基于DSP的無刷直流電機控制系統的設計

1. 引言

　　無刷直流電機利用電子換向器取代了傳統直流電機中的機械電刷和機械換向器，因此不僅保留了直流電動機運行效率高和調速性能好等優點，又具有交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等優點。由于不受機械換向限制，易于做到大容量、高轉速，目前在航天、軍工、數控、冶金、醫療器械等領域已得到大量應用。TMSF2812 DSP是TI公司新推出的基于TMS320C2xx內核的定點數字信號處理器。器件上集成了多種先進的外設，具有靈活、可靠的控制和通信模塊,完全可以采用單芯片實現電機控制系統的控制和通信功能，使得電機控制系統簡單化、模塊化，為電機及其他運動控制領域應用的實現提供了良好的平臺。本文設計和實現了基于TI公司TMS320F2812 DSP芯片的無刷直流電機控制系統，整個系統結構緊湊，功能完善。

2. 系統硬件設計

　　系統的硬件框圖如圖1所示，可以看出基本上包括一個以TMS320F2812 DSP為核心的DSP控制板，一塊配套的功率驅動板和一臺無刷直流電機。

圖1 系統硬件框圖

　　2.1控制部分硬件設計

　　控制板部分以TMS320F2812為核心，加上一部分外圍電路及接口構成。實現的主要功能是控制指令的接收和執行，速度信號的接收和計算處理，電流采樣信號接收和轉換，速度閉環和電流閉環控制算法的執行等。

　　對電機的控制主要使用F2812片上的兩個電機控制專用外設——EVA和EVB。利用通用定時器T1配合PWM發生器來產生驅動功率器件所需的六路PWM信號，通過GPIO接口將三路電機霍爾傳感器信號輸入捕獲單元，從而獲取三個轉子的位置，進而控制電機的換相和進行電機轉速的計算。兩個12位AD模塊對相電流信號Iphase和輸入的速度調節電壓信號Vref進行轉換和存儲，分別作為電流環的反饋信號和速度環的參考信號。通過片上的通用輸入輸出接口（GPIO），實現與功率驅動部分的連接，輸出啟動停止信號，正反轉信號，緊急制動信號等，同時接收輸入的保護信號，故障信號等。通過片上的SCI模塊實現與計算機的通信，接收上位機的控制指令。

　　控制部分硬件結構如圖2所示。

圖2 控制板電路框圖

　　2.2功率驅動部分硬件設計

　　功率驅動部分的硬件電路，主要由前置驅動芯片和六個功率MOSEFET管組成，實現對控制部分傳送過來的換相信息的處理和PWM信號的隔離放大，控制功率MOSFET管的導通和關斷，以此來控制電機的工作狀態和速度。除此之外，還有電源電路，電流檢測電路，過流保護和緊急制動電路等輔助電路，以及與電機和控制板的接口電路。

　　前置驅動芯片采用的是IR公司的MOSFET驅動芯片IR2131，具有集成度高、可靠性好、速度快、過流欠壓保護、調試方便等特點。IR2131 內部設計有過流、過壓及欠壓保護。

　　功率驅動電路采用24V供電，驅動電路與電機的連接采用三相全橋方式，電機工作在三相六狀態模式下。以任一時刻電機只有兩相導通的方式來控制換流元件。PWM調制的方式是軟斬波方式，即導通時下橋臂功率管始終保持開狀態，上橋臂功率管的開關由PWM信號決定。功率開關管采用HITACHI公司的集成功率開關器件6AM15，其內部集成3個N型MOSFET管和P型MOSFET管，構成三相全橋功率開關電路。與采用六個分立MOSFET管相比，有利于提高集成度，減少電路板面積，增加可靠性。每個MOSFET管自帶超快恢復二極管，在MOSFET管關閉期間起反向續流作用。

　　功率驅動部分電路框圖如圖3所示。

圖3 功率主回路電路框圖

3. 系統控制策略及軟件設計

　　3.1系統控制策略

　　由無刷直流電機的數學模型可知，其轉速基本上跟電壓成正比，轉矩基本上和相電流成正比。為了達到控制精度和動態性能，本系統選用了轉速、電流雙閉壞調速系統。電流環采用PI調節器，速度環采用遇限削弱積分的積分分離PI控制算法。它具有良好的起動和抗干擾性能，可以滿足本系統的需要。控制系統框圖如圖4所示。

圖4無刷直流電機轉速、電流閉環控制系統

　　在此控制方案中，霍爾傳感器的信號加到TMS320F2812的捕獲單元端。將捕獲端設置為I/O 口，然后采集捕獲單元的電位情況。根據捕獲單元的電位情況可以判斷電機處于那個區間。根據兩次捕獲的時間可以計算出電機運行速度。此速度作為速度參考值的反饋量，然后經過速度PI 調節后可以得到參考電流Iref。另外通過電流檢測電路可以得到相電流Iphase信號,此信號通過A/D轉換后作為參考電流Iref的反饋量，經過電流PI 調節后，得到的輸出量調節輸出的PWM信號的占空比,用此PWM信號接到驅動端.這樣可以根據電機運行的情況而調節MOSFET 管的導通時間達到控制電機轉速的目的。

　　3.2 軟件設計

　　根據系統的控制策略，可以得出整個控制系統軟件由主程序和INT3中斷服務子程序所組成。流程圖如圖5所示 。

圖5 系統軟件流程圖

　　軟件采用模塊化設計。在主程序中，執行初始化模塊，主要完成系統時鐘、看門狗、GPIO、T3中斷、事件管理器的各個控制寄存器及其中斷等的設置，以及軟件中個變量的初始化。執行完初始化后，系統經入循環等待T3中斷。

　　在INT3中斷服務程序中，主要執行以下幾個模塊：

　　（1）A/D轉換模塊：利用DSP內部的A/D轉換單元完成相電流的A/D轉換。

　　（2）換相控制模塊：利用捕獲的三個霍爾傳感器的狀態，根據換相邏輯控制功率MOSFET管的換相。

　　（3）PWM波形發生模塊：主要是通過設置DSP內部事件管理器模塊的PWM波形發生器，將通用定時器T1設置成連續升序計數模式，對應20kHz的PWM頻率，計數周期設成50μs。然后根據電流環輸出的占空比對三個全比較單元的比較寄存器值進行刷新。同時，通過查表法，獲得當前換相指針所對應的ACTR（全比較動作控制寄存器）值，并送到ACTR寄存器，完成對PWM1～PWM6引腳狀態的定義。

　　（4）數字PID模塊：改模塊實現數字PID算法，對轉速誤差和電流誤差進行調節計算，控制PWM信號的占空比。

4.結論：

　　為了驗證和分析控制系統的性能，我們采用了一臺Maxon精密電動機公司研制的稀土永磁無刷直流電機作為樣機進行試驗。該樣機額定功率150W，額定轉速10000n/s。結果表明采用TMS320F2812實現無刷直流機控制系統，結構簡單易于實現復雜的控制規律以提高系統性能。采用方波和PWM方式利于減少力矩波動改善低速性能，能夠取得良好的控制精度、動態性能和較寬的調速范圍，實現實時控制。同時系統結構簡單，運行可靠，具有較高的使用價值。

　　本文作者創新點：采用新型高性能DSP器件TMS320F2812為基礎構成無刷直流電機控制系統。采用轉速和電流雙閉環調速策略，速度環采用遇限削弱積分的積分分離PI控制算法。采用了集成功率元件6AM15作為功率開關器件。