摘 要：介紹了以高性能TMS320F2812 DSP芯片為核心的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，主要包括系統(tǒng)硬件電路的主要構(gòu)成，電機(jī)的控制策略及軟件結(jié)構(gòu)。 實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，控制精度高，具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。 關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī);TMS320F2812;控制系統(tǒng) [b][align=center]Design of Control System of Brushless DC Motor Based on DSP WANG Chen-yang, ZHANG Qi, XIONG Jiu-long[/align][/b] Abstract: The design and implementation of brushless DC motor control system based on high performance DSP TMS320F2812 is introduced in this paper, it is made up of three aspects, the main structure of system hardware, the strategy of motor controlling and software structure。Experimental results show that the system has a simple and compact structure，high control precision and good dynamic and static characteristics. Key Words：brushless DC motor;TMS320F2812;control system 1. 引言 　　無刷直流電機(jī)利用電子換向器取代了傳統(tǒng)直流電機(jī)中的機(jī)械電刷和機(jī)械換向器，因此不僅保留了直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率高和調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)，又具有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。由于不受機(jī)械換向限制，易于做到大容量、高轉(zhuǎn)速，目前在航天、軍工、數(shù)控、冶金、醫(yī)療器械等領(lǐng)域已得到大量應(yīng)用。TMSF2812 DSP是TI公司新推出的基于TMS320C2xx內(nèi)核的定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器。器件上集成了多種先進(jìn)的外設(shè)，具有靈活、可靠的控制和通信模塊,完全可以采用單芯片實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制系統(tǒng)的控制和通信功能，使得電機(jī)控制系統(tǒng)簡單化、模塊化，為電機(jī)及其他運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)提供了良好的平臺(tái)。本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于TI公司TMS320F2812 DSP芯片的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，功能完善。 2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 　　系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示，可以看出基本上包括一個(gè)以TMS320F2812 DSP為核心的DSP控制板，一塊配套的功率驅(qū)動(dòng)板和一臺(tái)無刷直流電機(jī)。 [align=center] 圖1 系統(tǒng)硬件框圖[/align] 　　2.1控制部分硬件設(shè)計(jì) 　　控制板部分以TMS320F2812為核心，加上一部分外圍電路及接口構(gòu)成。實(shí)現(xiàn)的主要功能是控制指令的接收和執(zhí)行，速度信號(hào)的接收和計(jì)算處理，電流采樣信號(hào)接收和轉(zhuǎn)換，速度閉環(huán)和電流閉環(huán)控制算法的執(zhí)行等。 　　對(duì)電機(jī)的控制主要使用F2812片上的兩個(gè)電機(jī)控制專用外設(shè)——EVA和EVB。利用通用定時(shí)器T1配合PWM發(fā)生器來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)功率器件所需的六路PWM信號(hào)，通過GPIO接口將三路電機(jī)霍爾傳感器信號(hào)輸入捕獲單元，從而獲取三個(gè)轉(zhuǎn)子的位置，進(jìn)而控制電機(jī)的換相和進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算。兩個(gè)12位AD模塊對(duì)相電流信號(hào)Iphase和輸入的速度調(diào)節(jié)電壓信號(hào)Vref進(jìn)行轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，分別作為電流環(huán)的反饋信號(hào)和速度環(huán)的參考信號(hào)。通過片上的通用輸入輸出接口（GPIO），實(shí)現(xiàn)與功率驅(qū)動(dòng)部分的連接，輸出啟動(dòng)停止信號(hào)，正反轉(zhuǎn)信號(hào)，緊急制動(dòng)信號(hào)等，同時(shí)接收輸入的保護(hù)信號(hào)，故障信號(hào)等。通過片上的SCI模塊實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通信，接收上位機(jī)的控制指令。 　　控制部分硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。 [align=center] 圖2 控制板電路框圖[/align] 　　2.2功率驅(qū)動(dòng)部分硬件設(shè)計(jì) 　　功率驅(qū)動(dòng)部分的硬件電路，主要由前置驅(qū)動(dòng)芯片和六個(gè)功率MOSEFET管組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制部分傳送過來的換相信息的處理和PWM信號(hào)的隔離放大，控制功率MOSFET管的導(dǎo)通和關(guān)斷，以此來控制電機(jī)的工作狀態(tài)和速度。除此之外，還有電源電路，電流檢測電路，過流保護(hù)和緊急制動(dòng)電路等輔助電路，以及與電機(jī)和控制板的接口電路。 　　前置驅(qū)動(dòng)芯片采用的是IR公司的MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片IR2131，具有集成度高、可靠性好、速度快、過流欠壓保護(hù)、調(diào)試方便等特點(diǎn)。IR2131 內(nèi)部設(shè)計(jì)有過流、過壓及欠壓保護(hù)。 　　功率驅(qū)動(dòng)電路采用24V供電，驅(qū)動(dòng)電路與電機(jī)的連接采用三相全橋方式，電機(jī)工作在三相六狀態(tài)模式下。以任一時(shí)刻電機(jī)只有兩相導(dǎo)通的方式來控制換流元件。