下载文档原格式
系统硬件设计图3.1为该系统硬件总体框图，整个系统由功率驱动电路、调理与保护电路、DSP控制电路及无刷直流电机本体四大部分组成。
本节将分为两部分，即功率驱动硬件部分和数字控制硬件部分，阐述该系统的硬件设计。
图3.1 无刷直流电机系统硬件框图3.1功率与驱动电路本节先根据系统的特点，分析电路的拓扑选择，然后按照电路的三级结构，逐级说明其具体实现过程。
3.1.1 功率电路拓扑选择该电路输入单相交流电（220V/50Hz），输出直接驱动无刷直流电机。
电机前级需有三相逆变桥实现换相，由于电机频率较高，因而受三相逆变桥开关频率的限制，无法采用逆变桥PWM脉宽斩波控制实现调速控制。
本功率系统结构选择“交流-直流-直流-交流”方式，即在逆变桥前级加入buck电路，采用buck调压调速方式控制该高速永磁无刷直流电机。
功率电路结构框图如图3.2所示。
图3.2 功率电路结构框图3.1.2 启动缓冲电路图 3.2中第一级采用二极管不控整流，再用大电容滤波后得稳定直流电压1U 。
电路上电时，由于电容1C 两端电压不能突变，上电产生瞬间的大电流给其充电，该电流太大将造成1C 损坏。
为此，电路中加入了启动缓冲电路。
如下图3.3所示，上电时晶闸管1Q 尚未导通，通过11R C 串联回路给1C 充电，充电电流较小，1U 缓慢上升，电容受到保护。
再利用电阻2R 、3R 对1U 分压采样，当1U 上升到约输入电压峰值的90%时，采样电压1s U 将超过设定的门限电压TH U ，通过比较器后驱动光耦，从而触发晶闸管导通。
晶闸管导通后，1R 被短路，电路进入正常工作状态。
此后向后级供电的过程中，晶闸管一直导通，2R 、4R 的阻值非常大，不对后级产生影响。
后级关断或电路掉电时，1Q 关断，4R 为1C 提供放电回路。
图中TH U 由CC V +经电阻分压得到，而CC V +是由/AC DC 模块电源获得。
G AU 1s U Q 1图3.3 启动缓冲电路示意图3.1.3 直流-直流变换该环节实现调压调速功能，直接利用Buck 变换器降压，但电机满载时该电路输出电流很大，所需输出滤波电感太大。
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。
《DSP无刷直流电机控制器的设计》篇一一、引言随着现代工业的快速发展，电机控制技术已成为众多领域的关键技术之一。
无刷直流电机（BLDC）以其高效、低噪音、长寿命等特点在众多应用领域中崭露头角。
为了实现精确、稳定的电机控制，本文提出了一种基于DSP（数字信号处理器）的无刷直流电机控制器设计方法。
二、系统设计概述本设计采用DSP作为核心控制器，通过软件算法实现对无刷直流电机的精确控制。
系统主要由DSP控制器、电机驱动电路、传感器电路、电源电路等部分组成。
其中，DSP控制器负责接收传感器信号，进行算法处理后输出控制信号，驱动电机进行工作。
三、DSP控制器设计DSP控制器是本设计的核心部分，其性能直接影响到电机的控制效果。
在DSP选择上，我们应考虑处理速度、功耗、成本等因素，选择适合的DSP芯片。
DSP控制器的主要功能包括：1. 接收传感器信号：通过ADC（模数转换器）将传感器信号转换为数字信号，供DSP处理。
2. 算法处理：根据传感器信号，通过软件算法计算出电机的控制参数，如PWM（脉宽调制）信号的占空比等。
3. 输出控制信号：将计算出的控制参数通过PWM模块输出为控制信号，驱动电机进行工作。
四、电机驱动电路设计电机驱动电路是连接DSP控制器和电机的桥梁，其性能直接影响到电机的运行效果。
驱动电路应具备较高的驱动能力和较低的功耗。
同时，为了保护电机和控制器，驱动电路还应具备过流、过压等保护功能。
五、传感器电路设计传感器电路用于检测电机的运行状态，为DSP控制器提供反馈信号。
常见的传感器包括电流传感器、速度传感器等。
传感器电路应具备较高的精度和较低的噪声，以保证反馈信号的准确性。
六、电源电路设计电源电路为整个系统提供稳定的电源供应。
在设计中，应考虑电源的稳定性、效率、抗干扰能力等因素。
同时，为了降低系统的功耗，应采用低功耗的电源管理策略。
七、软件设计软件设计是DSP无刷直流电机控制器的关键部分。
在软件设计中，应采用合适的算法实现电机的精确控制。
基于DSP 的无刷直流电机速度控制系统韩学军,侯建勋,张根元(东北电力大学电气工程学院 吉林吉林 132012)摘 要:为实现无刷直流电机的精确可控性,应用TI 公司的TMS320L F2407A DSP 作为控制器建立了无刷直流电机全数字三闭环控制系统,并介绍了该电动机控制系统的硬件结构及软件流程。
该系统的控制算法采用变速积分PID 算法,经分析,该控制系统不仅成本低,结构简单,方便扩展,而且系统响应速度快,稳定性好。
