基于DSP的无刷直流电动机控制系统的设计之欧阳术创编

1、欧阳术创编2021.02.02欧阳美创编2021.02.02基于DSP的无刷直流电念头控制系统的设廿时间:2021.02.02创作：欧阳术li： 1着廿算机技术、电力电子技术、微电子技术和现代控制 理论的飞速成长，直流电念头控制系统正逐渐向数字化、智能化 标的目的成长。在直流电念头控制系统中，传统的模拥系统已经 不适应这一范势的成长。DSP技术的引入不单解决了这一问题， 并且同时年夜年夜提高了控制系统的控制精度、实时性和可靠 性；提高了系统的效率，年夜年夜减轻了工作人员的劳动强度。 论文介鉛了采取美国TI公司生产TM$320F2812型DSPiE；片的无 刷直流电念头控制系统的基本结构和工作原

2、理，并详细介绍了基 于DSP技术的无刷直流电念头控制系统的硬件电路及软件设廿。 关鍵词:无刷直流电念头；TMS320F2812;机电控制系统；霍尔 传感器；DSPbased Brushless DC Motor Control System DesignAbstractWithcomputer technology , power electronics technology, microelectronic technology and modecontrol theory the rapid development of DC motor control system is gradual

3、ly to digital, intelligent direction. In DC motor control systems , traditional analog systems are not suited to this trend of development. The introductionof DSP technology will not only solve the problem, but at the same time greatly improve the control systems of control precision, realtime and r

4、eliability; improve the efficiency of the system, greatly reduces the labor intensity of staff. This paper introduces the use of the United States produced by TIbasedDSP chip TM$320F2812 Brushless DC Motor Control System of the basic structure and working principle and gave details of DSPbased brush

5、less DC motor technology , control system hardware and software design. Key words: brushless DC motor; TM$320F2812; motor control system ； Digital signal processor引言过去，直流电念头年夜多采取电刷和滑坏组成的机械整流子 进行机械换向，而这种机械换向方法具有噪声年夜、火花、无线 电干扰、寿命短等缺点。现在，电子换向式电流无刷电念头不但 克服了机械换向式的缺点，并且既具有交流电念头结构简单、运 行可靠、维护便利等一系列优点,还具备直流电

6、念头的运行效率 髙、无励槪损耗以及调速性能好等诸多优直。再加上近年来电力 电子技术的飞速成长、新资料和新型电力电子器件的不竭涌现， 为直流无刷电念头的推广应用扌J下了坚实的基fflol流无刷电念 头在航空航天、机器人控制、医疗器械、仪器仪表、家用电器等 诸多领域获得了广泛的应用。近年来。葩着DSPJE；片制造和使用 技术的不竭成熟，基于DSP的无刷直流电念头控制系统的研究趟 来越枝人们所重视。基于DSP的无刷直流电念头控制正逐步取代 基于单片林的无刷直流电念头控TMS320F2812是美国德州仪器 公司（TI公司）专门为工业应用而设廿的新一代DSPjh理器。该茹 片采取了高性能的32位中央处理

7、器、昭佛总线结构，高性能静态 CMOS技术,主频最高可达150MHZ（时鉀周期为6.67ns）;具有外 部存储器接口 XINTF,可扩展多jJlMB的存储空间。一、驱动控制工作原理1.1系统交联关系图1是系统交联关系框图，执行机构使用直流无刷机电作为 驱动本体。控制廿算机给驱动控制系统收回控制信号,驱动控制 系统把控制信号转换成相应功率信号驱动执行机构巾的机电运 动。图1系统交联框图驱动控制系统可以实现数字控制和速度控制。数字控制是指控制 系统只需给定目标位置，运行速度观划由驱动控制系统自动完 成；速度控制是指控制系统按周期规划好运动速度，驱动控制系 统根据其指定速度进行运动，然后把位置信息反

8、响给控制廿算 机。1.2驱动控制系统原理图2、3辨别是驱动控制框图和原理图。驱动控制版与机电信 号接口有三相功率信号接口、霍尔传感器换向接口、编码器角度 位置反响接口，呃动控制檢对外接口有数字通信接口、速度控制 模扱输人接口、位置反响接口和报書检測接口等。图2:驱动控制原理權图驱动控制系统由DSP控制子系统和功率放年夜器组成，DSP子系 统依据位移、速度及加速度参数设定实现机电位置坏、速度环和 电流环控制，即实现数字化驱动,产生PWM驱动三相功率放年 夜器，然后输出A、B、C信号驱念头电运转；机电内侧霍尔换向 传感器的信号决定以后那个功率管导通。编码器收回两相相差 900的脉冲信图3: DSP

