摘要：本文首先介紹了永磁無刷直流電動機的特點，然后給出了基于TMS320LF2407A DSP的伺服控制系統(tǒng)的總體設計方案，同時給出了硬件系統(tǒng)設計思想和軟件系統(tǒng)設計流程及系統(tǒng)抗干擾方案，并進行了仿真，結(jié)果表明該方案大到了很好的控制效果。 關鍵詞：永磁無刷直流電動機；伺服控制；DSP；仿真 0 引言 永磁無刷直流電動機是一種新型電機，其構成的控制系統(tǒng)具有體積小、效率高、經(jīng)濟性好等諸多優(yōu)點，有巨大的發(fā)展?jié)摿?。TI公司生產(chǎn)的數(shù)字信號處理器具有精度高、可靠性強等優(yōu)點，TMS320LF2407A DSP能夠?qū)崿F(xiàn)完整的無刷直流電機控制功能。并可大幅簡化控制電路，降低成本及增加系統(tǒng)可靠度。采用DSP作為主控制單元的電機控制系統(tǒng)的硬件設計簡單。本文介紹的就是基于數(shù)字信號處理器TMS320LF2407A永磁無刷直流電動機控制系統(tǒng)。 1 總體方案設計 本系統(tǒng)中利用DSP實現(xiàn)永磁無刷直流電動機的全數(shù)字雙閉環(huán)控制。給定轉(zhuǎn)速與速度反饋量形成偏差，經(jīng)速度調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流參考量，它與電流反饋量的偏差經(jīng)電流調(diào)節(jié)后形成PWM占空比的控制量，實現(xiàn)電動機的速度控制。電流的反饋是通過檢測電阻R上的壓降來實現(xiàn)的。速度反饋則是通過霍爾位置傳感器輸出的位置量，經(jīng)過計算得到的，同時位置傳感器輸出的位置量還用于換相控制。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。 2 硬件系統(tǒng)設計 在本系統(tǒng)中，控制器是其核心部件，它不僅要完成外部信號的處理，電機驅(qū)動信號的給定，更重要的是完成整個系統(tǒng)的控制策略。本系統(tǒng)以TMS320LF2407A器件為控制核心，充分利用TMS320LF2407A的高速信號處理能力和電機控制優(yōu)化的外圍電路，具有控制精度高，抗干擾能力強且成本較低等優(yōu)點，可以為高性能傳動控制提供可靠高效的信號處理與硬件控制?；贒SP的控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。 [align=center] 圖2 基于DSP的控制系統(tǒng)框圖[/align] 2.1 電流檢測 電流傳感器是伺服系統(tǒng)中的一個重要元件。它的精度和動態(tài)性能直接影響著系統(tǒng)的低速性能和快速性。電流檢測的方法有電阻檢測，光耦檢測等，本系統(tǒng)采用磁平衡原理實現(xiàn)的霍爾元件檢測電流的方法。所用器件為霍爾效應磁場補償式電流傳感器。它是國際上推薦為電力電子線路中的關鍵電流檢測器件。它把互感器、磁放大器、霍爾元件和電子線路的思想集成一體。具有測量、反饋、保護三重功能。 它實際上是有源電流互感器，它的優(yōu)點是“磁場補償”，被測量的原邊磁場同測量繞組里的測量磁勢，實時補償為零，也就是說，鐵芯里實際上沒有磁通，因而其體積可以做得很小，而不怕有鐵芯飽和，不用擔心頻率、諧波影響。之所以二者的磁勢能被充分補償，是由于霍爾效應的作用。一旦二者不平衡，霍爾元件上就會有霍爾電動勢產(chǎn)生。它就作為以±15V供電的差分放大器輸入信號，放大器的輸出電流即為傳感器的測量電流，自動迅速地恢復磁勢平衡，即霍爾輸出總保持為零。這樣電流的波形忠實的反映原邊被測電流的波形，只是一個匝比的關系。 