基于DSP电机控制方法研究设计

摘要 随着 DSP 技术的发展， DSP 的应用范围越来越广，并且伴随着数字化的发展，对电机的控制的精度要求越来越高， DSP 数字化处理能力也得到了质的飞跃。所以学会应用 DSP时非常重要的。 本文详细讨论了无刷直流伺服电机，并推述星形接法的数学模型，并设计了数字控制无刷直流伺服电机总体方案，本文采用 PID 控制方法来控制电机，详细介绍了 PID 控制算法。 对 DSP 种类进行了简单的介绍，并选择以 TMS320F2812 为基准构建硬件平台，设计了 DSP 供电电源设计，驱动电路的设计， PWM 光电耦合隔离电路的设计，电流的采样电路的 设计，对 DSP 进行保护电路的保护电路的设计等。 在 CCS 环境下，对程序进行编辑，编写 PID 控制算法程序，对系统的初始化，编码器模块初始化，捕捉模块的初始化， SCI 模块的初始化，以及对数字滤波进行编程。 关键词： DSP； CCS； PWM；无刷直流伺服电机 Abstract With the development of DSP technology, DSP application scope is more and more wide. With the development of digital control is higher and higher, The ability of digital handle has own a qualitative leap.So learn to apply DSP is very important. This paper discusses the brushless DC servo motor in detail .The paper describes the mathematical model of the star connection. I designed the general planning of digital control the brushless DC servo motor, this paper adopts the PID control method to control the motor and introduces the PID control in detail. First the article introduces the DSP types simply and select the hardware platform what is based on TMS320F2812 .I designed the DSP power supply. I designed the drive circuit and the PWM photoelectric coupling isolation circuit.I also designed the sampling circuit and the current of protection .At last I designed the protection circuit. In the CCS environment, I edited the program and written in PID control algorithm.I also completed the initialization of system,the initialization of encoder module , the initialization of capture module ,the initialization of SCI module , and programming of the digital filter. Keywords: DSP； CCS； PWM； brushless DC servo motor 目 录 摘要 . I Abstract . II 目 录 . III 1 绪论 . 1 1.1 本课题的研究内容和意义 . 1 1.2 国内外的发展概况 . 1 1.3 本课题应达到的要求 . 2 2 电机的选择及其结构 . 3 2.1 步进电机 . 3 2.3 选择电机 . 