基于DSP的超声波电机控制系统

基于DSP 的超声波电机转速测量与频率跟踪算法设计尤向阳1，2（1.三门峡职业技术学院；2.河南科技大学应用工程学院,河南三门峡472000）摘要：基于DSP56F801说明了超声波电机驱动控制系统PWM 信号产生方法。

在此基础上设计了电机测速的算法和频率自动跟踪的算法并通过软件实现在线测速和实时频率跟踪。

该自动测速和频率跟踪算法实现简单，计算量小，运行效率高。

在此基础上，下一步可结合各种控制策略对超声波电机进行闭环控制研究，实现对超声波电机运行的高效实时控制。

关键词：超声波电机；测速；频率跟踪；算法中图分类号：TP311文献标志码：A文章编号：1673-2928（2019）02-0013-05收稿日期：2018-10-30作者简介：尤向阳（1980-），男，河南洛阳人，三门峡职业技术学院副教授，硕士，主要研究方向为电气自动化技术。

DOI:10.19329/ki.1673-2928.2019.02.0042019年3月第18卷第2期（总第98期）安阳工学院学报Journal of Anyang Institute of TechnologyMar,2019Vol.18No.2（Gen.No.98）专用集成PWM 芯片虽然能够用于超声波电机的控制，但其无法满足实时性能要求高的位置控制和需要在线辨识参数的精确调速控制场合[1]。

DSP 芯片因其实时、高速、低功耗和高集成度的特点，被广泛应用在电机控制领域。

由于超声波电机通常工作在谐振频率附近，以DSP56F801作为核心控制器的超声波电机驱动控制装置产生的PWM 信号满足了超声波电机谐振频率，此PWM 信号经过双推挽驱动电路可驱动超声波电机[2]。

实现超声波电机闭环控制时，转速的实时检测与谐振频率的在线跟踪是必须首先解决的两个重要问题。

本文说明了基于DSP56F801产生PWM 信号的方法，并在此基础上对电机测速的算法和频率自动跟踪的算法进行设计，通过软件实现在线测速和实时频率跟踪。

基于DSP的电机控制前言随着科学技术的飞速发展，人们对控制模型、控制算法要求越来越高，传统意义上的处理器很难满足发展的需求，而数字信号处理器DSP经历了20多年的发展与普及，应用领域几乎涵盖了所有的行业：通信、信息处理、自动控制、雷达、航空航天、医疗、日常消费品等。

德州仪器（TI）占据了整个DSP市场的50％左右，很多高校、研究所、公司大量采用TI的方案与芯片进行开发与研究。

为了更好地配合学校的理论教学，达到理论与实践完美的结合，合众达公司总结了10多年在DSP领域中的开发与应用经验，推出了双DSP教学系统SEED-DTK教学实验箱系列产品。

它设计新颖、独特，为师生提供了一个完整的教学实验平台，为学生加速学习与系统掌握DSP的开发与应用提供了强有力的手段。

SEED-DTK教学实验箱采用模块化设计理念，涵盖了TI所有的主流DSP系列：C2000、C3X、C5000和C6000系列。

其中SEED-DTK 实验箱中的主控板SEED-DECxxxx采用统一的系统结构、模块结构、机械结构和标准的总线接口以及相同的物理尺寸，实验箱上的主控板可以替换为不同系列SEED-DECxxxx，以适应不同院系在同一实验箱上开展不同的实验内容，大大节省了校方的设备经费。

本次课题正是基于合众达公司的一整套设备得以完成。

一、实验目标新建一个工程，编写相应的程序，以实现如下功能：通过串口调试助手向DSP发送相应的指令，实现对直流电机和步进电机不同运动状态的控制，并在CCS中显示相应的运行状态，同时发送给上位机。

二、实验前准备及操作步骤1. 将DSP仿真器与计算机连接好；2. 将DSP仿真器的JTAG插头与SEED-DEC6437单元的J9相连接；3. 打开SEED-DTK6437的电源。

观察SEED-DTK_Mboard单元的＋5V、＋3.3V、＋15V、－15V的电源指示灯以及SEED-DEC6437单元电源指示灯D4是否均亮；若有不亮的，断开电源，检查电源。

基于DSP的无刷直流电机控制系统设计和仿真研究一、本文概述随着现代控制理论和电子技术的飞速发展，无刷直流电机（Brushless DC Motor, BLDC）以其高效率、高可靠性以及优良的调速性能，在航空航天、电动汽车、家用电器和工业自动化等众多领域得到了广泛应用。

然而，无刷直流电机的控制涉及复杂的电磁学、电力电子和控制理论，如何实现其高效、稳定的控制成为研究热点。

数字信号处理器（Digital Signal Processor, DSP）作为一种高性能的微处理器，具有强大的数据处理能力和丰富的外设接口，非常适合用于无刷直流电机的控制。