9、和驱动原理号，通过对脉冲数廿数,可知机电以后角位移，即实现位置1丹环 控制。驱动控制系统通过数据通信接口或模扱信号接口与上位机 通信，交互机电运行状态信息和位置信息等。二.系统硬件设廿2.1驱动控制系统的结构设廿呃动控制系统由DSP控制板和功率驱动檢构成，DSP控制檢担 任数据通信、控制算法和监控，功率驱动板包含功率放年夜电路、 电流检測电路、接口电路和电渦变换电路等。两块檢连接形式如 图4所示，采取背靠背连接，中间走两檢之间信号，旁边为固定 螺丝孔，这种结构牢靠，模块化设廿便干维修。2.2控制根原理设廿2.2.1控制檢硬件设廿控制板的硬件原理框图如图5所示，包含两个接口，即系统接 口和功率驱

10、动板接口。由于采取集成度髙的器件，檢上器件比较 少,主要有DSP处理器、RAM、电淵模块、信号隔离、通信电平 转换接口、模拥信号接口、IO离散量转换接口，其中电济模块是 把5V电馮转换成为DSP处理器需要的3. 3V和18V电源；信号 隔离是指DSP的信号电平3. 3V,而外部信号电平5V,若5V信号 直接输入到DSP的引脚会烧坏DSP处理器，因此需要在3. 3V和 5VUHA信号隔离器件；通信接口是提供传输数据接口电平；IO 离散量即转换成某军工控制系统需要的信号电平。222核心器件介绍TMS320F2812是TI公司为机电驱动控制研制的专用控制芯片，该 器件主要特点如下：(1) 32位定点

11、CPU;(2) 150MHz时鉀频率;04:硬件结构示意图(3) 128Kxl6fi 片上FLASH 存储器;(4) 18Kxl6fi单周期片内RAM;(5) 4Kxl6位BOOT ROM;(6) 两个事件管理器(EVMA、EVMB);(7) 两个UART接口模块(SCIA、SCIB);(8) CAN2、OB接口 模块；(9) 12位、16通道A/D模块，80ns转换时间，03V模扱电压规 模；(10) 3个32位CPU按时器；(11) 3个外部中断;(12) 56个通用I/O引io05:控制板硬件原理框图事件管理器EVM模块主要包含:(1) 8 通道 16 位 PWM;(2) 死区产生和配置

12、单位;(3) 正交脉冲编码接口QEP;(4) 3个捕获单位,捕获直流无刷霍尔换向信号;(5) 外部可屏蔽功率或驱动阿护中断。由于该款茜片具有事件管理器,特别适合于做机电驱动控制。223通信接口设廿TMS320F2812具有双通道串口和CAN总线接口，在设计中利 用现有通信接口来实现需要功能的开发。串口是最经常使用的通 信方法，故系统设廿中采取串行接口。2.3功率驱动板原理设廿2.3.1功率驱动极硬件设计劝率驱动板的硬件原理框图如图6所示，包含功率驱动、电平 转换接口和检测电路。功率MOS模块和单相桥驱动芯片组成机电 功率模挟，驱念头电工作，其他电路用于确保机电可靠地Elio 2.3.2三相桥驱

13、动芯片IR2132可用来驱开工作在母电压不高于600V的电路中的功 率MOS 11器件，其可输出的最年夜正向降值驱动电流为250mA, 而反向峰值驱动电流为500mAo图6：功率驱动板硬件原理框图它内部设it有过流、il压及欠压叫护、封闲和指示网络，使用户 可便利的用来呵护被驱动的Mosna率管。器件的门极驱动信号 产生互锁延时时间，可以避免同一桥臂上、下两个功率管同时导 通。它自身工作和电淵电压的观模较宽(320V),在它的内部还 设廿有与被驱动的功率器件所通过的电流成线性关系的电流放 年夜器，电路设廿还包管了内部的3个通道的髙压侧驱动器和高 压侧驱动器可单独使用，亦可只用其内部的3个高压侧