5 2.4 本章小结 . 5 3 无刷直流电机的工作原理及数学模型 . 6 3.1 无刷直流电动机的结构 . 6 3.2 无刷直流伺服电动机的位置检测装置 . 6 3.2.1 霍尔传感器 . 7 3.2.2 定子绕组连接方式 . 7 3.2.3 开关管控制方法 . 9 3.3 无刷直流电机的暂态数学模型 . 10 3.4 本章小结 . 11 4 控制方案的总体设计 . 12 4.1 控制方案的框图简介 . 12 4.2 无刷直流伺服电动机实现控制的方法 . 12 4.2.1 数字 PID 控制算法 . 13 4.2.2 数字控制器设计的方法 . 14 4.2.3 工程设计调节器的步骤 . 14 4.3 PWM 信号产生技术 . 14 4.4 编码器 . 15 4.5 电机相电流检测技术 . 17 4.6 本章小结 . 17 5 DSP 的选择及相应的硬件设计 . 17 5.1 DSP 芯片 TMS320F2812 的特点 . 18 5.2 控制硬件的设计 . 18 5.3 DSP 外围电路的设计 . 19 5.3.1 电源的设计 . 19 5.3.2 DSP 的晶体振荡器接口电路 . 19 5.3.3 时钟电路的设计 . 20 5.3.4 JTAG 电路的设计 . 20 5.3.5 异步串行接口（ SCI）硬件 的设计 . 21 5.3.6 CAN 总线接口硬件设计 . 22 5.4 功率驱动逆变电路的设计 . 22 5.4.1 IR2130 芯片具有以下一些特点 . 22 5.4.2 IR2130 结构原理图 . 23 5.5 电机驱动的设计 . 24 5.5.1 自举电容的选择和计算 . 25 5.5.2 PWM 驱动信号隔离电路 . 25 5.6 霍尔传感器信号电路 . 27 5.7 正交编码脉冲信号电路 . 28 5.8 控制器保护电路设计 . 28 5.9 本章小结 . 30 6 控制系统的设计 . 31 6.1 控制系统设计的基本原则 . 31 6.2 软件的设计 . 31 6.3 DSP 集成开发环境 CCS . 31 6.4 主程序的设计 . 32 6.4.1 系统初始化模块 . 37 6.4.2 事件管理器模块 . 38 6.4.3 捕捉模块（ cap） . 39 6.4.4 QEP 正交编码器脉冲电路 . 40 6.4.5 ADC 模数转换模块 . 41 6.4.6 SCI 模块 . 42 6.4.7 PID 算法流程图如所示 . 44 6.4.8 电流采样数字滤波 . 45 6.5 本章小结 . 46 7 结论与展望 . 47 7.1 结论 . 47 7.2 不足之处及未来展望 . 47 致 谢 . 47 参考文献 . 48 1 绪论 1.1 本课题的研究内容和意义 随着科学技术的不断进步，现代机电系统的运动状态越来越复杂，系统控制的要求也越来越高。电动机控制越来越 多的应用电动机控制技术，电动机计算机控制具有数值运算，逻辑判断及信号处理功能。 DSP 有为实现某一具体特定功能设计的不可编程 DSP，如 FFT 变换器；还有可以通过实现编程实现不同的信号处理功能，具有通用性和灵活性的可编程 DSP。 可编程 DSP 作为面向信号处理任务和计算型任务器件，既可以单独应用，又可以和其他的处理器或多个 DSP 一起，构成多处理器系统，使用灵活，适应性强。 DSP 系统设计结构简单。 DSP 控制电机有以下优点：灵活性好，实时性好，存储能力强，逻辑运算能力强，精度高，稳定性好，可靠性高，具有自诊断能力 ，抗干扰性强，功能多。 DSP 控制无刷直流伺服电动机。随着电子技术的发展，微型处理器的发展，其运算速度及信息量的处理及可靠性和稳定性有了很大的提高，单片机以数字控制能力强为特点，但只能处理简单的系统。 DSP 以运算速度快为显著特点。如今电机控制对控制器要求有强大的 I/O 控制功能，又要求控制器有高效的数字信号处理能力以实现实时控制的目的。如今 DSP 价格不断降低且开发工具不断的简化，易于开发者使用。使得如今在实现控制高要求的同时，其使用成本也不断降低。 1.2 国内外的发展概况 DSP 芯片诞生于 20 世纪 70 年代末 ，至今已经得到了突飞猛进的发展，目前经历了三个发展阶段。 