通过DSP，可以实现电机的精确控制，提高电机的运行效率和稳定性。

本文旨在探讨基于DSP的无刷直流电机控制系统的设计和仿真研究。

介绍了无刷直流电机的基本结构和工作原理，分析了其控制难点和关键技术。

详细阐述了基于DSP的电机控制系统的硬件和软件设计，包括功率驱动电路、控制电路、采样电路等硬件设计，以及控制算法、软件架构等软件设计。

通过仿真实验验证了控制系统的可行性和有效性，为无刷直流电机的实际应用提供了理论和技术支持。

本文的研究内容不仅有助于深入理解无刷直流电机的控制原理，也为无刷直流电机的优化设计提供了有益的参考。

本文的研究成果对于推动无刷直流电机控制技术的发展和应用具有一定的理论价值和实际意义。

二、无刷直流电机的基本原理无刷直流电机（Brushless DC Motor, BLDC）是一种采用电子换向技术替代传统机械换向器的直流电机。

其基本原理是利用电子换向器（通常是功率电子开关如MOSFET或IGBT）控制电机的定子电流，从而实现电机的连续旋转，无需机械换向器与电刷之间的物理接触。

这种设计使得无刷直流电机具有更高的效率、更长的寿命以及更低的维护成本。

无刷直流电机通常包含一个永磁体转子和一个带有多个极对的定子。

定子上的极对数量决定了电机的极数，极数越多，电机的旋转越平滑。

《基于DSP的无刷直流电机控制系统设计和仿真研究》篇一一、引言随着现代工业的快速发展，无刷直流电机因其高效、低噪音、长寿命等优点，在各个领域得到了广泛应用。

然而，为了实现无刷直流电机的精确控制，需要设计一个高效、稳定的控制系统。

本文将详细介绍基于DSP（数字信号处理器）的无刷直流电机控制系统的设计和仿真研究。

二、无刷直流电机基本原理无刷直流电机（BLDCM）是一种采用电子换向器替代机械换向器的直流电机。

其工作原理是通过电子换向器控制电机内部的磁场，从而实现电机的转动。

无刷直流电机具有高效率、高转矩、低噪音等优点，广泛应用于工业、汽车、家电等领域。

三、DSP控制系统设计1. 系统架构设计基于DSP的无刷直流电机控制系统主要由DSP控制器、功率驱动电路、电机本体等部分组成。

DSP控制器负责接收和处理传感器信号，输出控制信号，实现电机的精确控制。

功率驱动电路负责将DSP控制器的输出信号转换为电机的驱动信号。

2. DSP控制器设计DSP控制器是无刷直流电机控制系统的核心部分，其性能直接影响到电机的控制效果。

DSP控制器应具备高速运算能力、高精度控制能力、强大的抗干扰能力等特点。

在硬件设计上，应选择具有高速处理器、大容量内存、丰富接口的DSP芯片。

在软件设计上，应采用高效的算法和编程语言，实现电机的精确控制。

3. 功率驱动电路设计功率驱动电路负责将DSP控制器的输出信号转换为电机的驱动信号。

其设计应考虑电机的额定电压、额定电流、功率等参数，以及电路的抗干扰能力、散热性能等因素。

常用的功率驱动电路有H桥驱动电路、全桥驱动电路等。

四、仿真研究为了验证基于DSP的无刷直流电机控制系统的设计和性能，我们进行了仿真研究。

仿真软件采用MATLAB/Simulink，仿真模型包括DSP控制器模型、功率驱动电路模型、电机本体模型等。

通过仿真研究，我们可以观察到电机的运行状态、控制效果、抗干扰能力等性能指标。

五、仿真结果分析1. 电机运行状态分析在仿真过程中，我们观察到电机能够平稳启动、加速、减速和停止，表明控制系统具有良好的动态性能。

基于DSP的无刷直流电机控制系统的设计摘要本文围绕无位置传感器无刷直流电机(BLDCM)控制系统设计中的几个关键技术--位置检测、起动和控制方法进行了深入的研究，对无位置传感器无刷直流电机运行方式进行了全面的分析，在此基础上提出了瞬时状态检测与预测估计相结合的转子位置检测新方法，并通过“三段式”方法实现起动。