14、驱动器， 并且输人信号与TTLKCOMS电平兼容。2.3.3电流检测电路首先，电流的检测是用分压电0HR来实现的，经运算放年夜电 路放年夜后送人DSP的ADC输人端,A/D转换的最年夜转換电 压为3V,每一次PWM周期对电流采样一次，PWM的周期设为 50ps,即电流的采样频率为20KHzo其次,要确定何时对电流采 样。直流无刷机电采取全桥双极性驱动，即两个对角开关管的上、 下桥臂开关管都采取PWM控制，开关管在PWM周期的“开咽间, 电流上升其实不稳定，也不宜采样，所以电流采样时刻在PWM 周期的“开”期间的中部，如图7所示，对VI、V6开关管的控制的 波形。电流检测电路的设计主要是分压电阻

15、参数、电压跟葩等的 设廿，由于采取的直流无刷三相机电，故需要有三个电流通道。7: PWM控制时电阻压降波形2.3.4霍尔换相电路为了包管获得恒定的转矩，必须要对三相直流无刷机电进行 换相。拿握好恰肖的换相时刻，可以城少转矩的樸游。机电的换 相信号是通过三个霍尔传感器获得的。每个霍尔传感器产生180。 脉宽的输岀信号，如图8所示三个霍尔传感器的输出信号互相差 120o相位，在每个机械臨转中共有穴个上升或下降沿，正好对 应穴个换相时刻。只是知道换相时刻还不克不及正确換相，述需 要知道应该换哪一相。TMS320F2812的捕获端口设置为I/O 口， 并检测该口的电平状态，就可以知道哪一个霍尔传感器的

16、什么沿 験发的捕获中斷。捕获端口的电平状态称为换相控制字，换相控 制字和换相的对应关系参照软件没廿。霍尔换相电路就是对从霍 尔传感器输出信号进行滤波，电平转换电路。2.5软件设if ill2.5.1软件设廿要求采取c培言编制和模块化设计。2.5.2软件总体功能软件系统工作主耍完成驱动控制系统的功能选择模式、运行 参数没置、机电控制算法、数据通信、模拥量收集、运行监视和 其他故障诊断工作。机电控制算法是软件开发的重点和难点，控 制算法依据给定参数和机电实时反响数据进行对机电实时控制, 该模块性能直接鄭响到驱动控制系统性能；另一个工作软件冗余 度设廿和故障逻辑处理，主要用途是包管系统丁作的可靠性和

17、执 行机构的平安性。三关鍵技术3.1数字化驱动控制系统的设廿数字化驱动控制系统是指驱动控制系统接收某控制系统的位 置信息,驱动控制系统自动规划机电运动控制速度、位置检测， 同时实时反响以后机电工作状态和位置信息。采取数字化驱动控 制系统，可提高整个系统的可靠性及控制精度。为了包管此项关览技术的实现，采取了以下亦法和亦法：(1) 采取集成度高、频率高的DSP茜片,选用TMS320F2812器件其 工作频率可达150MHz;(2) 机电的三环控制由软件实现，t环为位置环、速度环、电流环, 避免了模拥电路中模KI元器件因为受坏境因素敷响而产生时漂、 温漂，鄭响控制精度；(3) 驱动控制系统采取串口

18、/CA N总线进行数据交互;(4) 速度观刘采取直线加降速算法包管运行稳定;(5) $)11点预先连续规划，某军工自动控制系统给定的是离散位置 点，驱动控制系统通iiata合算法，使各个位置点平滑过渡， 避免机电颐繁停止启动，有利于提高机电寿命和运行平稳性。3.2双通道的设廿双通道是指一个控制板有两个驱念头电的电气通道，一丫通 道控制一个机电,每个通道都可以独记工作。若检測到功率驱动 硬件异常，立即启动另一通道工作。双通道的设廿即驱动控制系 统引入冗余设廿思想，提髙驱动控制系统的平安性、可靠性。为 了包管此项关建技术的实现，采取以下亦法和步调：(1) 在硬件电路设廿中，引人功率驱动自检电路，通过自检电路可 以确定是机电故障、功率驱动电路故障、软件故障；(2) 在产生故障时，首先进行软件自检測。(3) 在软件设廿中,引人冗余没廿，对DSP两个EVM事件管理器 进行辨别控制，同时实时监视通道中的硬件工作状态;(4) 软件复位,并通知工业控制廿算机以后故障原因。13总结本文对直流无刷电念头的特点及新型DSP芯片TMS320F2812 的性能等作.“羊细的介鉛，并对基于DSP的无刷直流电念头控制 系统的设廿作了认真的阐发和介绍，并垮该设廿应用于某军工控 制系统，取得r很是好的效果,为DSP