第一阶段， DSP 的产生阶段（ 20 世纪）。 DSP 芯片出现之前，数字信号的处理是依靠通用微处理器（ MPU）来完成。由于通用微处理器的处理速度较低，难以满足实时高速处理的要求。由于具有内部单周期的乘法器，使得芯片的运算速度与数据处理能力及运算精度受到了很大的限制。 TI 公司的第一代 DSP 芯片 TNS32010，它通过改进哈佛结构，允许程序存储空间与数据存储空间之间的数据相互传输，大大提高了运算速度和编程的灵活性。 第二阶段， DSP 的成熟阶段（ 20 世纪 90 年代） ，这个时期，国际上许多著名集成电路公司都相继推出了自己的产品。如 TI 公司的 TMS320C20， 30， 40 系列 ,AT&T 公司的 DSP32等。 DSP 成熟阶段的 DSP 器件在硬件结构上相比于 DSP 雏形阶段更加适合对数字信号处理，新加了进行硬件乘法功能，硬件傅里叶变换功能和单指令滤波处理功能，单指令的周期是 80-100ns。如 TI 公司的 TMS320C20，它是该公司推出的第二代 DSP 处理器，采用了CMOS 的制造工艺，使得 DSP 的的运算能力和速度，以及他的储存能力都得到成倍的提高，为未来语音的处理和图像的硬件处理技术发 展奠定了基础。 第三阶段， DSP 完善阶段（ 21 世纪后）。 DSP 不仅信号处理能力不断的到加强和完善， 而且系统开发的更加实用，容易被用户所应用、 DSP 程序的编辑更加的灵活，调试也越来越方便、应用 DSP 所需要的成本相比从前不断下降。随着技术的发展使得各种通用外设集成到片上，从而大大的提高了数字信号处理能力。目前， DSP 芯片已经广泛应用到自动控制、图像处理、网络设备和仪器仪表等领域中，为数字信号处理打下了高效而可靠的硬件基础。 目前，我国的 DSP 产品主要来自于海外。 1983 年 TI 公司的第一代产品 TMS32010 最先 进入中国市场，以后 TI 公司通过提供 DSP 培训课程，使该公司 DSP 产品的市场份额不断扩大。现在 TI 公司的 DSP 产品约占国内市场的 90%。 相对于国外应用开发的情况，我国还存在着相当大的差距。近年来，在国内一些 DSP专业用户的推动下， DSP 的应用在我国日渐普及。除此之外，国内许多高校相继建立了DSP 实验室，开设了相关的课程，这对 DSP 在我国的发展期了关键作用。 进入 21 世纪以后，中国新兴的数字消费类电子产品进入增长期，市场呈高增长姿态，普及率提高，从而带动了 DSP 吃长的高速发展。 未来的 10 年，全球的 DSP 产品 将向着高性能，低功耗，加强融合和拓展多种应用的趋势发展， DSP 芯片将越来越多的渗透到各个电子产品当中的，成为各种产品尤其是通讯类电子产品技术的核心 1。 (1)DSP 的内核结构将进一步改善； (2)DSP 和微处理器的融合； (3)DSP 和高档 CPU 融合； (4)DSP 和 FPGA 的融合； (5)DSP 的并行处理； (6)功耗越来越低。 1.3 本课题应达到的要求 (1)熟悉 DSP 的发展历程； (2)熟练掌握 DSP 的原理以及硬件结构； (3)熟练掌握 DSP 根据设计要求设 计相应的外围电路； (4)掌握 DSP 集成开发环境 CCS； (5)能够熟练使用 C 语言进行编程； (6)熟练使用 CCS 开发软件。 2 电机的选择及其结构 每一个传动控制系统，都必须有控制电机基本元件，主要是用于完成控制信号的传递与变换。控制电机可以做为执行元件或是测量元件。现在市场主要有步进电机和伺服电机。 2.1 步 进电机 步进电机又可以叫电脉冲马达。步进电机是将电脉冲控制信号转换成电机转子角位移的执行元件。每当电机绕组接受一个电脉冲，转子就会转过一个相应的步距角。它每接受一个脉冲，其转子转过一个相应的步距脚。转子的角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及其频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向，很容易用微机实现数字控制 2。 步进电机应满足以下基本要求 :在电脉冲的控制下，步进电机能迅速启动，正反转，制动和停车，调速范围宽，步进电机的步距 角要小，步距精度要高，不丢步，不越步，工作频率高，相应速度快 2。 