基于dsPIC30F6010的无刷直流电机的控制系统

摘要：研究了基于dsPIC30F6010的无刷直流电动机有位置传感器法和反电势过零检测法两大调速系统。完成了硬件和软件的设计，并进行了测试。试验结果表明，电机起动稳定快速、正常，运转良好，具有较宽的调速范围，精度高，满足了无刷直流电动机高性能伺服控制的准确性与实时性的要求。
关键词：无刷直流电动机；dsPIC30F6010；有位置传感器法；反电势

无刷直流电动机作为机电一体化产品，由于其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，又具备有刷直流电机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，同时克服了有刷直流电机由于机械电刷和换向器的存在所带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等弊病，并且制造成本低，简化了电机的维修，使得它在工业上的应用也越来越广泛。本文涉及的系统以dsPIC30F6010为核心的数字信号控制器(Digital Signal ControlIer，DSC)为基础，迎合了控制领域的数字化和智能化的趋势。目前在控制上较多应用以DSP作为控制器，传统的DSP用做数字信号处理，使其在满足系统快速性和实时性的基础上兼顾控制能力。而dsPIC30F6010作为一款为控制领域应用的数字信号控制器，是一款性价比优越的控制器(略低于DSP)，保证控制要求的前提下加快了运算速度。

1 系统硬件设计
1．1 控制器dsPIC30F6010简介
dsPIC30F6010为16位(数据)改进的哈佛结构，是一款专为电机控制应用设计的80引脚的DSC。它运算灵活，数据处理能力强(内部有两个40位的累加器)，指令集灵活并且支持小数运算。该DSC内部包含4M×24位的数据RAM、4 KB的E2PROM和32 KB的FLASH程序存储空间，便于构成最小的控制系统。该DSC拥有丰富的外设，适合各种电机的数字控制，其中专门设计了8路死区时间可编程的PWM输出通道(可控制四相电机)和5个16位计时器，可以直接用于控制电机；具有的4个16位的输入捕捉和输出比较功能，可以方便地捕获电机位置传感器信号；16通道10位A ／D转换器可用于处理电机速度反馈、电压、电流等模拟信号的采用，实现电机的各种控制功能；专为编码器设计的QEI编码器接口；而且它具备故障检测接口，可以很好的对电路进行保护。
1．2 驱动电路
智能功率模块(Intelligent Power Modulation)不但提供一定的功率输出，并且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能。它内含驱动电路、保护电路，可实现过流、短路、欠压和过压等保护。由于采用了隔离技术，散热更均匀，体积更加紧凑。如果与单片控制芯片结合则可以实现两片式集成化控制系统。故成为当今电机控制系统开发者首先考虑的选择，可提高系统可靠性，大幅度降低开发时间和费用。
本文采用的是以三菱公司生产的第三代单电源供电智能功率模块(IPM)PS21563为核心组成的驱动电路。并设计了其外围电路：光耦电路、自举电路、短路保护电路。
1．3 有位置传感器法硬件系统
给定转速与速度反馈量形成偏差，经速度PI调节后产生电流参考值，它与电流反馈值的偏差经电流PI调节后形成PWM占空比的控制量，实现电动机的速度控制。以下为如何根据位置参数确定速度以及电流检测的方法：
(1)位置检测与速度反馈值的计算。图1为无刷直流电动机三个空间上相差120°霍尔信号的电平变化图形。每一个霍尔传感器都产生180°脉宽的输出信号。从图1中可以看出只要任意一阶段电平变化就到了换相时刻，检测到三个霍尔信号的电平状态(这里称之为换相控制字)即可给相对应的开关管打开或关闭。