基于DSP的无刷直流电动机控制系统的设计

烟创作

摘要：随着计算机技术、电力电子技术、微电子技术和现代控制实际的飞速开展，直流电动机控制系统正逐渐向数字化、智能化方向开展.在直流电动机控制系统中，传统的模拟系统已经不适应这一趋势的开展.DSP技术的引入不单解决了这一问题，而且同时年夜年夜提高了控制系统的控制精度、实时性和牢靠性；提高了系统的效率，年夜年夜加重了任务人员的休息强度.论文介绍了采用美国TI公司生产TM$320F2812型DSP芯片的无刷直流电动机控制系统的根本构造和任务原理，并详细介绍了基于DSP技术的无刷直流电动机控制系统的硬件电路及软件设计. 关键词：无刷直流电动机；TMS320F2812；电机控制系统；霍尔传感器;

DSP-based Brushless DC Motor Control System Design

AbstractWithcomputer technology，power electronics technology，microelectronic technology and modecontrol theory the rapid development of DC motor control system is gradually to digital，intelligent direction． In DC motor control systems，traditional analog systems are not suited to this trend of development．The introductionof DSP technology will not only solve the problem，but at the same time greatly improve the control systems of control precision，real-time and reliability；improve the efficiency of the system，greatly reduces the labor intensity of staff．This paper introduces the use of the United States produced by TI-basedDSP chip TM$320F2812 Brushless DC Motor Control System of the basic structure and

working principle and gave details of DSP-based brushless DC motor technology，control system hardware and software design．Key words：brushless DC motor；TM$320F2812；motor control system；Digital signal processor 引言

过来，直流电动机年夜多采用电刷和滑环组成的机械整流子停止机械换向，而这种机械换向方式具有噪声年夜、火花、无线电搅扰、寿命短等缺点.现在，电子换向式电流无刷电动机不只克制了机械换向式的缺点，而且既具有交流电动机构造复杂、运行牢靠、维护方便等一系列优点，还具有直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点.再加上近年来电力电子技术的飞速开展、新资料和新型电力电子器件的不竭涌现，为直流无刷电动机的推广应用打下了坚实的根底.直流无刷电动机在航空航天、机器人控制、医疗器械、仪器仪表、家用电器等诸多范畴失掉了普遍的应用.近年来.随着DSP芯片制造和使用技术的不竭成熟，基于DSP的无刷直流电动机控制系统的研究越来越被人们所重视.基于DSP的无刷直流电动机控制正逐步取代基于单片机的无刷直流电动机控TMS320F2812是美国德州仪器公司(TI公司)专门为工业应用而设计的新一代DSP处置器.该芯片采用了高性能的32位中央处置器、哈佛总线构造，高性能静态CMOS技术，主频最高可达150MHZ(时钟周期为6.67ns)；具有外部存储器接口XINTF，可扩展多达1MB的存储空问. 一、驱动控制任务原理 1.1 系统交联关系

图l是系统交联关系框图，执行机构使用直流无刷电机作为驱动本体.控制计算机给驱动控制系统收回控制信号，驱动控制

系统把控制信号转换成相应功率信号驱动执行机构巾的电机运动.

图1 系统交联框图

驱动控制系统可以实现数字控制和速度控制.数字控制是指控制系统只需给定目标位置，运行速度规划由驱动控制系统自动完成；速度控制是指控制系统按周期规划好运动速度，驱动控制系统依据其指定速度停止运动，然后把位置信息反应给控制计算机.

图2、3辨别是驱动控制框图和原理图.驱动控制板与电机信号接口有三相功率信号接口、霍尔传感器换向接口、编码器角度位置反应接口，驱动控制板对外接口有数字通信接口、速度控制模拟输入接口、位置反应接口和报警检测接口等.