为了提高系统的调速性能，控制方法采用了转速、电流双闭环。

控制系统设计采用TI公司TMS320LF240x系列的DSP芯片作为控制核心。

借助于DSP强大的处理能力和丰富的外设，整套系统省去了以往复杂的硬件电路，采用结构更加合理的软件，实现了系统的大部分功能，从而提高了系统的可靠性。

实验结果表明，电机起动快速、稳定，具有较宽的调速范围。

同时，该系统还具有结构简单、可靠性高等特点，具有广泛的应用前景。

关键词：无位置传感器；无刷直流电机；位置检测；闭环控制；数字信号处理器；起动Design of Brushless DC motorControl system based on DSPAbstractThis paper mainly study some pivotal techniques—position detection , start and control method, which surrounds brushless DC motor (BLDCM) without position sensor control system's design. On base of analyzing and studying the run mode of BLDCM, we present a new rotor position detection method which was instantaneous state detection combined with state predict , and use " three sect" start method . In order to improve the speeding performance, we adopt the two closed-loop control strategy of speed and current. The MCU of system is the TMS320LF2402 DSP chip. In virtue of powerful processing capacity and plenty peripherals of DSP, the system adopt more reasonable software structure instead of the former complicated hardware circuit, and get better dependability. Experimental results show that the motor start fast and stable with wider area of speeding. This BLCDM control system has the characteristic of simple structure, high dependability, and can be used in many fields. Keywords: Sensor less；Brushless DC motor；Position detection；Closed-loop control；Digital signal processing (DSP)；Start目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1 研究背景 (1)1.2 研究内容 (3)1.2.1 转子位置检测技术的研究 (3)1.2.2 起动方法的研究 (3)1.2.3 电机控制方法的研究 (4)1.3 本人在课题中承担的工作 (4)第2章系统总体方案设计 (5)2.1 系统总体构成 (5)2.2 无刷直流电机数学模型 (6)2.3 转子位置检测方法的选择 (7)2.3.1 反电势法 (8)2.3.2 电流法 (9)2.3.3 磁链估计法 (10)2.3.4 状态观测器法 (11)2.3.5 人工智能方法 (11)2.4 起动方法的选择 (12)2.4.1 硬件起动电路 (12)2.4.2 预定位起动方式起动 (13)2.4.3 三段式起动 (14)2.5 系统控制核心及控制方法的确定 (15)2.5.1 控制核心的确定 (15)2.5.2 控制方法的确定 (15)2.6 课题中存在的难点和关键技术 (16)第3章关键技术研究 (18)3.1 转子位置检测技术 (18)3.1.1 瞬时状态法原理 (18)3.1.2 反电势过零点预测估计原理 (22)3.2 三段式起动 (24)3.2.1 同步切换技术 (24)3.2.2 电机起动阶段的电压适应技术 (25)3.2.3 假起动现象的形成和辨别 (26)3.3 转速、电流双闭环控制 (27)3.3.1 PID控制原理 (27)3.3.2 双闭环调速系统的设计 (29)3.3.3 PID 的参数整定 (32)3.4 PWM脉宽调制技术 (33)第4章系统硬件设计 (37)4.1 控制系统硬件总体构成 (37)4.2 DSP控制系统硬件设计 (38)4.2.1 DSP最小系统的构成 (38)4.2.2 DSP芯片供电设计 (38)4.3 控制系统功率主电路设计 (39)4.3.1 驱动芯片介绍 (39)4.3.2 功率主回路设计 (40)4.4 转子位置检测电路设计 (40)4.5 3.3V与5V混合逻辑系统设计 (41)4.6 控制显示面板设计 (42)第5章系统软件设计 (44)5.1 DSP软件开发介绍 (44)5.1.1 C编译器概述 (44)5.1.2 DSP的软件开发方法 (45)5.1.3 DSP中断介绍 (47)5.2 系统软件总体结构及设计 (48)5.2.1 系统软件总体结构 (48)5.2.2 主程序设计 (48)5.2.3 紧急停机中断设计 (50)5.2.4 位里检测中断设计 (50)5.2.5 定时器1中断设计 (52)第6章结束语 (53)参考文献 (55)谢辞 (57)第1章绪论1.1 研究背景一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。

