基于DSP的直流無刷電機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計

　　摘要：為了更好地實現(xiàn)直流無刷電機(jī)的精準(zhǔn)控制，系統(tǒng)利用TI的32位處理器TMS320F2812強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)資源，結(jié)合PWM脈寬調(diào)制技術(shù)和基于反饋的按比例微分積分PID閉環(huán)控制算法，設(shè)計了高效的三相全橋逆變驅(qū)動電路，實現(xiàn)了一個基于DSP數(shù)字信號處理器平臺的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，可移植性強(qiáng)，可適用于多種工業(yè)自動控制場合。

　　引言

　　伺服電機(jī)相比步進(jìn)電機(jī)在控制精度、運行性能等方面的眾多優(yōu)越性，使得它被越來越多地用于現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域，其中直流電機(jī)具有優(yōu)秀的線性機(jī)械特性、簡單的控制電路等優(yōu)點，長期以來被廣泛地應(yīng)用在各種驅(qū)動控制系統(tǒng)中。無刷直流電機(jī)利用電子換向器取代了機(jī)械電刷和換向器，不僅保留了直流電機(jī)良好的調(diào)速性能，而且又具有交流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、無換相火花、運行可靠等優(yōu)點，使它廣泛應(yīng)用在計算機(jī)外圍設(shè)備、家電產(chǎn)品、汽車、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻技術(shù)和脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)已經(jīng)成為直流電機(jī)控制的主流。脈寬調(diào)制技術(shù)是對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼，利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制，具有結(jié)構(gòu)簡單、靈活和動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點。按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的PID算法是目前最有效的基于反饋的閉環(huán)控制算法之一，具有易于實現(xiàn)、適用面廣、控制參數(shù)相互獨立等優(yōu)點。

　　目前實際應(yīng)用的直流電機(jī)控制系統(tǒng)在功能上或多或少的存在一些不足，控制策略也過于陳舊，不能很好的滿足不斷發(fā)展的市場需求。基于此現(xiàn)狀，本系統(tǒng)采用PWM控制技術(shù)和PID閉環(huán)控制算法兩大主流技術(shù)，基于TMS320F2812 DSP平臺設(shè)計驅(qū)動控制電路，實現(xiàn)低功耗、低成本、高精度、高可靠性、數(shù)字化的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)。

　　數(shù)字信號處理器選型

　　DSP數(shù)字信號處理器采用哈佛體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以通過獨立的數(shù)據(jù)總線同時訪問程序空間和數(shù)據(jù)空間，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和較高的運行速度，其中C2000系列整合了DSP和微控制器MCU的最佳特性，是目前性價比最高的DSP芯片之一。除了高效的數(shù)學(xué)運算能力，它還具有較為完善的事件管理能力和嵌入式控制功能，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制，特別是在處理速度、處理精度方面要求較高的大批量數(shù)據(jù)處理測控領(lǐng)域。

　　本系統(tǒng)選用TMS320F2812開發(fā)平臺，具有32位定點DSP內(nèi)核，提供最大主頻150MHz，具有片內(nèi)256KB FLASH，36KB SRAM、8KB Boot ROM、2KB OTP ROM內(nèi)存，以及多達(dá)2MB的外部可擴(kuò)展存儲空間。集成了事件管理器EV，A/D轉(zhuǎn)換模塊，SCI串行通信接口，SPI串行外設(shè)接口，eCAN總線通信模塊，多通道緩沖串口McBSP，看門狗電路，56個多路復(fù)用數(shù)字I/O口，和外部中斷接口等多種功能模塊。

　　系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

　　基于模塊化設(shè)計思想，本系統(tǒng)主要包括三相全橋逆變驅(qū)動控制電路、霍爾位置傳感器檢測模塊、PWM控制模塊、PID閉環(huán)調(diào)速模塊、電流電壓檢測保護(hù)模塊，以及上位機(jī)控制軟件等部分。對于無位置傳感器的無刷電機(jī)，可以根據(jù)感應(yīng)電動勢過零點檢測來進(jìn)行換相，本系統(tǒng)選用有位置傳感器的無刷電機(jī)，根據(jù)霍爾位置傳感器進(jìn)行換相。無刷直流電機(jī)采用外部接口DC 12V或24V供電，驅(qū)動電路與控制電路通過光耦完全隔離，避免驅(qū)動部分給控制部分帶來干擾，其他關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計介紹如下。

　　位置信號的檢測和轉(zhuǎn)速的計算

　　電機(jī)內(nèi)部嵌有3個互相間隔120度的霍爾位置傳感器，一個機(jī)械周期中每個傳感器都會產(chǎn)生180度脈寬的輸出信號，三個傳感器輸出的信號互差120度，如圖1所示。每個周期中共有6個上升或者下降沿，正好對應(yīng)著6個換相時刻。為去除信號的干擾，設(shè)計中采用施密特觸發(fā)反相器對霍爾傳感器的3路輸出信號H1、H2、H3進(jìn)行濾波，信號經(jīng)過兩次反向后送入TMS320F2812 EV的CAP捕獲單元。在捕獲中斷中實時讀入CAP引腳狀態(tài)，根據(jù)換相順序?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行換相控制，同時可以根據(jù)兩次捕獲中斷的定時器計數(shù)器平均差值來計算電機(jī)轉(zhuǎn)速?！　?/p>