湖南工学院 俞斌 本文采用电机控制专用DSP控制器TMS320LF2407对无刷直流电动机智能控制系统进行了全数字化设计。给出了系统实现硬件电路设计方案，介绍了数据处理板和功率驱动板的主要功能模块的设计。采用C语言和汇编语言进行混和编程，并且通过了仿真调试。
1 引言 永磁无刷直流电动机是一种新型电机，其构成的控制系统具有体积小、效率高、经济性好等诸多优点，有巨大的发展潜力。TI公司生产的数字信号处理器具有精度高、可靠性强等优点，TMS320LF 2407 DSP能够实现完整的无刷直流电机控制功能。并可大幅简化控制电路，降低成本及增加系统可靠度。采用DSP作为主控制单元的电机控制系统的硬件设计简单。本文介绍的就是基于数字信号处理器TMS320LF2407永磁无刷直流电动机智能控制系统。
2 总体方案设计 本系统中利用DSP实现永磁无刷直流电动机的全数字双闭环控制。给定转速与速度反馈量形成偏差，经速度调节后产生电流参考量，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。电流的反馈是通过检测电阻R上的压降来实现的。速度反馈则是通过霍尔位置传感器输出的位置量，经过计算得到的，同时位置传感器输出的位置量还用于换相控制。系统的原理框图如图1所示。[IMG=图1 系统原理框图]/uploadpic/THESIS/2007/11/2007111614451190877R.jpg[/IMG]图1 系统原理框图2.1 TMS320LF2407 DSP控制器 TI公司的TMS320LF240x系列是专门为控制应用和数字运动控制领域设计的DSP控制器。TMS320 LF2407芯片作为DSP控制器24x一族TMS320LF24x系列的新成员，是TMS320C2000平台下的一种定点DSP芯片，几种先进的外设被集成到芯片内，形成了真正的单芯片控制器，是一种低成本，低功耗，功能强大的电机运动数字化控制升级产品。其CPU芯核为16位，运算速度是30MIPS。 TMS320LF247芯片内含10位单极性AID转换模块，AID采样总共有16个通道，最小转换时间为500ns，可实现对电机的三相电压采样无需进行相位补偿。但由于是单极性的，所以对交流采样时要加提升电路，使交流信号电压范围在0.3 V～3 V之间。6路脉宽调制PWM输出，可用于变频调速系统中对电机的控制。3路捕获单元CAP，可用于纪录脉冲的宽度，从而可以为FFT算法提供时间基准以及与转速测量用的光栅
编码器接口，以测量电机转速。2.2 位置检测 光电编码器可以用来测量一个旋转设备的位置，将其固定在旋转轴上，码盘的一侧是光源，另一侧是光电接受器。当编码器随旋转机械旋转时，在光电接受器上分别产生A相（由内圈产生）和B相（由外圈产生）脉冲波。根据A相和B相这两个脉冲波的位置和时间信息，便可以确定旋转机构的速度、加速度和转向。当码盘器顺时针转动时，B相脉冲的前沿超前A相;逆时针转动时A相的前沿超前B相。A相和B相的信号由DSP的CAP/QEP引脚捕获输入。2.3 速度检测 利用光电编码器的检测信号，由DSP计算出电机转速。可以根据DSP的CAP/QEP引脚捕 获的A相和B相的信号，根据任意一相信号的上升沿及下降沿所对应的时间值可以方便的计算出速度值。也可以根据检测到的在固定时间内的脉冲数，与固定时间之比即为电机的速度值。速度计算和速度调节所使用的参数存放在数据区300H开始的6个单元中，AR2作为数据的地址指针。各单元存放的变量如表1所列。[IMG=表1 300H开始的6个单元中存放的变量]/uploadpic/THESIS/2007/11/2007111614465098359L.jpg[/IMG]表1 300H开始的6个单元中存放的变量2.4 电流检测 电流传感器是伺服系统中的一个重要元件。它的精度和动态性能直接影响着系统的低速性能和快速性。电流检测的方法有电阻检测，光耦检测等各种不同的方法，本系统采用磁平衡原理实现的霍尔元件检测电流的方法。所用器件为霍尔效应磁场补偿式电流传感器。它是国际上推荐为电力电子线路中的关键电流检测器件。它把互感器、磁放大器、霍尔元件和电子线路的思想集成一体。具有测量、反馈、保护三重功能。