基于DSP的超声波电机控制系统
金龙;褚国伟;王心坚;翟晓军;顾菊萍;胡敏强
【期刊名称】《电工技术学报》
【年(卷),期】2004(019)008
【摘要】超声波电机是一种新型的电机,其控制和驱动方法有别于传统的电磁电机.本文主要介绍了课题组所研制的一种基于DSP的超声波电机的控制系统,对系统的硬件及软件的实现技术做了分析.测试结果表明控制系统的性能稳定,控制方法可行.【总页数】6页(P93-98)
【作者】金龙;褚国伟;王心坚;翟晓军;顾菊萍;胡敏强
【作者单位】东南大学电气工程系,南京,210096;东南大学电气工程系,南
京,210096;东南大学电气工程系,南京,210096;东南大学电气工程系,南京,210096;东南大学电气工程系,南京,210096;东南大学电气工程系,南京,210096
【正文语种】中文
【中图分类】TM35
【相关文献】
1.一种基于DSP的行波型超声波电机的驱动控制系统设计 [J], 金晓
2.一种基于DSP的超声波电机速度控制系统 [J], 陈欢;史敬灼
3.一种基于DSP的超声波电机速度控制系统 [J], 陈欢;史敬灼
4.基于DSP的超声波电机开环与闭环调速实验研究 [J], 尤向阳
5.基于DSP的超声波电机转速测量与频率跟踪算法设计 [J], 尤向阳
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基于D S P的直流电机控制系统设计摘要：直流电机由于励磁磁场和电枢磁场完全解耦,可以独立控制,因此具备良好的调速性能,出力大、调速范围宽和易于控制,广泛应用于电力拖动系统中;而随着对电机控制要求的不断提高,普通的单片机越来越不能满足对电机控制的要求,DSP技术的发展正好为先进控制理论以及复杂控制算法的实现提供了有力的支持;本设计采用美国TI公司专门为电机数字化控制设计的16位定点DSP 控制器TMS320LF2407作为微控制器;该芯片集DSP信号高速处理能力及适用于电机控制优化的外围电路于一体,可以为高性能传动控制技术提供可靠高效的信号处理与控制硬件;电机的控制系统是由检测装置、主控制器、功率驱动器以及上位机组成,其中DSP控制器是电机控制系统的关键部分,负责对电机的反馈信号进行处理并输出控制信号来控制电机的转动;关键词：直流电机； DSP； PID控制器； PWMThe Design of DC Motor Control System Based on DSP Abstract：The DC motor armature magnetic field and the excitation completely decoupled, it can be independently controlled, so it has a good speed performance, contribute to a large power, widely speed range, and easy to control, so it is widely used in electric drive systems. With the motor control required for continuous improvement, common single MCU can't meet requirements of the motor control well, DSP technology just for the advanced control theory and complex control algorithm implementation provides a strong support.This design uses the American TI company specially for motor control design of digital 16 fixed-point DSP controller TMS320LF2407 as the controller. The chip set DSP signal the high processing capacity and used in motor control optimization the periphery of the circuit in a body, high performance driving control technology to provide reliable and efficient signal processing and control hardware. Motor control system is composed of detection devices, the main controller, power driver and PC componen ts, whichDSP controller is a key part of the motor control system , responsible for the motor feedback signal processing and output control sig n al to control the rotation of the motor.Keywords：DC motor, DSP, PID