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利用DSP控制直流無刷電機
摘 要：介紹了一種利用雙口RAM實現DSP與單片機高速數據通信的方法，給出了它們之間的接口電路以及軟件實現方案。
關鍵詞：DSP；雙口RAM；接口電路；數據通信
直流無刷電機實際屬于永磁同步電機，一般轉子為永磁材料，隨定子磁場同步轉動。這種電機結構簡單，而且由于移去了物理電刷，使得電磁性能可靠，維護簡單，從而被廣泛應用于辦公自動化、家電等領域。直流無刷電機運行過程要進行兩種控制，一種是轉速控制，也即控制提供給定子線圈的電流；另一種是換相控制，在轉子到達指定位置改變定子導通相，實現定子磁場改變，這種控制實際上實現了物理電刷的機制。因此這種電機需要有位置反饋機制，比如霍爾元件、光電碼盤，或者利用梯形反電動勢特點進行反電動勢過零檢測等。利用光電編碼器的系統在軟件實現上更方便。電機速度控制也是根據位置反饋信號，計算出轉子速度，再利用PI或PID等控制方法，實時調整PWM占空比等來實現定子電流調節。因此，控制芯片要進行較多的計算過程。當然也有專門的直流無刷電機控制芯片；但一般來說，在大多數應用中，除了電機控制，總還需要做一些其他的控制和通信等事情，所以，選用帶PWM，同時又有較強數學運算功能的芯片也是一種很好的選擇。Motorola的數字信號處理器DSP568xx系列整合了通用數字信號處理器快速運算功能和單片機外圍豐富的特點，使得該系列特別適合于那些要求有較強的數據處理能力，同時又要有較多控制功能的應用中，對直流無刷電機的控制就是這一系列DSP的典型應用之一。
直流無刷電機結構和連接
三相直流無刷電機采用二二導通、三相六狀態PWM調制方式。電機定子繞組軸向示意圖如圖1所示。
當電流從A到B時，定子繞組產生的磁場為圖1中A－B方向，如果電機順時針運行，此時，永磁轉子磁場應位于III區，產生的扭矩最大。當轉子轉過III區和IV區的交界，到達IV區時，定子繞組電流應相應改變成為從A到C，即產生的磁場成為圖1中A－C方向。
這樣，定子磁場總超前轉子磁場約90°，使轉子不斷的向前跟進。實現這個過程的關鍵是取得轉子位置，積分編碼器就起這個作用，如它的三路輸出：PHASEA、PHASEB、PHASEC，在轉子分別位于圖1中的I到VI各區時，輸出信號相應為：011、001、101、100、110、010。這樣，通過捕捉積分編碼器任一路輸出上的跳變沿，讀取跳變沿后的積分編碼器輸出狀態，就可以確定轉子的新位置，實現定子繞組電流換向。同時，利用定時器檢測兩次換向之間的時間間隔，計算出電機運行的速度，再通過調整PWM信號的占空比，調整定子電流，實現調速。
DSP568xx中使用到的主要模塊
在Motorola的DSP568xx系列數字信號處理器的軟件開發包中，給出了一個利用上述思路對直流無刷電機控制的應用程序：bldc_sensors。主要用到了DSP的脈寬調制PWM模塊、定時器模塊、相位檢測器DECODER模塊。
PWM模塊共有六路輸出，分別用來控制三相的頂底共六個功率管。
模塊可以被配置成互補通道模式，即PWM0與PWM1為一對互補對，共三對互補對，如圖2所示。互補對內的兩個信號可以在芯片內部被互相交換，如圖2中C相所示；也可以同時被屏蔽，使得輸出全為0，該相就關斷，如圖2中A相所示。
定時器模塊是最普通的外設，在這個應用中，使用了5個定時器模塊，它們分別是A0、A1、A2、A3和D0。前3個分別接積分編碼器的一路輸出，利用它們的輸入捕捉功能，產生中斷，在中斷子程序內檢測新的積分編碼器輸出狀態，實現換相。A3接的也是積分編碼器的一路輸出，它用來測量某路霍爾信號兩個跳變沿間的時間間隔，計算轉子速度。D0用來產生20ms間隔的節拍，周期性的對系統狀態進行轉換和檢測。
相位檢測器DECODER模塊對于電機控制非常有用，它不僅能用于本文所說的六狀態積分編碼器，還能用于轉子每轉一圈產生相當多數目脈沖的積分編碼器。該模塊框圖如圖3所示。
但在本應用中，只用到了它的干擾信號濾波器，即使用了積分編碼器的三路輸出經過濾波后的值。六狀態積分編碼器的三個輸出PHASEA、PHASEB、PHASEC分別接到相位檢測器的PHASEA、PHASEB、INDEX三個輸入端上。
控制算法
對于無刷直流電機的控制，軟件上的內容是主體。
程序是一種前后臺結構，前臺是一個死循環，死循環內作兩個工作，一個是程序狀態轉換ApplicationStateMachine()，另一個是20ms時鐘節拍觸發的LED控制、直流電壓數字值讀取和速度控制等服務性工作ServiceLedISR()。程序中有一個全局變量ApplicationMode，取值可以是Init、Stopped、Running和Fault，用來指示系統的狀態。main()函數一開始在初始化函數Initialize()中先把系統狀態設置為Init，然后在程序狀態機ApplicationStateMachine()里實現如圖4所示的轉換。
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