本文采用電機(jī)控制專用DSP控制器TMS320LF2407對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)智能控制系統(tǒng)進(jìn)行了全數(shù)字化設(shè)計(jì)。給出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)硬件電路設(shè)計(jì)方案，介紹了數(shù)據(jù)處理板和功率驅(qū)動(dòng)板的主要功能模塊的設(shè)計(jì)。采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言進(jìn)行混和編程，并且通過了仿真調(diào)試。 1 引言 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是一種新型電機(jī)，其構(gòu)成的控制系統(tǒng)具有體積小、效率高、經(jīng)濟(jì)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑI公司生產(chǎn)的數(shù)字信號(hào)處理器具有精度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，TMS320LF 2407 DSP能夠?qū)崿F(xiàn)完整的無(wú)刷直流電機(jī)控制功能。并可大幅簡(jiǎn)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(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。本文介紹的就是基于數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)智能控制系統(tǒng)。 2 總體方案設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)中利用DSP實(shí)現(xiàn)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的速度控制。電流的反饋是通過檢測(cè)電阻R上的壓降來(lái)實(shí)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(jì)算得到的，同時(shí)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。 2.1 TMS320LF2407 DSP控制器 TI公司的TMS320LF240x系列是專門為控制應(yīng)用和數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域設(shè)計(jì)的DSP控制器。TMS320 LF2407芯片作為DSP控制器24x一族TMS320LF24x系列的新成員，是TMS320C2000平臺(tái)下的一種定點(diǎn)DSP芯片，幾種先進(jìn)的外設(shè)被集成到芯片內(nèi)，形成了真正的單芯片控制器，是一種低成本，低功耗，功能強(qiáng)大的電機(jī)運(yùn)動(dòng)數(shù)字化控制升級(jí)產(chǎn)品。其CPU芯核為16位，運(yùn)算速度是30MIPS。 TMS320LF247芯片內(nèi)含10位單極性AID轉(zhuǎn)換模塊，AID采樣總共有16個(gè)通道，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的三相電壓采樣無(wú)需進(jìn)行相位補(bǔ)償。但由于是單極性的，所以對(duì)交流采樣時(shí)要加提升電路，使交流信號(hào)電壓范圍在0.3 V～3 V之間。6路脈寬調(diào)制PWM輸出，可用于變頻調(diào)速系統(tǒng)中對(duì)電機(jī)的控制。3路捕獲單元CAP，可用于紀(jì)錄脈沖的寬度，從而可以為FFT算法提供時(shí)間基準(zhǔn)以及與轉(zhuǎn)速測(cè)量用的光柵編碼器接口，以測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速。 2.2 位置檢測(cè) 光電編碼器可以用來(lái)測(cè)量一個(gè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的位置，將其固定在旋轉(zhuǎn)軸上，碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)是光電接受器。當(dāng)編碼器隨旋轉(zhuǎn)機(jī)械旋轉(zhuǎn)時(shí)，在光電接受器上分別產(chǎn)生A相（由內(nèi)圈產(chǎn)生）和B相（由外圈產(chǎn)生）脈沖波。根據(jù)A相和B相這兩個(gè)脈沖波的位置和時(shí)間信息，便可以確定旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的速度、加速度和轉(zhuǎn)向。 當(dāng)碼盤器順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，B相脈沖的前沿超前A相;逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)A相的前沿超前B相。A相和B相的信號(hào)由DSP的CAP/QEP引腳捕獲輸入。 2.3 速度檢測(cè) 利用光電編碼器的檢測(cè)信號(hào)，由DSP計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速?？梢愿鶕?jù)DSP的CAP/QEP引腳捕 獲的A相和B相的信號(hào)，根據(jù)任意一相信號(hào)的上升沿及下降沿所對(duì)應(yīng)的時(shí)間值可以方便的計(jì)算出速度值。也可以根據(jù)檢測(cè)到的在固定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，與固定時(shí)間之比即為電機(jī)的速度值。 速度計(jì)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(gè)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。 2.4 電流檢測(cè) 電流傳感器是伺服系統(tǒng)中的一個(gè)重要元件。它的精度和動(dòng)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(cè)的方法有電阻檢測(cè)，光耦檢測(cè)等各種不同的方法，本系統(tǒng)采用磁平衡原理實(shí)現(xiàn)的霍爾元件檢測(cè)電流的方法。