基于DSP+CPLD的无刷直流电机三环控制设计

摘要：以先进的TMS320F2812型数字信号处理器(DSP)为主控制芯片，利用CPLD实现无刷直流电机(BLDCM)的逻辑换相，以位置环控制为主，速度环和电流环控制为辅，设计了一套BLDCM的三环控制系统。系统对数字电路与功率电路进行光耦隔离，确保整个系统具有良好的电磁兼容性。控制软件采用定周期控制，循环等待中断发生。实验结果表明，该系统工作稳定、可靠，具有良好的动、静态特性，且实时性强。
关键词：无刷直流电机；三环控制；数字信号处理器

1 引言
    现有的BLDCM控制系统大多采用单环控制，很难同时满足系统的快速性、稳定性与准确性的要求。此处采用TMS320F2812型DSP为主控制芯片，采用EPM3128ATC100-10型CPLD实现BLDCM的逻辑换相与速度计算，实现了控制系统的电流环、速度环、位置环的三环控制。

2 系统组成和工作原理
    三相BLDCM的三环控制框图如图1所示。

    最内环为电流环，次内环为速度环，最外环为位置环。该三环控制以位置控制为最终目标，给定位置与位置反馈量形成偏差，经位置调节后产生速度参考量，它与速度反馈量的偏差经速度调节后形成电流参考量，它与电流反馈量的偏差经电流调节后形成PWM占空比的控制量，实现电动机的速度控制，最终实现整个系统的位置控制。
    系统组成框图如图2所示。

    BLDCM的三环控制系统的基本工作原理为：①电机控制系统与上位机通过通讯单元进行实时通信；②DSP接收位置反馈信号、电流反馈信号、速度反馈信号后，根据位置指令和位置反馈信号形成的偏差信号进行控制律的计算，输出电机控制信号；③CPLD对电机霍尔信号和电机控制信号进行逻辑处理产生6路控制功率管开关的相序，通过隔离电路输入驱动电路；④驱动电路采用三相全桥方式，采用上桥臂调制方式，采用驱动芯片IR2130控制逆变电路MOSFET功率管的开通与关断，实现电机的PWM控制；⑤电机电流经过电流采样电路与隔离放大电路后，送入DSP，形成电流环。CPLD接收电机霍尔信号，经计算得到电机速度信息，送入DSP，形成速度环。电机输出带动执行机构运转，位置传感器实时检测执行机构的位置信息，通过位置采样、放大电路反馈给DSP，实现位置环。
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3 系统硬件设计
3．1 DSP芯片
    系统选用TMS320F2812型DSP，TMS320F2812实行低功耗设计，I／O引脚电压3．3 V，内核电压1．8 V，最高主频150 MHz，最小指令周期6．67 ns，外部采用低频时钟，通过片内锁相环进行倍频。SCI外设接口可方便地与上位机进行RS-422串口通讯。
3．2 CPLD
    此处选用EPM3128ATE100-10型CPLD，具有2 500个可用门，128个宏阵列，最多可用I／O口为80个，可满足系统的需要。系统中CPLD主要功能是对电机霍尔位置信号和DSP给出的PWM信号和电机转向信号进行逻辑综合处理，产生控制功率管开关的相序，使电机的三相电枢绕组按一定顺序导通从而实现对BLDCM的控制。
    系统中CPLD另外一个功能是根据电机霍尔位置信号计算电机速度。对于只有一对极的三相BLDCM，每个机械转子有6次换相，即转子每转
过60°机械角都有一次换相。测得每两次换相的时间间隔为△t，就可根据公式ω=60°／△t计算出两次换相间隔间的平均角速度。
3．3 功率驱动电路
    采用三相全桥驱动，上桥臂功率MOSFET管进行PWM的方式控制。功率元件采用N沟道MOSFET管IRF250，驱动元件采用栅极驱动专用电路IR2130，其独有的HVIC技术使得它可以用来驱动工作在母线电压高达600 V的电路中的MOSFET器件。

    图3为功率驱动电路示意图。Rx为电流采样电阻，对电机电流进行采样。Rx应选取温度系数小的电阻，且阻值也应尽量小，系统选用0．05 Ω／4 W的固定线绕电阻。R1和R2构成分压网络，采样信号经过电阻输入到电流比较器的输入端ITRIP，当主电路发生过流或桥臂直通(ITRIP端输入电平高于0．5 V)时，IR2130内部保护电路使其输出驱动信号全为低电平，从而使被驱动功率管全部截止。故障输出端FAULT变为低电平，二极管VD1发光报警。FAULT端的输出经过R3，R4组成的分压网络接入DSP的功率驱动保护中断输入引脚PDPINTA，PDPINTA是一个下降沿有效的中断，有效时将事件管理器A的PWM输出引脚置为高阻态。S1’～S6’为来自CPLD并经过光耦隔离的控制信号。
3．4 其他硬件电路设计
    电机在启动与换向过程中，会产生较大幅度的电流，电机功率供电地会产生较大幅度的毛刺。为了使整个系统具有良好的电磁兼容性，数字电路地与电机功率地应完全分开。
    信号地和功率地的隔离由光耦实现，系统选用多路高速光耦HCPL5631。CPLD输出的6路控制信号经光耦隔离输入功率驱动电路，如图4所示。

    电流环的组成包括电流采样与处理。图3中，Rx对电机电流进行采样。采样后的电流值变为电压值，经过线性光耦，输入DSP的A／D单元，完成对电流的采样。
    位置传感器采用电位器，可输出反映位置信息的电信号，该电信号经过阻容网络、运算放大器等组成的滤波、放大环节，输入DSP的A／D单元，完成对位置的采样。
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4 系统软件设计
    系统采用C语言按模块化编写软件，主程序流程图如图5a所示。CPU定时器0采用定时周期中断，定时器中断程序流程图如图5b所示。

5 实验结果
    图6示出实验波形。

    此处采用上述硬件电路和软件设计方案，选用稀土永磁BLDCM作为实验样机进行研究，电机额定功率为320W，空载转速为15000r·min-1。根法，测试该系统在1°阶跃和10 Hz正弦信号指令下的响应曲线，测试结果如图6所示。其结果表明，该系统对输入信号具有良好的响应。

6 结论
    采用位置、速度、电流三闭环控制方式，完成了基于DSP+CPID的无刷直流电机控制系统的软硬件设计。充分利用DSP的高速运算能力和丰富的片内外设资源，及CPLD强大的逻辑运算能力，使该控制系统具备了较好的快速性与稳定性，同时由于速度环与电流环的存在，使系统的可靠性与动态性能大大提高，在实际应用及理论研究方面均具有重要意义。