图2：驱动控制原理框图

驱动控制系统由DSP控制子系统和功率缩小器组成，DSP子系统依据位移、速度及减速度参数设定实现电机位置环、速度环和电流环控制，即实现数字化驱动，发作PWM驱动三相功率缩小器，然后输出A、B、C信号驱动电机运转；电机内侧霍尔换向传感器的信号决议以后那个功率管导通.编码器收回两相相差900的脉冲信

图3：DSP和驱动原理

号，通过对脉冲数计数，可知电机以后角位移，即实现位置闭环控制.驱动控制系统通过数据通信接口或模拟信号接口与上位机通信，交互电机运行状态信息和位置信息等. 二．系统硬件设计

2.1 驱动控制系统的构造设计

驱动控制系统由DSP控制板和功率驱动板构成，DSP控制板负责数据通信、控制算法和监控，功率驱动板包括功率缩小电路、电流检测电路、接口电路和电源变换电路等.两块板衔接形式如图4所示，采用背靠背衔接，中间走两板之间信号，旁边为固定螺丝孔，这种构造牢靠，模块化设计便于维修. 2.2.1 控制板硬件设计

控制板的硬件原理框图如图5所示，包括两个接口，即系统接口和功率驱动板接口.由于采用集成度高的器件，板上器件比拟少，主要有DSP处置器、RAM、电源模块、信号隔离、通信电平转换接口、模拟信号接口、IO团圆量转换接口，其中电源模块是把5V电源转换成为DSP处置器需要的3．3V和1．8V电源；信号隔离是指DSP的信号电平3．3V，而外部信号电平5V，若5V信号直接输入到DSP的引脚会烧坏DSP处置器，因此需要在3．3V和5V参加信号隔离器件；通信接口是提供传输数据接口电平；IO团圆量即转换成某军工控制系统需要的信号电平. TMS320F2812是TI公司为电机驱动控制研制的专用控制芯片，该器件主要特点如下： (1)32位定点CPU； (2)150MHz时钟频率；

图4：硬件构造示意图

(3)128K×16位片上FLASH存储器； (4)18K×16位单周期片内RAM； (5)4K×16位BOOT ROM；

(6)两个事件管理器(EVMA、EVMB)； (7)两个UART接口模块(SCIA、SCIB)； (8)CAN2、OB接口模块；

(9)12位、16通道A／D模块，80ns转换时间，0—3V模拟电压

范围；

(10)3个32位CPU定时器； (11)3个外部中断； (12)56个通用I／O引脚.

图5：控制板硬件原理框图

事件管理器EVM模块主要包括： (1)8通道16位PWM； (2)死区发作和配置单位； (3)正交脉冲编码接口QEP；

(4)3个捕捉单位，捕捉直流无刷霍尔换向信号； (5)外部可屏蔽功率或驱动呵护中断.

由于该款芯片具有事件管理器，特别适合于做电机驱动控制.

TMS320F2812具有双通道串口和CAN总线接口，在设计中应用现有通信接口来实现需要功用的开发.串口是最常常使用的通信方式，故系统设计中采用串行接口.

功率驱动板的硬件原理框图如图6所示，包括功率驱动、电平转换接口和检测电路.功率MOS模块和单相桥驱动芯片组成电机功率模块，驱动电机任务，其他电路用于确保电机牢靠地运行.

IR2132可用来驱动任务在母电压不高于600V的电路中的功率MOS门器件，其可输出的最年夜正向峰值驱动电流为250mA，而反向峰值驱动电流为500mA.

图6：功率驱动板硬件原理框图

它内部设计有过流、过压及欠压呵护、封锁和指示网络，使用户可方便的用来呵护被驱动的MOS门功率管.器件的门极驱动信号发作互锁延时时间，可以避免同一桥臂上、下两个功率管同时导通.它自身任务和电源电压的范围较宽(3—20V)，在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通过的电流成线性关系的电放逐

年夜器，电路设计还担保了内部的3个通道的高压侧驱动器和高压侧驱动器可独自使用，亦可只用其内部的3个高压侧驱动器，而且输入信号与TTL及COMS电平兼容. 2.3.3 电流检测电路

首先，电流的检测是用分压电阻R来实现的，经运算缩小电路缩小后送人DSP的ADC输入端，A／D转换的最年夜转换电压为3V，每一次PWM周期对电流采样一次，PWM的周期设为50µs，即电流的采样频率为20KHz.其次，要确定何时对电流采样.直流无刷电机采用全桥双极性驱动，即两个对角开关管的上、下桥臂开关管都采用PWM控制，开关管在PWM周期的“开”瞬间，电流上升其实不稳定，也不宜采样，所以电流采样时刻在PWM周期的“开”期间的中部，如图7所示，对V1、V6开关管的控制的波形.电流检测电路的设计主要是分压电阻参数、电压跟随等的设计，由于采用的直流无刷三相电机，故需要有三个电流通道.