controller, PWM目录第1章绪论课题概述课题研究的背景电气传动是以电动机的转矩和转速为控制对象,按生产机械工艺要求进行电动机转速控制的自动化系统;根据电动机的不同,工程上通常把电气传动分为直流电气传动和交流电气传动两大类;纵观电气传动的发展过程,交流与直流两大电气传动并存于各个时期的各大工业领域内,虽然它们所处的地位和作用不同,但它们始终随着工业技术而发展的;特别是随着电力电子技术和微电子学的发展,在相互竞争中完善着自身,发生着变更;由于直流电机具有良好的线性调速特性,简单的控制性能,因此在工业场合应用广泛;近代,随着生产技术的发展,对电气传动在起制动、正反转以及调速能力、静态特性和动态响应方面都提出了更高的要求,所以计算机控制电力拖动控制系统已成为计算机应用的一个重要内容;直流调速系统在工农业生产中有着更为广泛的应用;随着计算机技术和电力电子技术的飞速发展,两者的有机结合使电力拖动控制技术产生了新的变化;电力电子技术、计算机技术和直流拖动技术的组合是技术领域的交叉,具有广泛的应用前景;有不少的研究者己经在用DSP作为控制器进行研究;直流调速控制系统的控制方法经历了机械式的、双机组式的、分立元件电路式的、集成电路式的、单片机式的发展过程;随着数字信号处理器DSP的出现,给直流调速控制提供了新的手段和方法;将计算机技术的最新发展成果运用在直流调速系统中,在经典控制的基础之上探讨一种新的控制方法,为计算机技术在电力拖动控制系统中的应用做些研究性的工作;用计算机技术实现直流调速控制系统,计算机的选型很多;经过选择,选取DSP芯片作为控制器;直流调速系统的内容十分丰富,有开环控制系统,有闭环控制系统；有单闭环控制系统,有双闭环控制系统和多闭环控制系统；有可逆调速系统,有不可逆调速系统等9;开展本课题研究的控制对象是闭环直流调速系统；研究的目的是利用计算机硬件和软件发展的最新成果,对控制系统升级进行研究；研究工作是在对控制对象全面回顾总结的基础上,重点对控制部分展开研究,它包括对实现控制所需要的硬件和软件环境的探讨,控制策略和控制算法的探讨等内容;目前,对于控制对象的研究和讨论很多,有比较成熟的理论,但实现控制的方法和手段随着技术的发展,特别是计算机技术的发展,不断地进行技术升级;这个过程经历了从分立元件控制,集成电路控制和单片计算机控制等过程;每一次的技术升级都是控制系统的性能有较大地提高和改进;随着新的控制芯片的出现,给技术升级提供了新的可能;电机控制是DSP应用的主要领域,随着社会的发展以及对电机控制要求的日益提高,DSP将在电机控制领域中发挥越来越重要的作用;课题研究的目的及意义长期以来,直流电机一直占据着速度控制和位置控制的统治地位;由于它具有良好的线性调速特性,简单的控制性能,高质高效的平滑运转的特性,尽管近年来不断受到其它电动机的挑战,但到目前为止,就其性能来说仍无其它电动机可比;在控制系统的构成上,本课题对硬件电路进行了设计,而这个硬件系统具有一定的通用性,也即可以将它作为一个硬件平台,在其它过程控制中应用;另外,由DSP的特点量身订做,可以在其它的控制系统中根据不同的要求进行外围电路的设计,进而来构成硬件系统,这样既便于设计思想的物化,又使得设计系统更加紧凑,不浪费资源;本直流电机控制系统采用经典的数字增量式PID控制算法,在本文中对数字增量式PID控制的理论、设计和实现进行了较为详细的论述; 课题研究的现状近些年来,随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展,电机的应用技术也得到了进一步的发展,新产品、新技术层出不穷;除了人们己经熟悉的普通电机外,许多不同用途的特种电机也不断问世,如广泛应用于办公设备的无刷直流电机和高精度的步进电机、用于照相机的超声波电机、用于心脏血液循环系统的微型电机等等;另一方面,由于应用了电力电子技术,电机的控制技术变得更加灵活,效率也更高,如变频器控制的异步电机及伺服系统即是典型的例子1;在实际中,电机应用已由过去简单的起停控制、提供动力为目的应用,上升到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制,使被驱动的机械运动符合预想的要求;例如在工业自动化、办公室自动化和家庭住宅自动化方面使用大量的电机,几乎都采用功率器件进行控制,将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动;这种新型控制技术己经不是传统的“电机控制”或“电气传动”而是“运动控制”;运动控制使被控机械实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制,以及这些被控机械量的综合控制;因此现代电机控制技术离不开功率器件和电机控制器的发展5;电机的控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展;由于模拟器件的一些参数受外界因素影响较大,并且它的精度也差;所有这些都使得模拟控制器的可重复性比较差,控制效果不理想,因此调速电机的控制器逐渐朝数字化方向发展;数字控制器与模拟控制器相比较,具有可靠性高、参数调整方便、更改控制策略灵活、控制精度高、对环境因素不敏感等优点;随着现有的工业电气传动、自动控制和家电领域对电机控制产品需求的增加用户也不断提高对电机控制技术的要求5;总是希望能在驱动系统中集成更多的功能,达到更高的性能;许多设备试图使用8位或是准16位的微处理器实现电机的闭环控制,然而它们的内部体系结构和计算功能都阻碍了这一要求的实现;例如,在很多领域如工业、家电和汽车,用户希望使用效率高且去掉霍尔效应传感器的电机;这种电机的控制可以通过使用先进的电机控制理论、采用高效的控制算法来实现;但是这可能超出上述微处理器的计算能力;使用高性能的数字信号处理器DSP来解决电机控制器不断增加的计算量和速度需求是目前较为普遍的做法;将一系列外围设备如模数转换器A/D、脉宽调制发生器PWM和数字信号处理器DSP集成在一起,就获得一个既功能强大又非常经济的电机控制专用的DSP芯片;近年来,各种集成化的一单片DSP的性能得到很大的改善,软件和开发工具越来越多,越来越好,价格却大幅度降低;低端产品的价格已接近单片机的价格水平,但却比单片机具有更高的性能价格比;越来越多的单片机用户开始选用DSP器件来提高产品性能,DSP器件取代高档单片机的时机己成熟13;首先,与单片机相比,DSP器件具有较高的集成度;DSP具有更快的CPU,更大容量的存储器,内置有波特率发生器和FIFO缓冲器,提供高速、同步串口和标准异步串口;有的片内集成了A/D和采样/保持电路,可提供PWM输出;更为不同的是,DSP器件为精简指令器件,大多数指令都能在一个周期内完成,并且通过并行处理技术,使一个指令周期内可完成多条指令;同时DSP采用改进的哈佛结构,具有独立的程序和数据空间,允许同时存取程序和数据;又配有内置高速硬件乘法器、多级流水线,使DSP 器件具有高速的数据计算能力;而单片机为复杂指令系统计算机CISC,多数指令要2-3个指令周期来完成;单片机采用冯.