本文采用電機控制專用DSP控制器TMS320LF2407對無刷直流電動機智能控制系統進行了全數字化設計。給出了系統實現硬件電路設計方案，介紹了數據處理板和功率驅動板的主要功能模塊的設計。采用C語言和匯編語言進行混和編程，并且通過了仿真調試。 1 引言 永磁無刷直流電動機是一種新型電機，其構成的控制系統具有體積小、效率高、經濟性好等諸多優點，有巨大的發展潛力。TI公司生產的數字信號處理器具有精度高、可靠性強等優點，TMS320LF 2407 DSP能夠實現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可靠度。采用DSP作為主控制單元的電機控制系統的硬件設計簡單。本文介紹的就是基于數字信號處理器TMS320LF2407永磁無刷直流電動機智能控制系統。 2 總體方案設計 本系統中利用DSP實現永磁無刷直流電動機的全數字雙閉環控制。給定轉速與速度反饋量形成偏差，經速度調節后產生電流參考量，它與電流反饋量的偏差經電流調節后形成PWM占空比的控制量，實現電動機的速度控制。電流的反饋是通過檢測電阻R上的壓降來實現的。速度反饋則是通過霍爾位置傳感器輸出的位置量，經過計算得到的，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用和數字運動控制領域設計的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平臺下的一種定點DSP芯片，幾種先進的外設被集成到芯片內，形成了真正的單芯片控制器，是一種低成本，低功耗，功能強大的電機運動數字化控制升級產品。其CPU芯核為16位，運算速度是30MIPS。 TMS320LF247芯片內含10位單極性AID轉換模塊，AID采樣總共有16個通道，最小轉換時間為500ns，可實現對電機的三相電壓采樣無需進行相位補償。但由于是單極性的，所以對交流采樣時要加提升電路，使交流信號電壓范圍在0.3 V～3 V之間。6路脈寬調制PWM輸出，可用于變頻調速系統中對電機的控制。3路捕獲單元CAP，可用于紀錄脈沖的寬度，從而可以為FFT算法提供時間基準以及與轉速測量用的光柵編碼器接口，以測量電機轉速。 2.2 位置檢測 光電編碼器可以用來測量一個旋轉設備的位置，將其固定在旋轉軸上，碼盤的一側是光源，另一側是光電接受器。當編碼器隨旋轉機械旋轉時，在光電接受器上分別產生A相（由內圈產生）和B相（由外圈產生）脈沖波。根據A相和B相這兩個脈沖波的位置和時間信息，便可以確定旋轉機構的速度、加速度和轉向。 當碼盤器順時針轉動時，B相脈沖的前沿超前A相;逆時針轉動時A相的前沿超前B相。A相和B相的信號由DSP的CAP/QEP引腳捕獲輸入。 2.3 速度檢測 利用光電編碼器的檢測信號，由DSP計算出電機轉速。可以根據DSP的CAP/QEP引腳捕 獲的A相和B相的信號，根據任意一相信號的上升沿及下降沿所對應的時間值可以方便的計算出速度值。也可以根據檢測到的在固定時間內的脈沖數，與固定時間之比即為電機的速度值。 速度計算和速度調節所使用的參數存放在數據區300H開始的6個單元中，AR2作為數據的地址指針。各單元存放的變量如表1所列。 2.4 電流檢測 電流傳感器是伺服系統中的一個重要元件。它的精度和動態性能直接影響著系統的低速性能和快速性。電流檢測的方法有電阻檢測，光耦檢測等各種不同的方法，本系統采用磁平衡原理實現的霍爾元件檢測電流的方法。所用器件為霍爾效應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，是由于霍爾效應的作用。一旦二者不平衡，霍爾元件上就會有霍爾電動勢產生。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，只是一個匝比的關系。 3 硬件系統設計 根據系統設計方案，系統的控制部分硬件可以由兩塊印刷板構成，即數據處理板和功率驅動板，結構如圖2所示。數據處理板進行AID數據讀入，串口數據讀入，控制算法的運算，PWM波形輸出等。而功率驅動板則進行電機三相端電壓采樣，電流采樣，進行濾波分壓處理，且對六路PWM輸出信號進行放大，以驅動功率器件。DSP芯片的六路PWM口輸出三相互差120°角度的方波電流，PWM輸出信號經過精密線性光隔給功率MOS管驅動電路，來驅動功率MOS器件，并由六片功率MOS管驅動電機。兩塊印刷板之間通過雙排34芯電纜連接，分別傳輸AID采樣信號和PWM輸出信號。 數據處理板以TI公司的TMS320LF2407DSP控制器為核心。該DSP控制器配置有兩個帶采樣保持的8路10位的AID轉換器，其最小轉換時間為500ns，可以及時的對三相端電壓和電流進行采樣。板上提供20MHz的有源晶振。數據處理板上的JTAG口與插在計算機主板上的XDS510板卡相連，計算機可以在線的下載調試程序，這樣可以大大的提高工作效率，縮短開發周期。在數據板上還設計了RS232接口，通過串行數據電纜，由計算機可以對電機進行遠程控制。板上SRAM為靜態RAM芯片—IS61C1024-15,128K×8位，用來存儲程序和立即操作數。SRAM芯片是美國矽成公司（ISSI）的，存取時間為15ns，可以和DSP配合使用。GAL是AMD公司的可編程邏輯陣列器件，對片外SRAM的選址、片選等譯碼作用。為以后改進或升級，設計有一些擴展接口，如數據和地址線接口等。 功率驅動板上包含功率逆變器電路、MOSFET管前級驅動電路、光禍電路、端電壓及電流AID采樣電路。無刷直流電機的驅動電路采用三相橋式全控電路，BLDC的定子繞組為Y型連接，電機的極對數為2。逆變器采用由六片N溝道MOSFET管——IRFZ44N構成的上下橋式驅動電路。 4 軟件系統設計 整個控制系統軟件采用模塊化設計思想，符合當前自上而下的主流設計思想。本系統中，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轉換，使每個PWM周期都對電流進行一次采樣，并在A/D轉換中斷處理程序中對電流進行調節，來控制PWM輸出。轉子每轉過60°機械角都觸發一次捕捉中斷，進行換相操作和速度計算。系統的主程序流程圖如圖3所示。 5 仿真結果 本文對系統進行了模糊控制仿真，速度給定跳變響應曲線如圖4和圖5 所示。 6 結束語 由仿真結果可以看出，當給定速度跳變時，系統能夠快速響應。轉矩和電流波動較小，而且在轉速跳變的時候，能夠快速達到穩定；靜態誤差小，具有很好的靜態和動態性能。 第二屆伺服與運動控制論壇論文集 第三屆伺服與運動控制論壇論文集