DSP-直流电机要点

DSP技术应用综合训练 课程报告

xx — xx 学年 第 xx 学期 课题名称 基于TMS320F2812 直流电机控制系统 姓 名 xxx 学 号 xxxxxxxxx 班 级 xxxxxxx 成 绩 基于TMS320F2812无刷直流电机控制系统 【摘要】:无刷直流电机（Brushless Dirrent Motor BLDCM）时随着

电机控制技术、电力电子技术、微电子技术的发展和新型永磁材料的进步而出现的一种新型电机。无刷直流电机时多变量非线性受控对象，传统控制方法难以对其精确控制。本文基于粒子群算法的模糊控制策略，对模糊控制器参数进行优化，并进行了PID控制、模糊控制、基于粒子群算法模糊控制的调速系统实验，对各种方法下的系统响应性能进行比较和分析。实验表明，该系统结构简单紧凑，控制精度高，具有良好的静态和动态性能。 【关键词】：TMS320F2812 , 数字信号处理器，串行通信

【Abstract】: Brushless DC motor(BLDCM) is a new type of motor

which is develop on base of DC motor due to the advancement of the power electronics , motor control technology , microprocessor and the appearance of new type of permanent materials.BLDCM is a multi-variable and non-linear system.Fuzzy control has been used in the field of the BLDCM control.However,the design and tuning of the fuzzy controller are notsatisfied . And then the speed control performance of speed control PID controller , fuzzy controller , base on PSO controller were compared and analyzed . Experimental results show that the system has a simple and compact structure，high control precision and good dynamic and static characteristics. 【Key words】: DSP TMS320F2812 ,Digital Signal Processor , Serial Communication

引言 无刷直流电动机从上世纪70年代末开始引起了从事电机及驱动系统学者的重视。电机的驱动控制结构有很多形式，近年来国外学者多集中于对直流电机的转矩波动及其控制问题上进行研究。以单片机为核心组成的数字控制电路调速控制能力强，但只能实现系统的外环数字控制，而DSP则可以实现全数字化的控制。无刷直流电机利用电子换向器取代了传统直流电机中的机械电刷和机械换向器，因此不仅保留了直流电动机运行效率高和调速性能好等优点，又具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点。由于不受机械换向限制，易于做到大容量、高转速，目前在航天、军工、数控、冶金、医疗器械等领域已得到大量应用。 TMSF2812 DSP是TI公司新推出的基于TMS320C2xx内核的定点数字信号处理器。器件上集成了多种先进的外设，具有灵活、可靠的控制和通信模块,完全可以采用单芯片实现电机控制系统的控制和通信功能，使得电机控制系统简单化、模块化，为电机及其他运动控制领域应用的实现提供了良好的平台。本文设计和实现了基于TI公司TMS320F2812 DSP芯片的无刷直流电机控制系统，整个系统结构紧凑，功能完善。 1.课题要求 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、上位机通信等的基本原理及相关知识，实现对电机的速度控制。可以实现以下功能:

1.能够完成电机启动、停止； 2.能够完成正、反转； 3.在完成以上功能的基础上实现电机的加速与减速。

2． 硬件设计 2.1 系统硬件设计 系统的硬件框图如图1所示，可以看出基本上包括一个以TMS320F2812 DSP为核心的DSP控制板，一块配套的功率驱动板和一台无刷直流电机。本系统设计控制的无刷直流电机采用霍尔元件作为位置反馈机制，从反馈的脉冲信号中获得位置信息和转速情况。控制核心DSP根据采集到的实际转速，修正控制转速，实现系统对电机转速的闭环控制。此外，系统从电机的驱动器件IGBT处获得电流信息。通过综合这三个信息，使得整个电机调速系统安全、稳定、可靠地工作。 图1 系统硬件框图 2.2 部分硬件设计 整个系统由控制、驱动、显示及电源四部分组成， 结构框图如下图所示： 2.2.1控制部分硬件设计 控制板部分以TMS320F2812为核心，加上一部分外围电路及接口构成。实现的主要功能是控制指令的接收和执行，速度信号的接收和计算处理，电流采样信号接收和转换，速度闭环和电流闭环控制算法的执行等。 对电机的控制主要使用F2812片上的两个电机控制专用外设——EVA和EVB。利用通用定时器T1配合PWM发生器来产生驱动功率器件所需的六路 PWM信号，通过GPIO接口将三路电机霍尔传感器信号输入捕获单元，从而获取三个转子的位置，进而控制电机的换相和进行电机转速的计算。两个12位AD 模块对相电流信号Iphase和输入的速度调节电压信号Vref进行转换和存储，分别作为电流环的反馈信号和速度环的参考信号。通过片上的通用输入输出接口（GPIO），实现与功率驱动部分的连接，输出启动停止信号，正反转信号，紧急制动信号等，同时接收输入的保护信号，故障信号等。通过片上的SCI模块实现与计算机的通信，接收上位机的控制指令。 控制部分硬件结构如图2所示。 图2 控制板电路框图 2.2.2 功率驱动部分硬件设计 功率驱动部分的硬件电路，主要由前置驱动芯片和六个功率MOSEFET管组成，实现对控制部分传送过来的换相信息的处理和PWM信号的隔离放大，控制功率MOSFET管的导通和关断，以此来控制电机的工作状态和速度。除此之外，还有电源电路，电流检测电路，过流保护和紧急制动电路等辅助电路，以及与电机和控制板的接口电路。 前置驱动芯片采用的是IR公司的MOSFET驱动芯片IR2131，具有集成度高、可靠性好、速度快、过流欠压保护、调试方便等特点。IR2131 内部设计有过流、过压及欠压保护。 功率驱动电路采用24V供电，驱动电路与电机的连接采用三相全桥方式，电机工作在三相六状态模式下。以任一时刻电机只有两相导通的方式来控制换流元件。PWM调制的方式是软斩波方式，即导通时下桥臂功率管始终保持开状态，上桥臂功率管的开关由PWM信号决定。功率开关管采用HITACHI公司的集成功率开关器件6AM15，其内部集成3个N型MOSFET管和P型MOSFET管，构成三相全桥功率开关电路。与采用六个分立MOSFET管相比，有利于提高集成度，减少电路板面积，增加可靠性。每个MOSFET管自带超快恢复二极管，在MOSFET管关闭期间起反向续流作用。 功率驱动部分电路框图如图3所示。

图3 功率主回路电路框图 3. 系统控制策略及软件设计 系统软件设计思想是通过不断采集电机转速，与给出的速度指令相比较后，利用PID算法，同时综合滤波算法，不断修正速度误差，直到采集到的电机转速与系统给定的转速相同，程序就认为系统已经入锁了。系统控制时始终监视电机电流和位置反馈，一旦出现异常，就启动相应的报警机制，并让电机停止转动。

3.1系统控制策略 由直流电机的数学模型可知，其转速基本上跟电压成正比，转矩基本上和相电流成正比。为了达到控制精度和动态性能，本系统选用了转速、电流双闭坏调速系统。电流环采用PI调节器，速度环采用遇限削弱积分的积分分离PI控制算法。它具有良好的起动和抗干扰性能，可以满足本系统的需要。 在此控制方案中，霍尔传感器的信号加到TMS320F2812的捕获单元端。将捕获端设置为I/O 口，然后采集捕获单元的电位情况。根据捕获单元的电位情况可以判断电机处于那个区间。根据两次捕获的时间可以计算出电机运行速度。此速度作为速度参考值的反馈量，然后经过速度PI 调节后可以得到参考电流Iref。另外通过电流检测电路可以得到相电流Iphase信号,此信号通过A/D转换后作为参考电流Iref的反馈量，经过电流PI 调节后，得到的输出量调节输出的PWM信号的占空比,用此PWM信号接到驱动端.这样可以根据电机运行的情况而调节MOSFET 管的导通时间达到控制电机转速的目的。 3.2 软件设计 本实验采用Ccs3.3软件，及串口调试软件，通过串口调试工具向f2818发送串口数据，来控制f2812中的程序，来实现电机的速度调控。 程序流程图如下：

程序初始化 比较初始化

开始

判断输入是否合理 N

执行按键功能 Y

测速 显示波形

返回主程序

计数初始化