步进电机的矩角特性，即控制绕组通电状态不变时，电磁转矩与转子偏转角的关系。 )(fT （ 2.1） e静 稳 定 区02稳 定 平 衡 点Ts m2T 图 2.1 步进电机矩角特性 步进电机的最大动态转矩频率的关系成为矩频特性。如下图所示，在一定的控制范围内，随着频率的升高，步进电机的功率和转速都相应的 提高，超出范围则随频率升高转矩下降，步进电机带负载的能力逐步下降，知道带不动。 f0T d m 图 2.2 步进电机矩频特性 2.2 伺服电机 伺服电机又称执行电机，在控制系统中作为执行元件，其功能是将电信号转换为轴上的角位移或角速度输出，以带动控制对象。通过改变电压的大小和极性，就可以控制伺服电动机的转速，转向，启动和停止 2。 伺服电机中又可分为直流伺服电机和交流伺服电机。 直流伺服电机的基本结构和工作直流他励电动机。通常分为电磁式和永磁式两种。 T enU a 3U a 2U a 1U a 1 U a 2 U a 30 图 2.3 直流伺服电机的机械特性 T s死 区0U an 图 2.4 直流伺服电机的调节特性曲线 直流伺服电机具有良好的线调节特性和时间响应。机械特性硬。 2.3 选择电机 直流伺服电机的机械特性和调节性能都是线性的，机械特性硬，而交流的是非线性的。直流伺服电机的动态响应会比交流伺服电机的快。直流伺服电机不会产生自转，但是交流伺服电机可能会产生自转现象，故本文选择直流伺服电机。 2.4 本章小结 熟悉市场上所拥有的电机，并对 它们大概进行了了解，并对步进电机和交流伺服电机进行比较，然后对伺服电机进行详细介绍，并对直流和交流伺服电机进行详细的比较。择无刷直流伺服电动机作为控制电机。 3 无刷直流电机的工作原理及数学模型 3.1 无刷直流电动机的结构 一种用电子换向的小功率直流电机。又可称为无整流子直流电机、无换向器电机。它是用功率开关管取代普通直流电动机中的机械换向器，从而构成无换向器的直流伺服电动 机。这种无刷直流伺服电动机的结构简单，运行可靠，没有火花，电磁噪声比较低，广泛应用于现代生产设备 1。 无刷直流伺服电动机由于没有电刷和换向器弥补了以前机械换向器稳定性问题以及对通讯设备的干扰问题。它主要有电动机转体，转子位置传感器和功率电子开关电路组成电器原理图如下图所示： 直 流 电 源 控 制 和 驱 动 电 路 电 机 负 载位 置 传 感 器 图 3.1 直流伺服电机原理图 无刷直流伺服电动机将电枢放在定子上，把转子做成永磁体，一直产生稳定的磁场，通过上述的办法可以减去机械换向器，从而提高系统的稳定性，无刷直流伺服电机的结构与普通直流伺服电动机的结构相反；如果定子 上的电枢通上电流时，由于电压不会改变，所以定子电枢上的只会产生稳定不变的磁场，由于转子也是产生不变的磁场，所以电机最多只会旋转 90 度。为了使电动机转起来，必须让定子电枢产生一个能稳定变化的磁场，这样转子才能跟着变化的磁场旋转，可以讲定子变化的磁场与转子永磁磁场始终保持一定的角度，并产生稳定的转矩是电机不断的旋转起来。 综上所述，组成直流无刷电机各主要部件包含： (1)电机主体：主定子、主转子； (2)电子开关线路：功率逻辑开关、位置信号处理； (3)位置传感器：传感器定子、传感器转子。 无刷直流电机 是永磁同步电机的一种。它产生的反电势是方形波。英文简称 BLDC。无刷直流电动机算是在交流伺服电动机的范畴。 3.2 无刷直流伺服电动机的位置检测装置 无刷直流电机要实现正反转，要根据转子位置信号确定电枢绕组的正确换向，是的定子电枢绕组所产生的磁场与转子的旋转磁场始终保持在 90 度的范围内。 位置传感器可分为两种，直线和角位移式。常用的直线位移传感器有直线位移定位器等，它的特点是工作原理简单、测量精度高和可靠性强；角位移传感器式具有可靠性高、成本低。角位移器还可使用增式光电编码器。 如今转子位置传感器主要分为： 敏感式、耦合式、谐振式、接近式。 (1)敏感式：利用敏感元件来检测转子的位置信息，并用输出电信号来控制各相的导通；常用的敏感元件有光敏式位置传感器，例如光电二极管和光电三极管和磁敏式位置传感器，例如霍尔元件，磁敏二极管和磁敏三极管； (2)耦合式：变压器耦合和高频空心线圈耦合等； (3)谐振式：谐振电路是电感和电容等元件组成的，如果和谐振相等时，共振现象输出最强，以达到控制电枢通断的能力； (4)接近式：主要有接近开关。 