关键词:无刷直流电动机;DSP ;控制系统;硬件;软件中图分类号:TP29 文献标识码:B 文章编号:10042373X (2008)052121203Speed Control System of B rushless DC Motor B ased on DSPHAN Xuejun ,HOU Jianxun ,ZHAN G Genyuan(College of Electrical Engineering ,Northeast Dianli University ,Jilin ,132012,China )Abstract :To realize the precise control of the Brushless DC Motor (BLDCM ),this paper proposes a digital control system of BLDCM with three 2closed 2loop using TMS320L F2407A Digital Signal Processor (DSP )of TI.The method of hardware elec 2tric circuit design and software programming are presented in detail.The digital PID control algorithm with the variable 2inte 2grator is also used in the system.The analysis shows that the control system has simple structure and good control f unction ,such as good stability performance ,fast response ability.K eywords :brushless DC motor ;DSP ;control system ;hardware ;software收稿日期:2007209215 永磁无刷直流电机(Brushless DC Motor ,BLDCM )既具有同步电机的优点,又有直流电机优良的调速性能,在工业领域,尤其是调速和伺服系统中得到了广泛的应用[1]。
高速数字信号处理器(DSP )[2]在伺服系统[3]中的应用,大大简化了控制系统结构,提高了系统性能,使无刷直流电机的优点更加突出。
本文主要研究采用TI 公司的TMS320L F2407A DSP 作为控制器的无刷直流电机全数字化控制系统。
1 控制系统硬件框图设计由直流电动机的运动方程可知:加速度与电动机的转矩成正比,而转矩又与电动机的电流成正比,因此,要实现电机的高精度高动态性能控制,就需要同时对电机的速度、电流及位置进行检测和控制。
图1是无刷直流电机控制系统框图,在系统中设置了速度调节器和电流调节器,分别调节电机的转速和电流,两者之间实行串级连接,把速度调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制PWM 装置。
如图1所示,整个系统控制单元可分为两大部分:虚线框内的功能由TMS320L F2407A DSP 组成的最小系统实现,他包括DSP 和片外存储器,另一部分则为反馈信号采集部分。
电流反馈信号由霍尔元件测得,通过F2407的A/D 模块转化为数字量,转子位置信号则用于产生正确的转子换向,光电编码器检测电机的转动方向及转角并反馈回DSP 系统,形成闭环控制。
系统位置给定由上位机发出。
三相交流输入经整流、稳压后为逆变电路提供直流电源,逆变电路的触发信号由上位机提供,其目的是输出占空比可调的PWM 信号,通过调整PWM 信号宽度以控制功率管的开、关时间,从而实现对无刷电机的控制。
图1 系统硬件框图2 控制策略本系统通过三闭环(即位置环、速度环、电流环)结构实现电机的伺服控制。
如图2所示。
121《现代电子技术》2008年第5期总第268期 测试・测量・自动化图2 系统控制框图当电机处于运行状态时,给定的位置信号U a 与反馈位置信号U b 的偏差经过(位置环)PID[4,5]调节得到速度的参考值V g ,控制器根据测出的反馈位置信息计算出当前转速ωs ,V g 与ωs 在DSP 中进行PI 计算(速度环)得到电流的给定电压参考值U ig ,电机绕组电流反馈信号经过电流传感器的检测从A/D 口送入DSP ,经转换得到当前主回路的电流反馈电压值U if ,将U if 与U ig 进行PI 计算,得到的电流调节器的输出去调节占空比,进而控制功率开关管的导通与关断,从而实现对无刷直流电动机位置、转速、电流或转矩的控制。
在三闭环控制系统中,电流环和速度环均为内环,位置环为外环。
电流环的作用是提高系统的快速性,抑制电流环内部干扰,限制最大电流保障系统安全运行,电流环采用PI 调节器。
速度环的作用是增加系统抗负载扰动的能力,抑制速度波动,速度环采用PI 调节器。
位置环的作用是保证系统静态精度和动态跟踪的性能。
