基于dsPIC30F3010的无刷直流电动机控制系统设计

1．3 逆变及其驱动电路的设计
逆变及驱动电路如图3所示。主电路采用三相桥式逆变电路，由控制部分产生六路的PWM脉冲，分别送到三片IR2101的2、3管脚，经IR21 01内部处理产生两个驱动信号驱动一个桥臂的两个功率MOS管。C15是自举电容，为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量，D1的作用防止上桥臂导通时的直流母线电压到IR2101的电源上而使器件损坏，因此应有足够的反向耐压，当然由于D1与C15串联，为了满足主电路功率管开关频率的要求，D1应选快速恢复二极管，而且自举电容容量取决于被驱动功率器件的开关频率、占空比以及充电回路电阻，必须保证电容充电到足够的电压。在本电路中，自举电容选的是2．2μF的电解电容。R30、R31、R32和R33作为限流电阻，防止驱动信号电流过大，损坏器件。

图3中仅为联接电动机A相绕组桥臂的驱动电路。同理，联接另外两相绕组的桥臂驱动电路类似。
1．4 反电动势检测电路的设计
无刷直流电动机稳态运行时，忽略电机电枢反应，通过检测关断相反电动势的过零点来获得永磁转子的关键位置信号，从而可以控制绕组电流的切换，实现电机的运转。
由无刷直流电机结构知，反电动势过零点与转子位置有对应关系，通过对定子绕组上反电动势的检测得到过零点，就可以得到转子位置信息。在PWM导通期间，悬空绕组的端电压等于反电势与1／2电源电压的叠加，检测处于不通电相绕组的端电压，其值等于电源电压的一半时为反电动势过零点信号。如果能够准确地检测到反电势的过零点信号，即可判断出转子的位置，经过π／6电弧度延时处理后，可确定出换相时刻，再根据功率管的导通顺序触发相应的功率管以实现无刷直流电机的换相，保证电机按固定的方向连续旋转。

假设速度大于零，则每个电周期中某相的BEMF为零的位置只有两个，如图4所示，通过过零点时BEMF的斜率来区分这些位置。每一段对应电周期中的一个60°部分(共有6个相等的60°部分)。换相发生在每一段的边界处，因此需要检测段的边界。BEMF过零点和需要换相的位置之间有30°的偏移，必须对其进行补偿，以确保电机平稳高效运转。

三相反电动势检测电路图如图5所示。图中画出了3个检测通道，分别是U、V、W三相反电动势的检测，其电路原理其实是简单的电阻分压网络，主要是为了将较高的信号电压降低，满足单片机AD转换输入要求。3相电压经过22 kΩ与2．4 Ω电阻的分压后，再经过300 Ω电阻进入AN3，AN4，AN5这3个AD管脚，用AN3、AN4、AN5实现电机端电压检测，得到反电动势过零点。在PWM开通期间，检测处于不通电相绕组的端电压，其值等于电源电压的一半时为反电动势过零点信号。
1．5 电流采样与过流保护电路
电流采样与过流保护电路如图6所示。为了获得电机的电流反馈信息，在DC母线负电压与地之间连接了一个低阻值的电流检测电阻(25 mΩ)。由此电阻产生的电压被一个外部运放(MCP6002)放大并反馈到ADC输入(RB1)。

dsPIC30／33的电机控制系列MCU，都有一个FLTA脚，当得到低电平输出时，可以关断PWM的有效输出，使之成为无效。这是一个硬件处理的机制，因此可以快速处理故障事件，以实现安全操作。通过与电流反馈电路相连接的比较器电路(U6)可以获得故障输入信号，且比较器门限值可通过电位器POT2进行调节。

2 系统软件设计
软件设计包括DSC事件管理器初始化程序、电机起动程序、换相子程序、中断服务程序、速度环和电流环的控制程序等。主要实现了电机的开环启动、过零检测、换相、以及转速和电流闭环控制等。软件设计是在Microchip公司的集成开发环境MPLAB IDE中完成的，控制程序用C30语言编写。
主程序是一个死循环结构，用来完成dsPIC30F3010初始化、看门狗程序和中速事件处理程序。软件结构是以主程序为主，通过函数调用和全局变量与子程序进行参数传递。中速事件处理程序每10 ms循环一次，包括电机启动、速度控制、电流A／D转换及循环调用中断服务子程序等，是整个系统最重要的程序。主程序流程，中速事件处理程序流程分别如图7、8所示。

软件设计需注意以下4个问题：1)使用电机控制PWM模块的特殊事件触发器来启动A／D信号转换，可以使A／D转换与PWM时基同步。2)应舍弃换相后的最初几个反电势采样点，这样很容易避开相绕组的去磁问题，因为换相后绕组电流不会立即为零，要经过一个续流过程下降为零。3)不对端电压波形用硬件进行明显滤波，而是由软件根据PWM波形仔细地选取信号采样点，可排除互耦PWM于关噪声和不连续电流问题。4)使用QEI计数器记录连续监测到两个端电压过零点的时