基于DSP的直流無(wú)刷電機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：為了更好地實(shí)現(xiàn)直流無(wú)刷電機(jī)的精準(zhǔn)控制，系統(tǒng)利用TI的32位處理器TMS320F2812強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)資源，結(jié)合PWM脈寬調(diào)制技術(shù)和基于反饋的按比例微分積分PID閉環(huán)控制算法，設(shè)計(jì)了高效的三相全橋逆變驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于DSP數(shù)字信號(hào)處理器平臺(tái)的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可移植性強(qiáng)，可適用于多種工業(yè)自動(dòng)控制場(chǎng)合。

　　引言

　　伺服電機(jī)相比步進(jìn)電機(jī)在控制精度、運(yùn)行性能等方面的眾多優(yōu)越性，使得它被越來(lái)越多地用于現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域，其中直流電機(jī)具有優(yōu)秀的線性機(jī)械特性、簡(jiǎn)單的控制電路等優(yōu)點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)被廣泛地應(yīng)用在各種驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中。無(wú)刷直流電機(jī)利用電子換向器取代了機(jī)械電刷和換向器，不僅保留了直流電機(jī)良好的調(diào)速性能，而且又具有交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)換相火花、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，使它廣泛應(yīng)用在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、家電產(chǎn)品、汽車(chē)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻技術(shù)和脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)已經(jīng)成為直流電機(jī)控制的主流。脈寬調(diào)制技術(shù)是對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼，利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)。按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的PID算法是目前最有效的基于反饋的閉環(huán)控制算法之一，具有易于實(shí)現(xiàn)、適用面廣、控制參數(shù)相互獨(dú)立等優(yōu)點(diǎn)。

　　目前實(shí)際應(yīng)用的直流電機(jī)控制系統(tǒng)在功能上或多或少的存在一些不足，控制策略也過(guò)于陳舊，不能很好的滿足不斷發(fā)展的市場(chǎng)需求?；诖爽F(xiàn)狀，本系統(tǒng)采用PWM控制技術(shù)和PID閉環(huán)控制算法兩大主流技術(shù)，基于TMS320F2812 DSP平臺(tái)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)控制電路，實(shí)現(xiàn)低功耗、低成本、高精度、高可靠性、數(shù)字化的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)。

　　數(shù)字信號(hào)處理器選型

　　DSP數(shù)字信號(hào)處理器采用哈佛體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以通過(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線同時(shí)訪問(wèn)程序空間和數(shù)據(jù)空間，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和較高的運(yùn)行速度，其中C2000系列整合了DSP和微控制器MCU的最佳特性，是目前性價(jià)比最高的DSP芯片之一。除了高效的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力，它還具有較為完善的事件管理能力和嵌入式控制功能，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制，特別是在處理速度、處理精度方面要求較高的大批量數(shù)據(jù)處理測(cè)控領(lǐng)域。

　　本系統(tǒng)選用TMS320F2812開(kāi)發(fā)平臺(tái)，具有32位定點(diǎn)DSP內(nèi)核，提供最大主頻150MHz，具有片內(nèi)256KB FLASH，36KB SRAM、8KB Boot ROM、2KB OTP ROM內(nèi)存，以及多達(dá)2MB的外部可擴(kuò)展存儲(chǔ)空間。集成了事件管理器EV，A/D轉(zhuǎn)換模塊，SCI串行通信接口，SPI串行外設(shè)接口，eCAN總線通信模塊，多通道緩沖串口McBSP，看門(mén)狗電路，56個(gè)多路復(fù)用數(shù)字I/O口，和外部中斷接口等多種功能模塊。

　　系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

　　基于模塊化設(shè)計(jì)思想，本系統(tǒng)主要包括三相全橋逆變驅(qū)動(dòng)控制電路、霍爾位置傳感器檢測(cè)模塊、PWM控制模塊、PID閉環(huán)調(diào)速模塊、電流電壓檢測(cè)保護(hù)模塊，以及上位機(jī)控制軟件等部分。對(duì)于無(wú)位置傳感器的無(wú)刷電機(jī)，可以根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)來(lái)進(jìn)行換相，本系統(tǒng)選用有位置傳感器的無(wú)刷電機(jī)，根據(jù)霍爾位置傳感器進(jìn)行換相。無(wú)刷直流電機(jī)采用外部接口DC 12V或24V供電，驅(qū)動(dòng)電路與控制電路通過(guò)光耦完全隔離，避免驅(qū)動(dòng)部分給控制部分帶來(lái)干擾，其他關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)介紹如下。

　　位置信號(hào)的檢測(cè)和轉(zhuǎn)速的計(jì)算

　　電機(jī)內(nèi)部嵌有3個(gè)互相間隔120度的霍爾位置傳感器，一個(gè)機(jī)械周期中每個(gè)傳感器都會(huì)產(chǎn)生180度脈寬的輸出信號(hào)，三個(gè)傳感器輸出的信號(hào)互差120度，如圖1所示。每個(gè)周期中共有6個(gè)上升或者下降沿，正好對(duì)應(yīng)著6個(gè)換相時(shí)刻。為去除信號(hào)的干擾，設(shè)計(jì)中采用施密特觸發(fā)反相器對(duì)霍爾傳感器的3路輸出信號(hào)H1、H2、H3進(jìn)行濾波，信號(hào)經(jīng)過(guò)兩次反向后送入TMS320F2812 EV的CAP捕獲單元。在捕獲中斷中實(shí)時(shí)讀入CAP引腳狀態(tài)，根據(jù)換相順序?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行換相控制，同時(shí)可以根據(jù)兩次捕獲中斷的定時(shí)器計(jì)數(shù)器平均差值來(lái)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速。