基于PSoC处理器无刷直流电机调速方法

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【摘 要 】本文利用赛普拉斯可编程片上系统(PSoC)丰富的片上资源,对无刷直流电机采用PWM调制、全桥式控制方案,实现了电机调速系统.从软硬件两方面分析了调速方法及其性能,实际测试结果表明,该系统具有良好的控制效果.

【关 键 词 】PSoC;PWM;无刷直流电机

1.引言

赛普拉斯(CYPRESS)公司PSoC系列处理器芯片,增加了可编程模拟和数字模块混合信号阵列,在PSoC Designer集成开发环境下,根据应用系统的需要,可选择A/D变换器(ADCs)、D/A变换器(DACs)、运算放大器(Amplifiers)、计数器(Coun

-ters)、脉冲调制器(PWMs)等用户模块完成设计.图1是PSoC Designer

5.0提供的在设计中可选择的用户模块,相对于CPU器件确定的处理器,PSoC可根据应用设计的需要,设计时灵活选择CPU器件即用户模块,提高了设计的灵活性.

无刷直流电机(Brushless DC motor,BLDCM)利用电子开关电路代替有刷直流电机的机械换向器,取消了电刷,提高了可靠性,应用越来越广泛.无刷直流电机电枢绕组放在定子侧,永磁磁钢放在转子侧.控制电路根据转子位置传感器给出的转子磁极位置,通过功率逆变桥,可以实现对电机转速和转动方向的控制.无刷直流电机调速系统主要有两种实现方法,采用专用控制芯片(比如MC3305)和采用MCU或DSP加电路控制.前者缺点是控制的灵活性不够;后者电路较多会降低系统的可靠性.本文利用PSoC丰富的片上资源,将BLDCM转子位置信号解码器、电压和电流保护电路、调速电路等全部用一片PSoC芯片实现,使得整个调速系统既具有专用控制芯片的可靠性,又具有较高的灵活性,为无刷直流电机的调速控制提供了一种有效的解决方案.

2.调速系统硬件设计

无刷直流电机由定子、转子和位置传感器构成.定子通常采用Y型连接三相绕组,转子采用永磁磁钢;位置传感器由空间上相隔120°三个霍尔传感器组成,给出转子磁极位置信号,便于控制定子绕组中的电流随着转子位置的变化按一定次序换相,通过定子与转子间的空气间隙形成步进式磁场,驱动永磁转子连续不断地转动.

图2为无刷直流电机调速系统总体框图.

图2中:输入信号采集、转子位置信号解码器、调速控制器和电压电流保护电路全部由一片PSoC处理器(比如CY8C29466)内部模拟和数字资源实现.功率逆变桥驱动方式主要有半桥式驱动和全桥式驱动,应用比较多的是全桥式驱动,其原理图如图3所示:T1、T3、T5为上桥臂功率管,T2、T4、T6为下桥臂功率管,C1、C3、C5为上桥臂功率管导通控制信号,C2、、C6为下桥臂功率管导通控制信号.

根据转子位置信号给定的转子磁极位置,调速控制器给出控制信号通过电平转换电路,使得C1、C3、C5送出PWM信号控制上桥臂一个功率管导通,C2、、C6送出开关信号控制下桥臂中相应的一个功率管导通,注意T1和T2、T3和T4、T5和T6不能同时导通,这样上桥臂对应的一个绕组获得正向电流产生转矩,下桥臂对应的另一相绕组获得反相电流产生转矩,合成转矩是两相绕组通电产生的转矩之和,为一种步进式旋转磁场,如果转子磁极数为2p,则每个步进角是60°/p度.转子每转过60°/p度时,转子位置信号状态变化一次,逆变桥就进行一次换流,合成转矩的方向就转过60°/p度,经过六次方向变换,完成一个周期的旋转控制.

电压电流保护电路从功率逆变桥中获得电源电压和电机绕组电流取样值,当电源电压过低或绕组电流过大时,切断电机电源,确保调速系统工作于安全状态.

输入信号是外部给定的控制信号,其大小与电机转速一一对应.调速控制器根据输入信号的大小,自适应地调整PWM信号占空比,使得电机转速与输入信号大小相一致.

3.调速系统软件设计

调速控制器提供的PWM信号决定功率管开关频度,也就决定了相应的两相绕组线电压平均值的大小以及相电流平均值的大小,从而决定了电机的旋转转矩和旋转速度.转子位置信号解码器给出转子磁极位置的同时,也给出了电机当前转速信息.PSoC处理器根据转子位置解码器得到的转速信息计算出当前电机转速,与输入信号大小对应的目标转速比较,自适应调整PWM信号占空比,从而使得电机转速与目标转速一致.

3.1 电机当前转速计算

转子位置信号每变化六个状态转子完成一个旋转周期,如果时间间隔T内PSoC处理器记录的转子位置信号状态变化次数为n,转子磁极数为2p,则电机当前转速为:

比如:转子磁极数为4,即p等于2,测速时间间隔为T等于300ms,测得转子位置信号状态变化次数为n等于30,则由上式可计算出当前电机转速为N等于500转/分钟.

3.2 PWM信号频率确定

PWM信号频率大小直接关系到调速的效果,取决于电机的额定转速(NH)和转子磁极数(2p).因为要有效的调速,必须保证逆变桥在驱动每相电枢绕组时间内要有足够多的PWM脉冲个数.这样,PWM信号频率应远远大于:6pNH.

比如:p等于2,NH等于1500转/分钟,则PWM信号频率要远远大于:6pNH等于

300Hz.另外,考虑到电机辐射的音频磁场对人体有害,一般选择PWM信号频率要大于10kHz.

4.实验结果

实验采用轮毂式三相无刷直流电机:额定电压为:24V,额定转速为:300rpm,转子磁极数为:4,额定功率为:300W.PWM信号频率定为:12.5kHz,调整输入信号,用示波器测得两相绕组线电压波形和绕组电流(采样电阻为:0.01Ω)波形如图4所示.

图(a)是一对绕组线电压波形,波形为0区表示两个绕组无驱动,不产生转矩;当中矩形区表示两相绕组同时驱动,产生合成转矩;两边斜形区表示只有一相绕组在驱动,另一相绕组已换流.图(b)为电机从启动开始,调速过程的绕组电流波形,开始输入信号为0,电机不转,电流也为0;加大输入信号,电机启动,转速逐渐稳定后电流变小;再加大输入信号,PWM信号占空比被调大,电流又开始变大,转速也相应增加,达到稳定时,电流又略有减小.图(b)中可以看出,从启动到转速稳定大约75ms,调速到转速稳定大约50ms.结果表明,该系统调速控制效果较好.


5.结束语

本文基于PSoC处理器实现了一种无刷直流电机调速系统,通过对电机转速计算,实时调整PWM信号占空比,实现转速闭环控制.实验表明该系统调速控制效果较好,而且调速过程主要由PSoC处理器软件控制,具有很高的控制灵活性,为无刷直流电机的调速控制提供了一种有效的解决方案.

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