2.2 位置檢測 本系統(tǒng)中，位置信號是通過三個霍爾傳感器得到的。每個霍爾傳感器都會產(chǎn)生180°脈寬的輸出信號，如圖3所示。三個霍爾傳感器的輸出信號互差120°相位差。這樣它們在每個機械轉(zhuǎn)中共有6個上升沿或下降沿，正好對應著6個換相時刻。通過將TMS320LF2407A設置為雙沿觸發(fā)捕捉中斷功能，就可以獲得這6個時刻。 需要注意的是，只有換相時刻還不能正確換相，還需要知道應該換哪一相。通過將TMS320LF2407A的捕捉口CAP1～CAP3設置為I/O口，并檢測該口的電平狀態(tài)，就可以知道哪一個霍爾傳感器的什么沿觸發(fā)的捕捉中斷。 2.3 速度計算 利用光電編碼器的檢測信號，由DSP計算出電機轉(zhuǎn)速?？梢愿鶕?jù)DSP的CAP/QEP引腳捕獲的A相和B相的信號，根據(jù)任意一相信號的上升沿及下降沿所對應的時間值可以方便的計算出速度值。也可以根據(jù)檢測到的在固定時間內(nèi)的脈沖數(shù)，與固定時間之比即為電機的速度值。 速度計算和速度調(diào)節(jié)所使用的參數(shù)存放在數(shù)據(jù)區(qū)300H開始的6個單元中，AR2作為數(shù)據(jù)的地址指針。各單元存放的變量如表1所列。 [align=center]表1 300H開始的6個單元中存放的變量 [/align] 3 軟件系統(tǒng)設計 整個控制系統(tǒng)軟件采用模塊化設計思想，符合當前自上而下的主流設計思想。本系統(tǒng)中，CPU時鐘頻率為20MHz，PWM頻率為20kHz。通過定時器1周期匹配事件啟動ADC轉(zhuǎn)換，使每個PWM周期都對電流進行一次采樣，并在A/D轉(zhuǎn)換中斷處理程序中對電流進行調(diào)節(jié)，來控制PWM輸出。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60°機械角都觸發(fā)一次捕捉中斷，進行換相操作和速度計算。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。 4 系統(tǒng)的抗干擾設計 要達到良好的系統(tǒng)控制效果需要在系統(tǒng)設計中非常注意它的抗干擾性和可靠性。本系統(tǒng)由于采用高速DSP作為核心處理器，它的高頻信號不僅容易受到干擾，而且也會成為系統(tǒng)的干擾源，因此有必要對整個系統(tǒng)，特別是DSP部分的抗干擾及保護做更多的處理。 硬件部分，控制系統(tǒng)的電源及功率驅(qū)動部分抗干擾措施主要就是從防和抗兩方面入手。其總原則是：抑制或消除干擾源；切斷干擾對系統(tǒng)的耦合通道；降低系統(tǒng)對干擾信號的敏感性?？垢蓴_設計的具體措施包括：隔離、接地、屏蔽、濾波等常用方法。 軟件部分，本系統(tǒng)的軟件主要采用了以下幾種軟件抗干擾設計： 1）軟件陷阱法 測試系統(tǒng)在遇到外界干擾時，往往會導致運行程序進入程序存儲器的空白區(qū)（即無指令區(qū)），這種現(xiàn)象叫做程序“跑飛”。于是在各子程序之間、各功能模塊之間和所有空白處，都寫上連續(xù)3個空操作指令（nop），后接一無條件轉(zhuǎn)移指令，一旦程序跑飛到這些區(qū)域，就會自動返回執(zhí)行正常程序。 2）程序的冗余設計 在程序存儲器的空白區(qū)域，寫入一些重要的數(shù)據(jù)表和程序作為備份，以便系統(tǒng)程序被破壞時仍有備份參數(shù)和程序維持系統(tǒng)正常工作。由于TMS320LF2407A的數(shù)據(jù)存儲以數(shù)據(jù)頁為基準，如果對不同數(shù)據(jù)頁的數(shù)據(jù)進行操作而不指定相應的數(shù)據(jù)頁，會導致程序跑飛。