3.2.1 霍尔传感器 由于无刷直流伺服电动机的转子采用的是永磁体，因此常用磁敏式霍尔 传感器来检转子的位置。每相绕组都有一个霍尔传感器。霍尔位置传感器输出的逻辑信号经过逻辑处理后，可以实现功率控制器上的开关通断顺序控制。 霍尔效应：将矩形半导体薄片置于磁场中，在薄片两端通以控制电流 I，则在薄片的另外两侧就会产生一个电势 E，这就是霍尔效应。 霍尔电势与控制电流的关系： BldRE H (3.1) 霍尔常数HR 当磁感应强度与霍尔元件的平面法线方向成一定角度 时 ： cosBldRE H (3.2) 霍尔电势很小，霍尔元件传感器是将霍尔元件与放大电路结合起来制成霍尔集成放大电路 霍 尔 元 件放 大 装置U oG N DU c c输 出功 率 放 大 图 3.2 霍尔集成电路内部原理图 3.2.2 定子绕组连接方式 (1)非桥式（半桥式） 半控型： 磁场方向的厚度d CBAU s 图 3.3 三相半桥主电路 CBAU sD 图 3.4 四相半桥主电路 (2)桥式 全控型： U sABCV T 1 V D 1 V T 3V D 3V T 5V D 5V T 2V D 2V D 6V T 6V D 4V T 4 图 3.5 星形连接三相桥式主电路 U sABCV T 1 V D 1 V T 3V D 3V T 5V D 5V T 2V D 2V D 6V T 6V D 4V T 4 图 3.6 三角形联结三相桥式主电路 3.2.3 开关管控制方法 位置检测器的三个输出信号通过逻辑电路控制这些开关管的导通和截止，其控制方式有两种：二二导通方式和三三导通方式。 二二导通方式：开关管的导通顺序决定共有 6 种导通状态，间隔 60电角度改变一次导通状态，每改变一次状态更换一个开关管，每个开关管导通 120电角度，每相绕组导通 240 当 V1 ,V2 导通时，电流的线路为：电源 V1 A 相绕 组 C 相绕组 V2 地 。 其中 A 相绕组和 C 相绕组相当于串联 .这种连接方式。比半桥方式绕组的利用率增加了，输出转矩也增加了。 三三导通方式：开关管的导通顺序决定共有 6 种导通状态，间隔 60电角度改变一次导通状态，每改变一次状态更换一个开关管，每个开关管导通 180电角度，导通的时间增加了。 当 V1 ,V2， V3 导通时，电流的线路为：电源 V1V3 A 相绕组和 B 相绕组 C相绕组 V2 地 ，其中 A 相绕组和 B 相绕组相当于并联，在与 C 相串联 .因为三相同时通电，产生的转矩分量互有抵消，所以总的转矩并不比 二二导通方式大。 半桥与全桥驱动之间的比较： (1)绕组的利用率 断续通电是无刷直流电动机的绕组的通电方式，适当提高绕组的通电率可以提高效率。四相比我三相差，无相比四相差，半桥比全桥差。 (2)转矩波动 相数越多，转矩波动越小，全桥的转矩波动比半桥的小。 (3)电路成本 相数越多所需要的开关管越多，所需要的成本就越高。半桥结构和成本都比全桥低。 目前市场上，星形联结三相全桥应用就广泛。 两两导通方式：电机旋转一周共有六次绕组换相，相邻两次换相时刻转矩夹角 60。按照规定顺序旋转下去，电机就可 以旋转下去，无刷直流电机转矩是脉动的，输出转矩是一个平均转矩。 图 3.7 无刷直流电动机的转矩图 3.3 无刷直流电机的暂态数学模型 由于稀土永磁无刷直流电动机的气隙磁场、反电 势以及电流是非正弦的，因此不能采用直、交铀 坐标变换的分析方法。通常，直接利用电动机本 身的相变量来建立数学模型。 当绕组是星形接法时，且没有中性线，则： 0 cba iii 且： acb MiMiMi 带入模型，有： cbacbacbacbaeeeiiiPMLMLMLiiiRRRuuu000000000000 (3.3) 其中： cca iii , 是定子相电压； M 两相绕组互感； L 两相绕组自感； E 相感应电动势； P 微分算子。 电磁转矩： )( ccbbaa ieieieT (3.4) 2EIT (3.5) 电磁功率为 ： )( ccbbaae ieieieP (3.6) 即 EIP 2 (3.7) E