位置环采用积分分离的PID 控制,即在开始跟踪被控量时,先取消积分作用,使比例项迅速跟踪偏差的变化,当被控量接近新的设定值时再将积分作用加入。
这样既可以避免超调又可缩短达到稳态的时间,起到了积分校正的作用。
图3为位置阶跃响应曲线和位置阶跃式跟踪结果。
图3 位置信号的比较由试验结果可以看出,位置环采用积分分离的PID 控制器调节以后,控制效果有很大改善,动态响应曲线具有良好的跟踪性能和较小的超调。
3 系统控制方案的实现在本系统控制方案中,以TMS320L F2407A 微控制器为控制系统核心,以功率MOSFET 管构成逆变器,功率器件的排列顺序采用上桥臂V1,V3,V5,下桥臂V2,V4,V6的顺序,按照一定的逻辑关系打开6个功率器件。
根据磁极位置传感器的信息组合,有6种状态,一一对应于桥臂的开关组合:V1V6,V6V3,V3V2,V2V5,V5V4,V4V1,V1V6……这样转子每转过一对N 2S 极,V1～V6功率管即按固定组合成6种状态依次导通。
每种状态下,仅有两相绕组通电,依次改变一种状态,定子绕组产生的磁场沿轴线转动电角度60°,如此循环,无刷直流电机将产生连续转矩,拖动负载作连续转动,反过来即可实现反转。
3.1 相电流的检测在该设计方案中,功率电子主回路采用两两通电方式,在任意时刻,电流仅仅流入三相绕组中的两相,因此从另一角度看,只需控制一个电流,亦即只需要一个相电流检测传感器。
在本系统中,使用一个旁路电阻检测各项的电流。
该电阻位于三相全控功率变换电路的下端功率桥臂与地之间,同时起到一个功率变换电路的过电流保护作用。
电阻上的压降信号经过放大以后,送到TMS320F240片上的某一路A/D 转换通道,经过A/D 转换以后,得到合适的电流信号。
在A/D 转换结束以后,A/D 转换模块向CPU 发出一个中断请求信号,等待CPU 对该电流信号的检测。
每隔50μs ,DSP 对相电流进行采样,从而实现了频率为20k Hz 的电流调节环。
根据电流误差,PID 控制器在每个PWM 周期开始时,对PWM 脉冲的占空比进行调节。
3.2 磁极的位置检测采用DSP 控制电机时,无需再设计专门的PWM 调制电路,因此选用TMS320L F2407A DSP 来实现三相无刷直流电机调速的控制和驱动电路。
本设计方案中,使用了3个位置间隔120°分布的霍尔传感器,由霍尔器件所输出的转子位置信号送到功率变换电路后,直接送至TMS320L F2407A 的捕获单元进行处理,每个霍尔传感器的输出与捕获单元的一个输入引脚相连。
通过产生捕捉中断来给出换相时刻,同时给出位置信息,实现定频PWM 和换相控制。
3个霍尔传感器输出3个180°的交叠信号,每个输出信号的上升沿和下降沿都被检测到,从而产生6个强制换向信号,每2个换向信号之间相差60°。
在本方案中,片内通用定时器2用作捕获单元的时基,定时器2设为连续计数模式,其周期寄存器(T2PER )被设定为0FFFEH ,预定标因子被设定为128;当CPUCL K =20M Hz 时,定时器的这种设置使得电动机的最小可调整转速为24r/min 。
3.3 速度检测根据位置传感器的输出信号,可以计算得到电动机的转动速度。
转子旋转一周的时间内,霍尔器件共产生6个换向信号。
在2个换向信号之间存在60°机械角度,当前的转速可通过下式计算得到:n =Δθ/ΔT式中,θ为机械角度;T 为转子转过θ所花费的时间。
捕获单元对每个霍尔器件输出信号的两个边沿都进行检测,当上升沿被捕获到时,捕获单元设置相应的中断标志。
在中断服务子程序中,CPU 首先判断所检测到的221数控技术韩学军等:基于DSP 的无刷直流电机速度控制系统是上升沿还是下降沿,然后计算从上次边沿被检测到以来所经过的时间T ,根据该时间实现绕组电流的换向。
由于霍尔传感器相对于电动机转子而言位置是固定的,2个换向信号之间的轴偏移是常数θ。
4 系统软件设计主程序主要是初始化DSP 所需要用到的控制寄存器(包括设定系统时钟、系统状态寄存器等)、初始化I/O 端口(包括设定L F2407A 片内多路复用的I/O 口功能及其极性)、初始化中断设置(确定系统所需要用到的中断类别及中断源)、检测电机的初始位置以及初始化需用到的控制变量等。
中断程序主要包括调节子程序、ADC 转换中断子程序(位置调节子程序,速度调节子程序,电流调节子程序),如图4和图5所示。
图4 主程序流程图图5 调节子程序流程图图6为积分分离式PID 控制算法流程图,在位置环控制时采用此算法。
通过DSP 检测出给定位置信号和实际反馈位置信号的偏差e (k ),根据实际情况,认为设定阈值ε>0;当|e (k )|>ε时,采用PD 控制,可避免产生较大的超调,又使系统有较快的响应;当|e (k )|≤ε时,采用PID 控制,保证系统的控制精度。
图6 积分分离式PID 控制算法流程图5 结 语本文应用TI 公司的TMS320L F2407A DSP 设计了一个基于位置、速度、电流三闭环结构的直流无刷电机控制系统,并对直流无刷电机的原理及其控制算法进行了研究。