[IMG=图2 硬件系统框图]/uploadpic/THESIS/2007/11/2007111614484315524X.jpg[/IMG]图2 硬件系统框图 它实际上是有源电流互感器，它的优点是“磁场补偿”，被测量的原边磁场同测量绕组里的测量磁势，实时补偿为零，也就是说，铁芯里实际上没有磁通，因而其体积可以做得很小，而不怕有铁芯饱和，不用担心频率、谐波影响。之所以二者的磁势能被充分补偿，是由于霍尔效应的作用。一旦二者不平衡，霍尔元件上就会有霍尔电动势产生。它就作为以±15V供电的差分放大器输入信号，放大器的输出电流即为传感器的测量电流，自动迅速地恢复磁势平衡，即霍尔输出总保持为零。这样电流的波形忠实的反映原边被测电流的波形，只是一个匝比的关系。
3 硬件系统设计 根据系统设计方案，系统的控制部分硬件可以由两块印刷板构成，即数据处理板和功率驱动板，结构如图2所示。数据处理板进行AID数据读入，串口数据读入，控制算法的运算，PWM波形输出等。而功率驱动板则进行电机三相端电压采样，电流采样，进行滤波分压处理，且对六路PWM输出信号进行放大，以驱动功率器件。DSP芯片的六路PWM口输出三相互差120°角度的方波电流，PWM输出信号经过精密线性光隔给功率MOS管驱动电路，来驱动功率MOS器件，并由六片功率MOS管驱动电机。两块印刷板之间通过双排34芯
电缆连接，分别传输AID采样信号和PWM输出信号。 数据处理板以TI公司的TMS320LF2407DSP控制器为核心。该DSP控制器配置有两个带采样保持的8路10位的AID转换器，其最小转换时间为500ns，可以及时的对三相端电压和电流进行采样。板上提供20MHz的有源晶振。数据处理板上的JTAG口与插在计算机主板上的XDS510板卡相连，计算机可以在线的下载调试程序，这样可以大大的提高工作效率，缩短开发周期。在数据板上还设计了RS232接口，通过串行数据电缆，由计算机可以对电机进行远程控制。板上SRAM为静态RAM芯片—IS61C1024-15,128K×8位，用来存储程序和立即操作数。SRAM芯片是美国矽成公司（ISSI）的，存取时间为15ns，可以和DSP配合使用。GAL是AMD公司的可编程逻辑阵列器件，对片外SRAM的选址、片选等译码作用。为以后改进或升级，设计有一些扩展接口，如数据和地址线接口等。 功率驱动板上包含功率逆变器电路、MOSFET管前级驱动电路、光祸电路、端电压及电流AID采样电路。无刷直流电机的驱动电路采用三相桥式全控电路，BLDC的定子绕组为Y型连接，电机的极对数为2。逆变器采用由六片N沟道MOSFET管——IRFZ44N构成的上下桥式驱动电路。
4 软件系统设计 整个控制系统软件采用模块化设计思想，符合当前自上而下的主流设计思想。本系统中，CPU时钟频率为20MHz，PWM频率为20kHz。通过定时器1周期匹配事件启动ADC转换，使每个PWM周期都对电流进行一次采样，并在A/D转换中断处理程序中对电流进行调节，来控制PWM输出。转子每转过60°机械角都触发一次捕捉中断，进行换相操作和速度计算。系统的主程序流程图如图3所示。[IMG=图3 系统主程序流程图]/uploadpic/THESIS/2007/11/2007111615012666263Q.jpg[/IMG]图3 系统主程序流程图
5 仿真结果 本文对系统进行了模糊控制仿真，速度给定跳变响应曲线如图4和图5 所示。[IMG=图4 速度跳变响应曲线]/uploadpic/THESIS/2007/11/2007111614513259826J.jpg[/IMG]图4 速度跳变响应曲线[IMG=图5 速度跳变时转矩响应曲线]/uploadpic/THESIS/2007/11/2007111614514027257E.jpg[/IMG]图5 速度跳变时转矩响应曲线
6 结束语 由仿真结果可以看出，当给定速度跳变时，系统能够快速响应。转矩和电流波动较小，而且在转速跳变的时候，能够快速达到稳定；静态误差小，具有很好的静态和动态性能。第二届伺服与运动控制论坛论文集第三届伺服与运动控制论坛论文集
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