基于DSP的无刷直流电机控制系统的设计

1. 引言

　　无刷直流电机利用电子换向器取代了传统直流电机中的机械电刷和机械换向器，因此不仅保留了直流电动机运行效率高和调速性能好等优点，又具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点。由于不受机械换向限制，易于做到大容量、高转速，目前在航天、军工、数控、冶金、医疗器械等领域已得到大量应用。TMSF2812 DSP是TI公司新推出的基于TMS320C2xx内核的定点数字信号处理器。器件上集成了多种先进的外设，具有灵活、可靠的控制和通信模块,完全可以采用单芯片实现电机控制系统的控制和通信功能，使得电机控制系统简单化、模块化，为电机及其他运动控制领域应用的实现提供了良好的平台。本文设计和实现了基于TI公司TMS320F2812 DSP芯片的无刷直流电机控制系统，整个系统结构紧凑，功能完善。

2. 系统硬件设计

　　系统的硬件框图如图1所示，可以看出基本上包括一个以TMS320F2812 DSP为核心的DSP控制板，一块配套的功率驱动板和一台无刷直流电机。

图1 系统硬件框图

　　2.1控制部分硬件设计

　　控制板部分以TMS320F2812为核心，加上一部分外围电路及接口构成。实现的主要功能是控制指令的接收和执行，速度信号的接收和计算处理，电流采样信号接收和转换，速度闭环和电流闭环控制算法的执行等。

　　对电机的控制主要使用F2812片上的两个电机控制专用外设——EVA和EVB。利用通用定时器T1配合PWM发生器来产生驱动功率器件所需的六路PWM信号，通过GPIO接口将三路电机霍尔传感器信号输入捕获单元，从而获取三个转子的位置，进而控制电机的换相和进行电机转速的计算。两个12位AD模块对相电流信号Iphase和输入的速度调节电压信号Vref进行转换和存储，分别作为电流环的反馈信号和速度环的参考信号。通过片上的通用输入输出接口（GPIO），实现与功率驱动部分的连接，输出启动停止信号，正反转信号，紧急制动信号等，同时接收输入的保护信号，故障信号等。通过片上的SCI模块实现与计算机的通信，接收上位机的控制指令。

　　控制部分硬件结构如图2所示。

图2 控制板电路框图

2.2功率驱动部分硬件设计

　　功率驱动部分的硬件电路，主要由前置驱动芯片和六个功率MOSEFET管组成，实现对控制部分传送过来的换相信息的处理和PWM信号的隔离放大，控制功率MOSFET管的导通和关断，以此来控制电机的工作状态和速度。除此之外，还有电源电路，电流检测电路，过流保护和紧急制动电路等辅助电路，以及与电机和控制板的接口电路。

　　前置驱动芯片采用的是IR公司的MOSFET驱动芯片IR2131，具有集成度高、可靠性好、速度快、过流欠压保护、调试方便等特点。IR2131 内部设计有过流、过压及欠压保护。

　　功率驱动电路采用24V供电，驱动电路与电机的连接采用三相全桥方式，电机工作在三相六状态模式下。以任一时刻电机只有两相导通的方式来控制换流元件。PWM调制的方式是软斩波方式，即导通时下桥臂功率管始终保持开状态，上桥臂功率管的开关由PWM信号决定。功率开关管采用HITACHI公司的集成功率开关器件6AM15，其内部集成3个N型MOSFET管和P型MOSFET管，构成三相全桥功率开关电路。与采用六个分立MOSFET管相比，有利于提高集成度，减少电路板面积，增加可靠性。每个MOSFET管自带超快恢复二极管，在MOSFET管关闭期间起反向续流作用。

　　功率驱动部分电路框图如图3所示。

图3 功率主回路电路框图

3. 系统控制策略及软件设计

　　3.1系统控制策略

　　由无刷直流电机的数学模型可知，其转速基本上跟电压成正比，转矩基本上和相电流成正比。为了达到控制精度和动态性能，本系统选用了转速、电流双闭坏调速系统。电流环采用PI调节器，速度环采用遇限削弱积分的积分分离PI控制算法。它具有良好的起动和抗干扰性能，可以满足本系统的需要。控制系统框图如图4所示。

图4无刷直流电机转速、电流闭环控制系统

　　在此控制方案中，霍尔传感器的信号加到TMS320F2812的捕获单元端。将捕获端设置为I/O 口，然后采集捕获单元的电位情况。根据捕获单元的电位情况可以判断电机处于那个区间。根据两次捕获的时间可以计算出电机运行速度。此速度作为速度参考值的反馈量，然后经过速度PI 调节后可以得到参考电流Iref。另外通过电流检测电路可以得到相电流Iphase信号,此信号通过A/D转换后作为参考电流Iref的反馈量，经过电流PI 调节后，得到的输出量调节输出的PWM信号的占空比,用此PWM信号接到驱动端.这样可以根据电机运行的情况而调节MOSFET 管的导通时间达到控制电机转速的目的。

　　3.2 软件设计

　　根据系统的控制策略，可以得出整个控制系统软件由主程序和INT3中断服务子程序所组成。流程图如图5所示 。

图5 系统软件流程图

　　软件采用模块化设计。在主程序中，执行初始化模块，主要完成系统时钟、看门狗、GPIO、T3中断、事件管理器的各个控制寄存器及其中断等的设置，以及软件中个变量的初始化。执行完初始化后，系统经入循环等待T3中断。

　　在INT3中断服务程序中，主要执行以下几个模块：

　　（1）A/D转换模块：利用DSP内部的A/D转换单元完成相电流的A/D转换。

　　（2）换相控制模块：利用捕获的三个霍尔传感器的状态，根据换相逻辑控制功率MOSFET管的换相。

　　（3）PWM波形发生模块：主要是通过设置DSP内部事件管理器模块的PWM波形发生器，将通用定时器T1设置成连续升序计数模式，对应20kHz的PWM频率，计数周期设成50μs。然后根据电流环输出的占空比对三个全比较单元的比较寄存器值进行刷新。同时，通过查表法，获得当前换相指针所对应的ACTR（全比较动作控制寄存器）值，并送到ACTR寄存器，完成对PWM1～PWM6引脚状态的定义。

　　（4）数字PID模块：改模块实现数字PID算法，对转速误差和电流误差进行调节计算，控制PWM信号的占空比。

4.结论：

　　为了验证和分析控制系统的性能，我们采用了一台Maxon精密电动机公司研制的稀土永磁无刷直流电机作为样机进行试验。该样机额定功率150W，额定转速10000n/s。结果表明采用TMS320F2812实现无刷直流机控制系统，结构简单易于实现复杂的控制规律以提高系统性能。采用方波和PWM方式利于减少力矩波动改善低速性能，能够取得良好的控制精度、动态性能和较宽的调速范围，实现实时控制。同时系统结构简单，运行可靠，具有较高的使用价值。

　　本文作者创新点：采用新型高性能DSP器件TMS320F2812为基础构成无刷直流电机控制系统。采用转速和电流双闭环调速策略，速度环采用遇限削弱积分的积分分离PI控制算法。采用了集成功率元件6AM15作为功率开关器件。