC 通过A /D、I/O口采集电机转速设定值和电机的起停、正反转、制动命令来控制电机的运转状态,驱动保护电路可完成电机的过流、过电压、驱动时序异常等故障保护。3. 2　智能功率驱动功率驱动部分是控制系统的一个重要组成部分, 智能功率模块IRAMS10UP60A 内部集成了多种功能电路, 大大地简化了系统硬件电路, 而且同分离元件组成的功率驱动电路相比, 它的安全性、稳定性和可靠性都要更好。模块的自举电路和过温/过流保护电路需要外围电路协同工作, 其它电路都为内置电路, 由内外部电路一起实现的自举电路和过温/过流保护电路, 这是该模块正常使用的关键, 也是保证闭环速度调节控制系统功能实现的重要电路[ 3 ] 。3. 2. 1　自举电路对于每个给高端IGBTs提供门极的3个高端电路, 高端和低端驱动器需要1个浮动的电源供电,自举电路是一种非常方便地获得浮动电源的方法,图3给出了三相开关逆变器驱动电路的其中一相的实现方法,并在下面阐述自举工作的原理, 该电路适用于每一相。当低端IGBT导通时, 自举电容Cbs(外置) 通过自举二极管Dbs , 电阻R bs和低端开关S2进行充电,因为S 7 的发射极接近地电位, 自举电容Cbs上的充电电压接近1V。当低端开关断开时, S7的发射极电位上升, 由于自举电容Cbs上的充电电压接近15V , 因而自举二极管D bs反向截止, 自举电容C