因此需要對程序未使用滿的數(shù)據(jù)頁進行填充，防止數(shù)據(jù)頁混亂導致的系統(tǒng)誤操作. 3）軟件看門狗設計 TMS320LF2407A片內(nèi)帶有的軟件看門狗可以監(jiān)視軟件的操作，并提供可編程間隔的中斷，在CPU異常時實現(xiàn)系統(tǒng)的復位。正常情況下，DSP的主程序運行時，應該在不到看門狗定時器溢出時就執(zhí)行喂狗邏輯，即向WDKEY中寫入正確的值的組合來清除WD的計數(shù)器。當WDKEY沒有在看門狗溢出前被喂狗，定時器通過提供系統(tǒng)復位來解除系統(tǒng)軟件錯誤和CPU崩潰，然后軟件再通過一次喂狗邏輯來清除WD的計數(shù)器WDCNTR。 5 實驗結(jié)果 本文在完成系統(tǒng)的硬件與軟件設計的同時，為了避免了實際調(diào)試的盲目性，利用了數(shù)字仿真和計算機輔助設計（CAD）通過人機對話的方式來改變控制器的參數(shù)，采用MATLAB作為仿真軟件，完成了無刷直流電動機基于N-PI（神經(jīng)網(wǎng)絡PI）控制系統(tǒng)的仿真。仿真結(jié)果如圖5所示。 圖5左圖為普通PI（細實線）控制和N-PI（粗實線）控制下的直流無刷電動機的額定狀態(tài)的運行過程的仿真曲線，可以看出，使用N-PI控制的超調(diào)量小，電動機能較快達到穩(wěn)定狀態(tài)。圖5中圖是在直流無刷電動機穩(wěn)定運行后，把給定轉(zhuǎn)速由1000r/min變成1100r/min時N-PI控制和普通PI控制仿真曲線的比較，從圖中可以看出N-PI比普通PI的調(diào)整時間短，N-PI可以迅速達到穩(wěn)定，跟蹤性能比較好。圖5右圖是直流無刷電動機穩(wěn)定運行之后，在0.06s時給直流無刷電動機突加負載的普通PI控制和N-PI控制仿真曲線的比較，從圖中可以看出N-PI控制比普通PI控制所受的影響要小得多，N-PI控制的魯棒性比較強。 6 結(jié)束語 由仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)的響應速度快，靜態(tài)誤差小，具有很好的靜態(tài)和動態(tài)性能。另外，由于TMS320LF2407A的片上資源非常豐富，系統(tǒng)還可根據(jù)需要進行擴展，因此具有很強的實用性。 參考文獻： [1] 王曉明，王玲.電動機的DSP控制——TI公司DSP應用[M].北京：北京航空航天大學出版社.2004 [2] 秦繼榮，沈安俊.現(xiàn)代直流伺服控制技術及其系統(tǒng)設計[M].北京：機械工業(yè)出版社.1999 [3] 劉和平，嚴利平，張學鋒等.TMS320LF240xDSP結(jié)構、原理及應用[M]. 北京：北京航空航天大學出版社.2002 [4] 孫劍波，龔世纓，董亞暉.永磁無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究[J].微電機，2001.2，25-28 [5] 張深.直流無刷電動機原理及應用[M]. 北京:機械工業(yè)出版社，1996 [6] 張豫，陳靜薇，梁振鴻.基于DSP的永磁同步電機全數(shù)字化矢量控制[J].伺服技術，2001.3，48-50 作者簡介： 尹艷清（1978-），男，湖南衡陽人，助教，主要研究方向：自動控制與單片機技術。 EMAIL：99021626@163.com 聯(lián)系電話：0734-6098825 通信地址：湖南省衡陽市雷公塘14#電氣與信息工程系 郵政編碼：421008