PWM調(diào)制的方式是軟斬波方式，即導(dǎo)通時(shí)下橋臂功率管始終保持開狀態(tài)，上橋臂功率管的開關(guān)由PWM信號(hào)決定。功率開關(guān)管采用HITACHI公司的集成功率開關(guān)器件6AM15，其內(nèi)部集成3個(gè)N型MOSFET管和P型MOSFET管，構(gòu)成三相全橋功率開關(guān)電路。與采用六個(gè)分立MOSFET管相比，有利于提高集成度，減少電路板面積，增加可靠性。每個(gè)MOSFET管自帶超快恢復(fù)二極管，在MOSFET管關(guān)閉期間起反向續(xù)流作用。 　　功率驅(qū)動(dòng)部分電路框圖如圖3所示。 [align=center] 圖3 功率主回路電路框圖[/align] 3. 系統(tǒng)控制策略及軟件設(shè)計(jì) 　　3.1系統(tǒng)控制策略 　　由無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可知，其轉(zhuǎn)速基本上跟電壓成正比，轉(zhuǎn)矩基本上和相電流成正比。為了達(dá)到控制精度和動(dòng)態(tài)性能，本系統(tǒng)選用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉壞調(diào)速系統(tǒng)。電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，速度環(huán)采用遇限削弱積分的積分分離PI控制算法。它具有良好的起動(dòng)和抗干擾性能，可以滿足本系統(tǒng)的需要。控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。 [align=center] 圖4無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流閉環(huán)控制系統(tǒng)[/align] 　　在此控制方案中，霍爾傳感器的信號(hào)加到TMS320F2812的捕獲單元端。將捕獲端設(shè)置為I/O 口，然后采集捕獲單元的電位情況。根據(jù)捕獲單元的電位情況可以判斷電機(jī)處于那個(gè)區(qū)間。根據(jù)兩次捕獲的時(shí)間可以計(jì)算出電機(jī)運(yùn)行速度。此速度作為速度參考值的反饋量，然后經(jīng)過速度PI 調(diào)節(jié)后可以得到參考電流Iref。另外通過電流檢測電路可以得到相電流Iphase信號(hào),此信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換后作為參考電流Iref的反饋量，經(jīng)過電流PI 調(diào)節(jié)后，得到的輸出量調(diào)節(jié)輸出的PWM信號(hào)的占空比,用此PWM信號(hào)接到驅(qū)動(dòng)端.這樣可以根據(jù)電機(jī)運(yùn)行的情況而調(diào)節(jié)MOSFET 管的導(dǎo)通時(shí)間達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 　　3.2 軟件設(shè)計(jì) 　　根據(jù)系統(tǒng)的控制策略，可以得出整個(gè)控制系統(tǒng)軟件由主程序和INT3中斷服務(wù)子程序所組成。流程圖如圖5所示 。 [align=center] 圖5 系統(tǒng)軟件流程圖[/align] 　　軟件采用模塊化設(shè)計(jì)。在主程序中，執(zhí)行初始化模塊，主要完成系統(tǒng)時(shí)鐘、看門狗、GPIO、T3中斷、事件管理器的各個(gè)控制寄存器及其中斷等的設(shè)置，以及軟件中個(gè)變量的初始化。執(zhí)行完初始化后，系統(tǒng)經(jīng)入循環(huán)等待T3中斷。 　　在INT3中斷服務(wù)程序中，主要執(zhí)行以下幾個(gè)模塊： 　?。?）A/D轉(zhuǎn)換模塊：利用DSP內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換單元完成相電流的A/D轉(zhuǎn)換。 　　（2）換相控制模塊：利用捕獲的三個(gè)霍爾傳感器的狀態(tài)，根據(jù)換相邏輯控制功率MOSFET管的換相。 　?。?）PWM波形發(fā)生模塊：主要是通過設(shè)置DSP內(nèi)部事件管理器模塊的PWM波形發(fā)生器，將通用定時(shí)器T1設(shè)置成連續(xù)升序計(jì)數(shù)模式，對(duì)應(yīng)20kHz的PWM頻率，計(jì)數(shù)周期設(shè)成50μs。然后根據(jù)電流環(huán)輸出的占空比對(duì)三個(gè)全比較單元的比較寄存器值進(jìn)行刷新。同時(shí)，通過查表法，獲得當(dāng)前換相指針?biāo)鶎?duì)應(yīng)的ACTR（全比較動(dòng)作控制寄存器）值，并送到ACTR寄存器，完成對(duì)PWM1～PWM6引腳狀態(tài)的定義。 　?。?）數(shù)字PID模塊：改模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID算法，對(duì)轉(zhuǎn)速誤差和電流誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算，控制PWM信號(hào)的占空比。 4.結(jié)論： 　　為了驗(yàn)證和分析控制系統(tǒng)的性能，我們采用了一臺(tái)Maxon精密電動(dòng)機(jī)公司研制的稀土永磁無刷直流電機(jī)作為樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。該樣機(jī)額定功率150W，額定轉(zhuǎn)速10000n/s。結(jié)果表明采用TMS320F2812實(shí)現(xiàn)無刷直流機(jī)控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律以提高系統(tǒng)性能。采用方波和PWM方式利于減少力矩波動(dòng)改善低速性能，能夠取得良好的控制精度、動(dòng)態(tài)性能和較寬的調(diào)速范圍，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。同時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，具有較高的使用價(jià)值。 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用新型高性能DSP器件TMS320F2812為基礎(chǔ)構(gòu)成無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。采用轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)調(diào)速策略，速度環(huán)采用遇限削弱積分的積分分離PI控制算法。采用了集成功率元件6AM15作為功率開關(guān)器件。 參考文獻(xiàn)： 　　1.姚嘉,劉剛,房建成. 控制力矩陀螺用高速高精度無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng).微計(jì)算機(jī)信息 2005,9-1：3-5 　　1. 張琛.直流無刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996 　　2. 蘇奎峰,呂強(qiáng).TMS320F2812原理與開發(fā).北京：電子工業(yè)出版社，2006 　　3 . 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