低速永磁无刷直流电机控制系统的研究和设计

　　摘  要： 叙述了低速永磁无刷直流电机控制系统的软硬件设计，并在此基础上给出了控制低速永磁无刷直流电机运行的程序总框图。实验表明，此系统能够很好地实现无刷直流电机的运行控制。

　　目前，杆驱螺杆泵式抽油机普遍应用于油田生产中。由于螺杆泵式抽油机要求驱动电机提供的驱动力矩大、转速慢、运行平稳。采用异步电机通过减速机构来驱动螺杆泵，往往存在效率低下、噪音、振动等问题，而无刷直流电机具有效率高、转矩大、低速运行平稳等优点，因此适合用做螺杆泵式抽油的驱动电机。近年来，国外许多公司纷纷推出高性能的数字信号处理器（DSP），比如TI公司的TMS320C24以及Motorola公司的DSP56F8xx系列，用来控制无刷直流电机的运行非常方便。采用数字信号处理器的电机控制系统，数据处理能力强，运行速度快，高，正处在普遍开发和应用中。

　　1 硬件设计

　　控制系统采用交流380 V整流获得的直流电作为供电电源，使用三相桥式逆变电路作为功率主电路，控制单元采用Motorola公司的DSP56F803。

　　本控制系统的硬件部分主要由蓄电池及逆变电路、开关管驱动和保护电路、电源电路、系统控制单元及其外围电路、电流及电压信号检测电路等几部分组成。图1所示是硬件系统的示意图。图中粗箭头表示能量传送方向，细箭头表示控制或检测信号的传送方向。系统运行后，控制单元根据预先设定的控制指令以及检测到的有关信号发出开关管驱动信号控制无刷直流电机的运行。

　　图2所示为功率逆变电路以及无刷直流电机的电路连接图。电枢绕组为三相绕组，Y接。功率逆变电路采用电压型三相全桥逆变电路。实验所用的无刷直流电机为额定功率2.2 kW，额定电压300 V，电枢绕组Y接；开关管选用富士公司的IGBT，型号为1MBH60-100，额定电流60 A，额定电压1 000 V；IGBT的驱动保护模块采用了VLA517-01R。

　　图3所示为控制单元各模块承担的功能示意图。

　　键盘接口负责接收控制指令，产生键盘中断或改变电机的运行状态。AD转换模块实时检测相电流、转速给定、相电压等信号。电机的位置检测采用电机内置的霍尔位置传感器，输出3路位置信号（矩形波）。根据电机当前转子位置信号决定IGBT的导通次序，输出IGBT的开关信号。同时，将检测到的转速和相电流信号输入DSP，根据控制算法决定PWM信号的占空比。PWM信号的占空比决定电机的速度控制，它和IGBT的开关信号、故障中断产生的封锁信号一起作为逻辑综合电路的输入。逻辑综合电路的输出作为IGBT驱动电路的输入信号。

　　早出现键盘接口是一种6针的圆型接口，但键盘只使用其中的4针传输数据和供电，其余2个为空脚。PS/2接口的传输速率比COM接口稍快一些，而且是ATX主板的标准接口，是目前应用为广泛的键盘接口之一。

　　键盘和鼠标都可以使用PS/2接口，但是按照PC'99颜色规范，鼠标通常占用浅绿色接口，键盘占用紫色接口。虽然从上面的针脚定义看来二者的工作原理相同，但这两个接口还是不能混插，这是由它们在电脑内部不同的信号定义所决定的。

　　其他功能的硬件电路比如电压和电流采集等电路的设计较为常见。

　　2 电动运行原理

　　电动运行时，相电流的导通方式采用120°导通方式，即每个功率管导通时间均为120°电角度。调速采用的PWM调制方式为半桥调制，即PWM只对导通周期内一对元件中的一个起作用。功率管的开关状态取决于位置传感器提供的HALL信号。表1所示为测试得出的电机正向和反向电动运行时，霍尔位置传感器的HALL状态与开通功率管的对应关系。

　　图4（a）所示为半桥调制时相电流与反电势的对应关系。以T1和T6导通的60°时间为例，这时eA、eB、eC的波形如图4（b）所示的t1～t3。图5所示为半桥调制下开关管导通和关断时的绕组电流情况。

　　3 软件设计

　　本设计的控制单元采用Motorola公司的DSP56F803芯片，采用C语言和汇编语言混合编程，实行模块化设计。图6所示为系统软件设计结构框图，从图中可以看到程序的五大模块以及各模块间子程序的相互调用关系。

　　DSP56F803芯片，也称数字信号处理器， 是一种具有特殊结构的微处理器。DSP56F803芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法

　　DSP56F803芯片主要特点

　　（1） 在一个指令周期内可完成乘法和加法。

　　（2） 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。

　　（3） 片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。

　　（4） 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。

　　（5） 快速的中断处理和硬件I/O支持。

　　（6） 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。

　　（7） 可以并行执行多个操作。

　　（8） 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

　　与通用微处理器相比，DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。

　　为保证电机平稳运行，必须保证换相平稳，即电机在换相时不发生抖动，尽量减小转矩脉动。由于电机换相信号频率较高、信号传输线需由电机引向控制器，往往较长，电机现场运行环境中的电磁因素极易对换相信号造成干扰，使换相信号畸变、紊乱程序上也可以对换相信号做干扰过滤处理，即根据电机的转速估算正常换相的位置信号出现的大体时间段，将该时间段外的干扰信号屏蔽，这样，即使转子在换相点附近干扰信号，仍能正常换相。

　　系统采用转速、电流双闭环控制，两调节器均采用PID调节器，控制系统如图7所示。

　　4 实验结果与结论

　　图8所示是实验测得的无刷直流电机空载起动转速变化曲线。可见转速响应较快，超调较小，转速波动小，具有良好的动静态特性。图9所示为本文设计的无刷直流电机控制器控制下的无刷直流电机的相电流和一相位置信号的波形，此波形较理想。总之，实验结果表明，系统运行情况较好，具有一定应用价值。