2. 系统硬件设计
系统的硬件框图如图1所示,可以看出基本上包括一个以TMS320F2812 DSP为核心的DSP控制板,一块配套的功率驱动板和一台无刷直流电机。
图1 系统硬件框图
2.1控制部分硬件设计
控制板部分以TMS320F2812为核心,加上一部分外围电路及接口构成。实现的主要功能是控制指令的接收和执行,速度信号的接收和计算处理,电流采样信号接收和转换,速度闭环和电流闭环控制算法的执行等。
对电机的控制主要使用F2812片上的两个电机控制专用外设——EVA和EVB。利用通用定时器T1配合PWM发生器来产生驱动功率器件所需的六路 PWM信号,通过GPIO接口将三路电机霍 尔传感器信号输入捕获单元,从而获取三个转子的位置,进而控制电机的换相和进行电机转速的计算。两个12位AD 模块对相电流信号Iphase和输入的速度调节电压信号Vref进行转换和存储,分别作为电流环的反馈信号和速度环的参考信号。通过片上的通用输入输出接口(GPIO),实现与功率驱动部分的连接,输出启动停止信号,正反转信号,紧急制动信号等,同时接收输入的保护信号,故障信号等。通过片上的SCI模块实现与计算机的通信,接收上位机的控制指令。
控制部分硬件结构如图2所示。
图2 控制板电路框图
2.2功率驱动部分硬件设计
功率驱动部分的硬件电路,主要由前置驱动芯片和六个功率MOSEFET管组成,实现对控制部分传送过来的换相信息的处理和PWM信号的隔离放大,控制功率MOSFET管的导通和关断,以此来控制电机的工作状态和速度。除此之外,还有在MOSFET管关闭期间起反向续流作用。
电源电路,电流检测电路,过流保护和紧急制动电路等辅助电路,以及与电机和控制板的接口电路。
前置驱动芯片采用的是IR公司的MOSFET驱动芯片IR2131,具有集成度高、可靠性好、速度快、过流欠压保护、调试方便等特点。IR2131 内部设计有过流、过压及欠压保护。
功率驱动电路采用24V供电,驱动电路与电机的连接采用三相全桥方式,电机工作在三相六状态模式下。以任一时刻电机只有两相导通的方式来控制换流元件。PWM调制的方式是软斩波方式,即导通时下桥臂功率管始终保持开状态,上桥臂功率管的开关由PWM信号决定。功率开关管采用HITACHI公司的集成功率开关器件6AM15,其内部集成3个N型MOSFET管和P型MOSFET管,构成三相全桥功率开关电路。与采用六个分立MOSFET管相比,有利于提高集成度,减少电路板面积,增加可靠性。每个MOSFET管自带超快恢复二极管, 功率驱动部分电路框图如图3所示。
图3 功率主回路电路框图
3. 系统控制策略及软件设计
3.1系统控制策略
由无刷直流电机的数学模型可知,其转速基本上跟电压成正比,转矩基本上和相电流成正比。为了达到控制精度和动态性能,本系统选用了转速、电流双闭坏调速系统。电流环采用PI调节器,速度环采用遇限削弱积分的积分分离PI控制算法。它具有良好的起动和抗干扰性能,可以满足本系统的需要。控制系统框图如图 4所示。
图4无刷直流电机转速、电流闭环控制系统
在此控制方案中,霍尔传感器的信号加到TMS320F2812的捕获单元端。将捕获端设置为I/O 口,然后采集捕获单元的电位情况。根据捕获单元的电位情况可以判断电机处于那个区间。根据两次捕获的时间可以计算出电机运行速度。此速度作为速度参考值的反馈量,然后经过速度PI 调节后可以得到参考电流Iref。另外通过电流检测电路可以得到相电流Iphase信号,此信号通过A/D转换后作为参考电流Iref的反馈量,经过电流PI 调节后,得到的输出量调节输出的PWM信号的占空比,用此PWM信号接到驱动端.这样可以根据电机运行的情况而调节MOSFET 管的导通时间达到控制电机转速的目的。
3.2 软件设计
根据系统的控制策略,可以得出整个控制系统软件由主程序和INT3中断服务子程序所组成。流程图如图5所示 。