所用器件為霍爾效應(yīng)磁場(chǎng)補(bǔ)償式電流傳感器。它是國(guó)際上推薦為電力電子線路中的關(guān)鍵電流檢測(cè)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(cè)量、反饋、保護(hù)三重功能。 它實(shí)際上是有源電流互感器，它的優(yōu)點(diǎn)是“磁場(chǎng)補(bǔ)償”，被測(cè)量的原邊磁場(chǎng)同測(cè)量繞組里的測(cè)量磁勢(shì)，實(shí)時(shí)補(bǔ)償為零，也就是說(shuō)，鐵芯里實(shí)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(dān)心頻率、諧波影響。之所以二者的磁勢(shì)能被充分補(bǔ)償，是由于霍爾效應(yīng)的作用。一旦二者不平衡，霍爾元件上就會(huì)有霍爾電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。它就作為以±15V供電的差分放大器輸入信號(hào)，放大器的輸出電流即為傳感器的測(cè)量電流，自動(dòng)迅速地恢復(fù)磁勢(shì)平衡，即霍爾輸出總保持為零。這樣電流的波形忠實(shí)的反映原邊被測(cè)電流的波形，只是一個(gè)匝比的關(guān)系。 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)的控制部分硬件可以由兩塊印刷板構(gòu)成，即數(shù)據(jù)處理板和功率驅(qū)動(dòng)板，結(jié)構(gòu)如圖2所示。數(shù)據(jù)處理板進(jìn)行AID數(shù)據(jù)讀入，串口數(shù)據(jù)讀入，控制算法的運(yùn)算，PWM波形輸出等。而功率驅(qū)動(dòng)板則進(jìn)行電機(jī)三相端電壓采樣，電流采樣，進(jìn)行濾波分壓處理，且對(duì)六路PWM輸出信號(hào)進(jìn)行放大，以驅(qū)動(dòng)功率器件。DSP芯片的六路PWM口輸出三相互差120°角度的方波電流，PWM輸出信號(hào)經(jīng)過精密線性光隔給功率MOS管驅(qū)動(dòng)電路，來(lái)驅(qū)動(dòng)功率MOS器件，并由六片功率MOS管驅(qū)動(dòng)電機(jī)。兩塊印刷板之間通過雙排34芯電纜連接，分別傳輸AID采樣信號(hào)和PWM輸出信號(hào)。 數(shù)據(jù)處理板以TI公司的TMS320LF2407DSP控制器為核心。該DSP控制器配置有兩個(gè)帶采樣保持的8路10位的AID轉(zhuǎn)換器，其最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns，可以及時(shí)的對(duì)三相端電壓和電流進(jìn)行采樣。板上提供20MHz的有源晶振。數(shù)據(jù)處理板上的JTAG口與插在計(jì)算機(jī)主板上的XDS510板卡相連，計(jì)算機(jī)可以在線的下載調(diào)試程序，這樣可以大大的提高工作效率，縮短開發(fā)周期。在數(shù)據(jù)板上還設(shè)計(jì)了RS232接口，通過串行數(shù)據(jù)電纜，由計(jì)算機(jī)可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。板上SRAM為靜態(tài)RAM芯片—IS61C1024-15,128K×8位，用來(lái)存儲(chǔ)程序和立即操作數(shù)。SRAM芯片是美國(guó)矽成公司（ISSI）的，存取時(shí)間為15ns，可以和DSP配合使用。GAL是AMD公司的可編程邏輯陣列器件，對(duì)片外SRAM的選址、片選等譯碼作用。為以后改進(jìn)或升級(jí)，設(shè)計(jì)有一些擴(kuò)展接口，如數(shù)據(jù)和地址線接口等。 功率驅(qū)動(dòng)板上包含功率逆變器電路、MOSFET管前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路、光禍電路、端電壓及電流AID采樣電路。無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路采用三相橋式全控電路，BLDC的定子繞組為Y型連接，電機(jī)的極對(duì)數(shù)為2。逆變器采用由六片N溝道MOSFET管——IRFZ44N構(gòu)成的上下橋式驅(qū)動(dòng)電路。 4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 整個(gè)控制系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，符合當(dāng)前自上而下的主流設(shè)計(jì)思想。本系統(tǒng)中，CPU時(shí)鐘頻率為20MHz，PWM頻率為20kHz。通過定時(shí)器1周期匹配事件啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換，使每個(gè)PWM周期都對(duì)電流進(jìn)行一次采樣，并在A/D轉(zhuǎn)換中斷處理程序中對(duì)電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，來(lái)控制PWM輸出。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60°機(jī)械角都觸發(fā)一次捕捉中斷，進(jìn)行換相操作和速度計(jì)算。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖3所示。 5 仿真結(jié)果 本文對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了模糊控制仿真，速度給定跳變響應(yīng)曲線如圖4和圖5 所示。 6 結(jié)束語(yǔ) 由仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)給定速度跳變時(shí)，系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)。轉(zhuǎn)矩和電流波動(dòng)較小，而且在轉(zhuǎn)速跳變的時(shí)候，能夠快速達(dá)到穩(wěn)定；靜態(tài)誤差小，具有很好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。 第二屆伺服與運(yùn)動(dòng)控制論壇論文集 第三屆伺服與運(yùn)動(dòng)控制論壇論文集