诺依曼结构,程序和数据在同一空间存取,同一时刻只能单独访问指令和数据、ALU只能做加法,乘法需要由软件来实现,因此占用较多的指令周期,也就是说速度比较慢;所以,结构上的差异使DSP器件比准16位单片机单指令执行时间快8-10倍,完成一次乘法运算快16-30倍;DSP器件还提供了高度专业化的指令集,提供了FFT快速傅立叶变换和滤波器的运算;此外,DSP器件提供了JTAG Joint Test Action Group接口,具有更先进的开发手段,批量生产测试更方便;其次,基于DSP芯片制造的电机控制器可以降低对传感器等外围器件的要求;通过复杂的算法达到同样的控制性能,降低成本,可靠性高,有利于专利技术的保密;现在各大DSP生产厂家都推出自己的内嵌式DSP电机控制专用集成电路;如占DSP市场份额45%的美国德州仪器公司,凭借自己的实力,推出了电机控制器专用DSP--TMS320C24x;新的TMS320C24x DSP采用TI公司TMS320C2xLP16位定点DSP核,并集成了一个电机事件管理器,后者的特点是可以最佳方式实现对电机的控制;该器件利用TI的可重用DSP核心技术,显示出TI的特殊能力一通过在单一芯片上集成一个DSP和混合信号外设件,制造出面向各种应用的DSP方案;TMS320C24x作为第一个数字电机控制器的专用DSP系列,可支持用于电机控制的指令产生、控制算法处理、数据交流和系统监控等功能;集成的DSP核、最佳化电机控制器事件管理器和单片式A/D设计等诸多功能块加在一起,就可以提供一个单芯片式数字电机控制方案;系列中的TMS320LF2407包括一个30MIPSDSP核、两个事件管理器、32位的中央算术逻辑单元、多达16通道的IO位A/D转换器、64K的I/0空间和一个32K字的闪速存储器,它利用TMS320的定点DSP软件开发工具和JTAG仿真支持,可使电机控制领域的研发人员方便地调试控制器和脱机使用;第三,DSP运算速度快,控制策略中可以使用先进的实时算法,如自适应控制、卡尔曼滤波、状态预估等,大大提高控制系统的品质;而且DSP 控制软件可用C语言或汇编语言编写或者二者嵌套使用;因此采用DSP 芯片制造的电机控制器便于用户的调试和应用;最后,在越来越多的场合,如电动汽车、纺织行业、水泵变频调速系统等,他们往往是规模比较大,时序、组合逻辑都很复杂的情况,这时如果同时运用DSP芯片和一些其它的可编程逻辑器件可以大大减小系统的体积、提高系统运算能力,实现复杂的实时控制;课题研究的内容本文主要研究基于DSP的直流电机控制系统,通过控制算法和调速方法的分析,利用电机调速、DSP芯片控制、上位机通信、按键模块等的基本原理及相关知识,实现对电机的速度控制;整个系统的基本思想就是利用DSP内部资源产生可控制的脉冲控制整流电压,改变串入主回路中的直流电动机的电磁转矩,实现电动机的转速调节;研究内容包括如下：1电机控制系统功能实现的分析；2控制算法与调速方法的分析与设计；3电机驱动、电源模块、按键模块、测速、显示模块的硬件设计与实现；4系统主程序、按键扫描、控制算法、测速、电机速度控制等程序的分析、设计与实现；5电机控制系统整机测试与实现；第2章系统总体设计系统的组成由图2-1可知,该设计包含DSP控制单元、功率驱动单元、检测单元、显示单元、通信单元五个部分;DSP控制单元：对来自上位机的给定信号和来自传感器的反馈信号按一定的算法进行处理,输出相应的PWM波,经过光电隔离部分,送给功率驱动单元；功率驱动单元：对来自DSP控制器的PWM信号进行功率放大后送给直流电动机的电枢两端,驱动电机与负载；速度检测单元：采集电机的速度信息,并送给主控制器；显示单元：将采集到的电机转速信息予以显示；通信单元：负责主控制器与上位机及外设的信息交换;图2-1 系统总体框图2. 2 DSP芯片选择直流电机的调速控制系统一般采用电机专用微处理器,其种类主要包括复杂指令集CISC处理器如工NTEL196MX系列单片微控制器,精简指令集RISC如日立公司SH704x系列单片微控制器,哈佛结构DSP处理器如TI公司T145320F24X系列DSP;一般用于直流电机控制的徽处理器性能要满足以下几个方面：1指令执行速度；2片上程序存储器、数据存储器的容量及程序存储器的类型；3乘除法、积和运算和坐标变换、向量计算等控制计算功能；4中断功能和中断通道的数目；5用于PWM生成硬件单元和可实现的调制范围以及死区调节单元；6用于输入模拟信号的A/D转换器；7价格及开发环境;DSP一般采用哈佛或者改进的哈佛结构,程序空间和数据空间分离,程序的数据总线和地址总线分离,数据的数据总线和地址总线分离;这种结构允许同时访问程序指令和数据,在同一机器周期里完成读和写,并行支持在单机器时钟内同时执行算术、逻辑和位处理操作,极大地提高了执行速度,并且电机控制专用DSP具备丰富的设备和接口资源;TI公司的TMS320系列DSP芯片是目前最有影响、最为成功的数字信号处理器,其产品销量一直处于国际领先地位,是公认的世界DSP霸主;本论文选择了TI公司的TMS320LF2407DSP作为直流电机控制系统的微处理器;TMS320LF2407 DSP 控制器介绍TMS320LF2407 DSP是专为数字电机控制和其它控制系统而设计的;是当前集成度最高、性能最强的运动控制芯片;不但有高性能的C2XX CPU 内核,配置有高速数字信号处理的结构,且有控制电机的外设;它将数字信号处理的高速运算功能,与面向电机的强大控制功能结合在一起,成为传统的多微处理器单元和多片系统的理想替代品12;TMS320LF2407的片内外设模块包括：事件管理模块EV、数字输入/输出模块I/O、模数转换模块ADC、串行外设模块SPI、串行通信模块SCI、局域网控制器模块CAN;1事件管理器EVA和EVBTMS320LF2407提供两个事件管理器EVA和EVB模块,每个模块包含两个通用GP定时器、3个全比较/PWM单元、3个捕获单元和一个正交编码脉冲电路;事件管理器位用户提供了众多的功能和特点,在运动控制和电机控制中特别有用;通用定时器：LF2407共有4个通用定时器,每个定时器包括：一个16位的定时器增/减计数的计数器TxCNT；一个16位的定时器比较寄存器TxCMPR；一个16位的定时器周期寄存器TxPR；一个16位的定时器控制寄存器TxCON；可选择的内部或外部输入时钟;各个GP定时器之间可以彼此独立工作或相互同步工作;与其有关的比较寄存器可用作比较功能或PWM波形发生;每个GP定时器的内部或外部的输入时钟都可进行可编程的预定标,它还向事件管理器的子模块提供时毕;每个通用定时器有4种可选择的操作模式：停止/保持模式、连续增计数模式、定向增/减计数模式、逢续增/减计数模式;当计数器值和比较寄存器值相等时,比较匹配发生,从而在定时器的PWM输出引脚TxPWM/TxCMP上产生CMP/PWM 