摘要：本文首先介紹了永磁無刷直流電動機的特點，然后給出了基于TMS320LF2407A DSP的伺服控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，同時給出了硬件系統(tǒng)設(shè)計思想和軟件系統(tǒng)設(shè)計流程及系統(tǒng)抗干擾方案，并進行了仿真，結(jié)果表明該方案大到了很好的控制效果。 關(guān)鍵詞：永磁無刷直流電動機；伺服控制；DSP；仿真 0 引言 永磁無刷直流電動機是一種新型電機，其構(gòu)成的控制系統(tǒng)具有體積小、效率高、經(jīng)濟性好等諸多優(yōu)點，有巨大的發(fā)展?jié)摿?。TI公司生產(chǎn)的數(shù)字信號處理器具有精度高、可靠性強等優(yōu)點，TMS320LF2407A DSP能夠?qū)崿F(xiàn)完整的無刷直流電機控制功能。并可大幅簡化控制電路，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控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計簡單。本文介紹的就是基于數(shù)字信號處理器TMS320LF2407A永磁無刷直流電動機控制系統(tǒng)。 1 總體方案設(shè)計 本系統(tǒng)中利用DSP實現(xiàn)永磁無刷直流電動機的全數(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，實現(xiàn)電動機的速度控制。電流的反饋是通過檢測電阻R上的壓降來實現(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)過計算得到的，同時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 硬件系統(tǒng)設(shè)計 在本系統(tǒng)中，控制器是其核心部件，它不僅要完成外部信號的處理，電機驅(qū)動信號的給定，更重要的是完成整個系統(tǒng)的控制策略。本系統(tǒng)以TMS320LF2407A器件為控制核心，充分利用TMS320LF2407A的高速信號處理能力和電機控制優(yōu)化的外圍電路，具有控制精度高，抗干擾能力強且成本較低等優(yōu)點，可以為高性能傳動控制提供可靠高效的信號處理與硬件控制?；贒SP的控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。 [align=center] 圖2 基于DSP的控制系統(tǒng)框圖[/align] 2.1 電流檢測 電流傳感器是伺服系統(tǒng)中的一個重要元件。它的精度和動態(tài)性能直接影響著系統(tǒng)的低速性能和快速性。電流檢測的方法有電阻檢測，光耦檢測等，本系統(tǒng)采用磁平衡原理實現(xiàn)的霍爾元件檢測電流的方法。所用器件為霍爾效應(yīng)磁場補償式電流傳感器。它是國際上推薦為電力電子線路中的關(guān)鍵電流檢測器件。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。具有測量、反饋、保護三重功能。 它實際上是有源電流互感器，它的優(yōu)點是“磁場補償”，被測量的原邊磁場同測量繞組里的測量磁勢，實時補償為零，也就是說，鐵芯里實際上沒有磁通，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。之所以二者的磁勢能被充分補償，是由于霍爾效應(yīng)的作用。一旦二者不平衡，霍爾元件上就會有霍爾電動勢產(chǎn)生。它就作為以±15V供電的差分放大器輸入信號，放大器的輸出電流即為傳感器的測量電流，自動迅速地恢復(fù)磁勢平衡，即霍爾輸出總保持為零。這樣電流的波形忠實的反映原邊被測電流的波形，只是一個匝比的關(guān)系。 2.2 位置檢測 本系統(tǒng)中，位置信號是通過三個霍爾傳感器得到的。每個霍爾傳感器都會產(chǎn)生180°脈寬的輸出信號，如圖3所示。三個霍爾傳感器的輸出信號互差120°相位差。這樣它們在每個機械轉(zhuǎn)中共有6個上升沿或下降沿，正好對應(yīng)著6個換相時刻。通過將TMS320LF2407A設(shè)置為雙沿觸發(fā)捕捉中斷功能，就可以獲得這6個時刻。 需要注意的是，只有換相時刻還不能正確換相，還需要知道應(yīng)該換哪一相。通過將TMS320LF2407A的捕捉口CAP1～CAP3設(shè)置為I/O口，并檢測該口的電平狀態(tài)，就可以知道哪一個霍爾傳感器的什么沿觸發(fā)的捕捉中斷。 2.3 速度計算 利用光電編碼器的檢測信號，由DSP計算出電機轉(zhuǎn)速?？梢愿鶕?jù)DSP的CAP/QEP引腳捕獲的A相和B相的信號，根據(jù)任意一相信號的上升沿及下降沿所對應(yīng)的時間值可以方便的計算出速度值。也可以根據(jù)檢測到的在固定時間內(nèi)的脈沖數(shù)，與固定時間之比即為電機的速度值。 速度計算和速度調(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。 [align=center]表1 300H開始的6個單元中存放的變量 [/align] 3 軟件系統(tǒng)設(shè)計 整個控制系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計思想，符合當(dāng)前自上而下的主流設(shè)計思想。本系統(tǒng)中，CPU時鐘頻率為20MHz，PWM頻率為20kHz。通過定時器1周期匹配事件啟動ADC轉(zhuǎn)換，使每個PWM周期都對電流進行一次采樣，并在A/D轉(zhuǎn)換中斷處理程序中對電流進行調(diào)節(jié)，來控制PWM輸出。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60°機械角都觸發(fā)一次捕捉中斷，進行換相操作和速度計算。