图7：PWM控制时电阻压降波形

为了担保失掉恒定的转矩，必需要对三相直流无刷电机停止换相.掌握好恰当的换相时刻，可以增加转矩的坚定.电机的换相信号是通过三个霍尔传感器失掉的.每个霍尔传感器发作180.脉宽的输出信号，如图8所示三个霍尔传感器的输出信号相互差120.相位，在每个机械旋转中共有六个上升或下降沿，正好对应六个换相时刻.只是知道换相时刻还不能正确换相，还需要知道应该换哪一相.TMS320F2812的捕捉端口设置为I／O口，并检测该口的电平状态，就可以知道哪一个霍尔传感器的什么沿触发的捕捉中断.捕捉端口的电平状态称为换相控制字，换相控制字和换相的对应关系参照软件没计.霍尔换相电路就是对从霍尔传感器输出信号停止滤波，电平转换电路.

采用c语言编制和模块化设计.

软件系统任务主要完成驱动控制系统的功用选择模式、运行参数没置、电机控制算法、数据通信、模拟量收集、运行监视和其他故障诊断任务.电机控制算法是软件开发的重点和难点，控制算法依据给定参数和电机实时反应数据停止对电机实时控制，该模块性能直接影响到驱动控制系统性能；另一个任务软件冗余度设计和故障逻辑处置，主要用途是担保系统丁作的牢靠性和执行机构的平安性.

数字化驱动控制系统是指驱动控制系统接纳某控制系统的位置信息，驱动控制系统自动规划电机运动控制速度、位置检测，同时实时反应以后电机任务状态和位置信息.采用数字化驱动控制系统，可提高整个系统的牢靠性及控制精度.为了担保此项关键技术的实现，采用了以下办法和办法：

(1)采用集成度高、频率高的DSP芯片，选用TMS320F2812器件其任务频率可达150MHz；

(2)电机的三环控制由软件实现，t环为位置环、速度环、电流环，避免了模拟电路中模拟元器件因为受环境因素影响而发作时漂、温漂，影响控制精度；

(3)驱动控制系统采用串口／CAN总线停止数据交互； (4)速度规划采用直线加降速算法担保运行稳定；

(5)轨迹点预先延续规划，某军工自动控制系统给定的是团圆位置点，驱动控制系统通过轨迹拟合算法，使各个位置点平滑过渡，避免r电机频繁停止启动，有利于提高电机寿命和运行平稳性.

双通道是指一个控制板有两个驱动电机的电气通道，一个通道控制一个电机，每个通道都可以独记任务.若检测到功率驱动硬件异常，立刻启动另一通道任务.双通道的设计即驱动控制系统引入冗余设计思想，提高驱动控制系统的平安性、牢靠性.为了担保此项关键技术的实现，采用以下办法和步伐：

(1)在硬件电路设计中，引入功率驱动自检电路，通过自检电路可以确定是电机故障、功率驱动电路故障、软件故障； (2)在发作故障时，首先停止软件自检测.

(3)在软件设计中，引入冗余没计，对DSP两个EVM事件管理器停止辨别控制，同时实时监视通道中的硬件任务状态； (4)软件复位，并通知工业控制计算机以后故障原因.

本文对直流无刷电动机的特点及新型DSP芯片

TMS320F2812的性能等作．r详细的介绍，并对基于DSP的无刷直流电动机控制系统的设计作了认真的剖析和介绍，并将该设计应用于某军工控制系统，取得r十分好的效果，为DSP芯片TMS320F2812在直流无刷电机控制系统中的开发、利JH，作了很好的探索，具有一定的实际和实践价值.本文作者立异点：采用成熟技术，降低研制风险；采用集成化、模块化，提高牢靠性和维修性；采用数字化设计，提高数据传输牢靠性；采用双通道设计，提高系统的平安性. [参考文献]

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