脉冲,可设置控制寄存器GPTCON中的相应位,选择下溢、比较匹配或周期匹配时自动启动片内A/D转换器;比较单元：LF2407有6个比较单元,每个EV模块有3个;每个比较单元又有两个相关的PWM输出,比较单元的时基由通用定时器1 EVA模块和通用定时器3 EVB模块提供;每个比较单元和通用定时器1或通用定时器3,死区单元及输出逻辑可在两个特定的器件引脚上产生一对具有可编程死区以及输出极性可控的PWM输出;在每个EV模块中有6个这种与比较单元相关的PWM输出引脚,这6个特定的PWM输出引脚可用于控制三相交流感应电机和直流无刷电机;由比较方式控制寄存器所控制的多种输出方式能轻易地控制应用广泛的开关磁阻电机和同步磁阻电机;捕获单元：捕获单元被用于高速I/O的自动管理器,它监视输入引脚上信号的变化,记录输入事件发生时的计数器值,即记录下所发生事件的时刻;该部件的工作由内部定时器同步,不用CPU干预;LF2407共有6个捕获单元,CAP1,CAP2,CAP3可选择通用定时器1或2作为它们的时基,但CAP1和CAP2一定要选择相同的定时器作为它们的时基;CAP4,CAP5,CAP6可选择通用定时器3或4作为它们的时基,同样CAP4和CAP5也一定要选择相同的定时器作为它们的时基;每个单元各有一个两级的FIFO缓冲堆栈;当捕获发生时,相应的中断标志被置位,并向CPU发中断请求；若中断标志己被置位,捕获单元还将启动片内A/D转换器;正交编码脉冲QEP单元：常用的位置反馈检测元件为光电编码器或光栅尺,它直接将电机角度和位移的模拟信号转换为数字信号,其输出一般有相位差为90°的A、B两路信号和同步脉冲信号C;A、B两路脉冲可直接作为LF2407的CAP1/QEP1和CAP2/QEP2引脚的输入;正交编码脉冲电路的时基由通用定时器2或通用定时器4提供,但通用定时器必须设置成定向增/减计数模式,并以正交编码脉冲电路作为时钟源;2数字输入/输出模块I/ODSP器件的数子输入/输出引脚均为功能复用引脚;即这些引脚既可作为通用I/O功能双向数据输入/输出引脚,也可作特殊功能PWM输出、捕获输入、串行输入输出等引脚;数子I/O模块负责对这些引脚进行控制和设置;两种功能的选择由I/O复用控制寄存器MCRx,x=A,B,C来控制;当引脚作为通用I/O时,由数据和方向控制寄存器PxDATDIR,x=A,B,C,D,E,F指出各I/O引脚的数据方向输入还是输出和当前引脚对应的电平高或低;读通用I/O引脚的电平或向引脚输出电平,实际上是对相应的寄存器PxDATDIR进行读写操作;3模数转换器ADC模块在自动控制系统中,被控制或被检测的对象,如温度、压力、流量、速度等都是连续变化的物理量,通过适当的传感器如温度传感器、压力传感器、光电传感器等将他们转换为连续变化的电压或电流即模拟量;模数转换器ADC就是用来讲这些模拟电压或电流转换成计算机能够识别的数字量的模块;TMS320LF2407期间内部有一个10为的模数转换器ADC;该模块能够对16个模拟输入信号进行采样/保持和A/D转换,通道的转换顺序可以编程选择;4串行通信接口SCI模块2407器件的串行通信接口SCI模块是一个标准的通信异步接收/发送UART可编程串行通信接口;SCI支持CPU与其他异步串口采用标准不返回零NRZ模块进行异步串行数字通信;SCI有空闲线和地址位两种多处理器通信方式；两个输入/输出引脚：SCIRXDSCI接收数据引脚和SCITXDSCI发送数据引脚；SCI通过一个16位的波特率选择寄存器,可编程选择64K种不同速率的波特率;SCI支持半双工和全双工操作,发送器和接收器的操作可以通过中断或转换状态标志来完成;5串行外设接口SPI模块串行外设接口SPI模块是一个高速同步串行输入/输出I/O口,它能使可编程长度1—16位的串行位流以可编程的位传输速率输入或输出器件;SPI可作为一种串行总线标准,以同步方式实现两个设备之间的信息交换,即两个设备在同一时钟下工作;SPI通常用于DSP控制器与外部设备或其他控制器之间的通信,用SPI可以构成多机通信系统,SPI还可以作为移位寄存器、显示驱动器和模数转换器ADC等器件的外设扩展口;6CAN控制器模块LF24xx系列DSP控制器作为第一个具有片上CAN控制模块的DSP芯片,给用户提供一个设计分布式或网络化运动控制系统的无限可能;CAN总线是一种多主总线,通信介质可以是绞线、同轴电缆或光导纤维,通信速率可达1 Mbps,通信距离可达10km;CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码,而代之以对通信数据块进行编码,使网络内的节点个数在理论上不受限制;由于CAN 总线具有较强的纠错能力,支持差分收发,因而适合高干扰环境,并具有较远的传输距离;2407的CAN控制器模块是一个16位的外设模块,支持CAN2. 0B协议;CAN模块有6个邮箱MBOX0—MBOX5；有用于0,1,2和3号的邮箱的本地屏蔽寄存器和15个控制/状态寄存器;CAN模块既有可编程的位速率、中断方式和CAN总线唤醒功能；自动回复远程请求；自动再发送功能在发送时出错或仲裁是丢失数据的情况下；总线出错诊断和自测模式; 硬件方案论证测速传感器的选择方案一：使用测速发电机,输出电动势E和转速n成线性关系,即E=kn,其中k是常数;改变旋转方向时,输出电动势的极性即相应改变;方案二：采用霍尔传感器,霍尔元件是磁敏元件,在被测的旋转体上装一磁体,旋转时,每当磁体经过霍尔元件,霍尔元件就发出一个信号,经放大整形得到脉冲信号,送运算;方案三：在电机的转轴上套一码盘,利用光电对管测脉冲,每转一圈OUT端输出若干个脉冲;本设计中码盘每转一圈,输出4个脉冲经比较,方案一中的测速放电机安装不如方案二中霍尔元件安装方便,并且准确率也没方案二的高,并且方案二不需A/D转换,直接可以被DSP接收;但方案二的霍尔传感器的采购不是很方便,故采用方案三,它具有方案二的几乎所有的优点;方案三中可以采用定时的方法：是通过定时器记录脉冲的周期T,这样每分钟的转速：M=60/4T=15/T;0也可以采用。