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。 4 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計 要達到良好的系統(tǒng)控制效果需要在系統(tǒng)設(shè)計中非常注意它的抗干擾性和可靠性。本系統(tǒng)由于采用高速DSP作為核心處理器，它的高頻信號不僅容易受到干擾，而且也會成為系統(tǒng)的干擾源，因此有必要對整個系統(tǒng)，特別是DSP部分的抗干擾及保護做更多的處理。 硬件部分，控制系統(tǒng)的電源及功率驅(qū)動部分抗干擾措施主要就是從防和抗兩方面入手。其總原則是：抑制或消除干擾源；切斷干擾對系統(tǒng)的耦合通道；降低系統(tǒng)對干擾信號的敏感性?？垢蓴_設(shè)計的具體措施包括：隔離、接地、屏蔽、濾波等常用方法。 軟件部分，本系統(tǒng)的軟件主要采用了以下幾種軟件抗干擾設(shè)計： 1）軟件陷阱法 測試系統(tǒng)在遇到外界干擾時，往往會導(dǎo)致運行程序進入程序存儲器的空白區(qū)（即無指令區(qū)），這種現(xiàn)象叫做程序“跑飛”。于是在各子程序之間、各功能模塊之間和所有空白處，都寫上連續(xù)3個空操作指令（nop），后接一無條件轉(zhuǎn)移指令，一旦程序跑飛到這些區(qū)域，就會自動返回執(zhí)行正常程序。 2）程序的冗余設(shè)計 在程序存儲器的空白區(qū)域，寫入一些重要的數(shù)據(jù)表和程序作為備份，以便系統(tǒng)程序被破壞時仍有備份參數(shù)和程序維持系統(tǒng)正常工作。由于TMS320LF2407A的數(shù)據(jù)存儲以數(shù)據(jù)頁為基準，如果對不同數(shù)據(jù)頁的數(shù)據(jù)進行操作而不指定相應(yīng)的數(shù)據(jù)頁，會導(dǎo)致程序跑飛。因此需要對程序未使用滿的數(shù)據(jù)頁進行填充，防止數(shù)據(jù)頁混亂導(dǎo)致的系統(tǒng)誤操作. 3）軟件看門狗設(shè)計 TMS320LF2407A片內(nèi)帶有的軟件看門狗可以監(jiān)視軟件的操作，并提供可編程間隔的中斷，在CPU異常時實現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位。正常情況下，DSP的主程序運行時，應(yīng)該在不到看門狗定時器溢出時就執(zhí)行喂狗邏輯，即向WDKEY中寫入正確的值的組合來清除WD的計數(shù)器。當(dāng)WDKEY沒有在看門狗溢出前被喂狗，定時器通過提供系統(tǒng)復(fù)位來解除系統(tǒng)軟件錯誤和CPU崩潰，然后軟件再通過一次喂狗邏輯來清除WD的計數(shù)器WDCNTR。 5 實驗結(jié)果 本文在完成系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計的同時，為了避免了實際調(diào)試的盲目性，利用了數(shù)字仿真和計算機輔助設(shè)計（CAD）通過人機對話的方式來改變控制器的參數(shù)，采用MATLAB作為仿真軟件，完成了無刷直流電動機基于N-PI（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI）控制系統(tǒng)的仿真。仿真結(jié)果如圖5所示。 圖5左圖為普通PI（細實線）控制和N-PI（粗實線）控制下的直流無刷電動機的額定狀態(tài)的運行過程的仿真曲線，可以看出，使用N-PI控制的超調(diào)量小，電動機能較快達到穩(wěn)定狀態(tài)。圖5中圖是在直流無刷電動機穩(wěn)定運行后，把給定轉(zhuǎn)速由1000r/min變成1100r/min時N-PI控制和普通PI控制仿真曲線的比較，從圖中可以看出N-PI比普通PI的調(diào)整時間短，N-PI可以迅速達到穩(wěn)定，跟蹤性能比較好。圖5右圖是直流無刷電動機穩(wěn)定運行之后，在0.06s時給直流無刷電動機突加負載的普通PI控制和N-PI控制仿真曲線的比較，從圖中可以看出N-PI控制比普通PI控制所受的影響要小得多，N-PI控制的魯棒性比較強。 6 結(jié)束語 由仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，靜態(tài)誤差小，具有很好的靜態(tài)和動態(tài)性能。另外，由于TMS320LF2407A的片上資源非常豐富，系統(tǒng)還可根據(jù)需要進行擴展，因此具有很強的實用性。 參考文獻： [1] 王曉明，王玲.電動機的DSP控制——TI公司DSP應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2004 [2] 秦繼榮，沈安俊.現(xiàn)代直流伺服控制技術(shù)及其系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社.1999 [3] 劉和平，嚴利平，張學(xué)鋒等.TMS320LF240xDSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2002 [4] 孫劍波，龔世纓，董亞暉.永磁無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究[J].微電機，2001.2，25-28 [5] 張深.直流無刷電動機原理及應(yīng)用[M]. 北京:機械工業(yè)出版社，1996 [6] 張豫，陳靜薇，梁振鴻.基于DSP的永磁同步電機全數(shù)字化矢量控制[J].伺服技術(shù)，2001.3，48-50 作者簡介： 尹艷清（1978-），男，湖南衡陽人，助教，主要研究方向：自動控制與單片機技術(shù)。 EMAIL：99021626@163.com 聯(lián)系電話：0734-6098825 通信地址：湖南省衡陽市雷公塘14#電氣與信息工程系 郵政編碼：421008