基于DSP的无刷直流电机运动控制系统研究共3篇基于DSP的无刷直流电机运动控制系统研究1无刷直流电机（Brushless DC Motor, BLDC）是一种先进的电机驱动技术，目前广泛应用于各个领域，如汽车、航空、制造业、医疗设备、家用电器等。

随着微电子技术的不断发展，数字信号处理器（DSP）成为控制BLDC电机的主要芯片，因为DSP处理器可以提供高速、高精度的数字信号处理和控制算法，从而实现对BLDC电机的高效控制和优异性能。

基于DSP的无刷直流电机运动控制系统主要包括三个部分：1.硬件部分：包括BLDC电机、功率器件、电源模块、传感器模块和DSP处理器模块等。

BLDC电机是这个系统的核心部件，它由永磁转子、定子、霍尔效应传感器等组成。

功率器件包括驱动电路、继电器、电感电容等，它们主要用于控制电机的启停、方向、转速和转矩等。

电源模块包括直流电源、交流电源和电池等。

传感器模块包括霍尔效应传感器、码盘、温度传感器等，它们用于采集电机的位置、速度和温度等信息。

DSP处理器模块是控制系统的大脑，它接收传感器模块采集的数据，并根据特定的控制算法产生控制信号。

2.软件部分：包括控制算法和编程语言等。

控制算法是基于DSP处理器开发的，它可以分为开环控制和闭环控制两种。

开环控制是指在没有传感器反馈的情况下，直接根据经验公式控制电机的转速、转向和转矩等。

闭环控制是指根据传感器反馈的信息，采取反馈控制策略来控制电机的转速、转向和转矩等。

编程语言包括C语言、汇编语言、机器语言等，它们主要用于实现DSP处理器的控制算法和程序框架。

3.系统测试与优化部分：主要包括测试、诊断和优化等过程。

测试过程包括静态测试和动态测试两种。

静态测试时，通过输入一些命令和参数，观察电机的响应和输出情况。

动态测试是指电机在运动时进行测试，通过观察电机的转速、转向和转矩等参数，判断控制效果。

诊断过程是根据测试结果，对系统进行故障诊断和调试等。