TMS320C2812在無刷直流電動機控制中的應用

摘 要：介紹基于TMS320C2812型定點DSP(數(shù)字信號處理器)設計的無刷直流電動機控制器，詳細闡述利用這種DSP產(chǎn)生控制信號的原理和方法，并將理論控制信號與試驗得到的控制信號加以比較．最終驗證了此控制器設計的可行性。
關鍵詞：DSP：PWM控制；無刷直流電動機；應用；TMS320C2812

1引 言
近年來，由于新型稀土永磁材料的出現(xiàn)，采用電子換向裝置的的稀土永磁無刷直流電動機在航空、航天和電氣傳動等方面的應用日益廣泛。在高精度電機控制系咎中，采用無刷直流電動機作為驅(qū)動裝置可使其在重量、功率及控制特性方面有很大的改善。TI公司新推出的TMS320C2812是定點DSP數(shù)字信號處理器，作為電機控制系列專用高端產(chǎn)品，在實現(xiàn)電機控制中能充分利用其高精度處理器的優(yōu)勢，更好地發(fā)揮無刷直流電動機良好的控制特性。本文主要介紹利用這種型號的DSP實現(xiàn)對無刷直流電動機控制的過程及達到的效果。

2 基本結(jié)構及應用
2．1 TMS320C2812的基本結(jié)構
TMS320C2812型DSP是TI公司C2000系列電機控制專用電路的高端產(chǎn)品，是定點32位數(shù)字信號處理器，指令周期可達150 MHz．內(nèi)含128位Flash和兩個通用事件管理器,可用于捕獲位置脈沖和編碼脈沖，產(chǎn)生脈寬調(diào)制輸出信號：還有16通道12位高精度MD轉(zhuǎn)換模塊，并可拓展外部存儲器。這種DSP可以滿足各類復雜電機的控制。

2．2 PWM控制信號的產(chǎn)生
根據(jù)無刷直流電機的控制需要．由DSP產(chǎn)生PWM控制信號。下面以單路PWM信號的產(chǎn)生過程為例，如圖1所示，DSP事件管理器A中的定時器l作為產(chǎn)生PWM信號的時基，通過控制寄存器T1CON和給定定時周期TlPR設置時鐘周期．定時器計數(shù)模式為連續(xù)增減模式；通過寄存器(COM-CONA)設置比較單元的各個參數(shù),產(chǎn)生出對稱的三角波信號，在寄存器CMPRl和ACTRl中分別設置閾值和比較輸出方式，設定的閾值實時與三角波信號比較，得到相應占空比的PWM信號。

圖2所示是PWM比較產(chǎn)生的原理,如圖所示．ACTRl設置為高電平有效，即在寄存器CMPRl中設置閾值小于三角波的值時輸出為無效的低電平。當閾值大于三角波的值時，輸出為有效的高電平。

理想的無刷直流電動機的感應電動勢的計算公式是：
E=3/3πpβLrω (1)
式中：NP是通電導體數(shù)；β是永磁體產(chǎn)生的氣隙磁通密度；L是轉(zhuǎn)子鐵心長度：r是轉(zhuǎn)子半徑：ω是轉(zhuǎn)子的機械角速度。

由式(1)可以看出，感應電動勢與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比。感應電動勢E與直流電源電壓U的關系為：
E=dU
式中：d為控制信號有效電平的占空比。直流電源電壓恒定，可推導出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與占空比d成正比，因此可以通過調(diào)整d的大小即調(diào)整PWM信號有效電平的寬度達到控制轉(zhuǎn)速的目的。

由DSP產(chǎn)生的PWM信號根據(jù)相應寄存器設置，由于定時器1采用連續(xù)增減計數(shù)模式．故有效電平的占空比d的表達式為
d=(2T1PR-2CMPRl)／2T1PR (3)
結(jié)合式(1)和(2)，在程序設計上，可以改變CMPRl的值來控制電機的轉(zhuǎn)速。

3 系統(tǒng)及硬件組成
無刷直流電動機控制系統(tǒng)由TMS320C2812型DSP、功率變換電路及執(zhí)行電機組成，其系統(tǒng)結(jié)構框圖如圖3所示。

3．1 執(zhí)行電機與轉(zhuǎn)子位置傳感器
系統(tǒng)中采用的是四通電機公司無刷直流電動機系列中的永磁方波電機，電機集成了霍爾傳感器作為轉(zhuǎn)子的位置傳感器，實時檢測電機轉(zhuǎn)子相對定子繞組的位置。實時輸出3路位置脈沖信號HU．HV，HW，根據(jù)3路信號的不同組合。共有6個狀態(tài)．循環(huán)5次，在電機旋轉(zhuǎn)360的過程中，共有30個狀態(tài)可以用來精確判斷當前轉(zhuǎn)子所在的位置．為實現(xiàn)DSP對電機的控制提供反饋位置和速度信號。

3．2 功率變換電路及驅(qū)動電路
功率變換電路主要包括整流、濾波、逆變及保護隔離電路。采用三菱公司生產(chǎn)的PSll032型ASIPM智能一體化模塊作為高度集成化的功率模塊，ASIPM內(nèi)部集成了整流橋、逆變橋及隔離保護電路，便于提高控制效果和減小功率。

3．3 外部隔離和電平轉(zhuǎn)換電路
系統(tǒng)采用TLP521型光耦電路作為霍爾傳感器和DSP捕捉引腳的接口。對傳感器的位置脈沖信號進行濾波和保持；采用HP4504型光耦電路將DSP輸出的3．3 V高電平轉(zhuǎn)換為ASIPM模塊需要的標準5V高電平。

針對此系統(tǒng)中的Y型聯(lián)結(jié)三相繞組電機，根據(jù)ASIPM模塊的內(nèi)部結(jié)構．控制電路采用兩兩導通方式。DSP產(chǎn)生的PWM信號的相序如圖4所示。6路PWM控制信號經(jīng)由光耦電路輸入到ASIPM模塊逆變橋的6路開關控制端UP、UN、VP、VN、WP和WN,驅(qū)動功率模塊帶動電機，通過調(diào)整占空比的大小達到控制轉(zhuǎn)速的目的。

圖5示出經(jīng)過HP4504型光耦電路前后的波形,左右兩圖分別為不同占空比下測得到的PWM信號波形。其上部波形為DSP輸出的PWM信號，高電平有效,下部波形為經(jīng)光耦后的信號，反相后輸入到ASIPM模塊，低電平有效。通過程序設定的電機給定轉(zhuǎn)速為320 rad／s。

4 結(jié)束語
試驗波形表明,利用TMS320C2812型DSP構建的無刷直流電動機控制器控制方式簡單，輸出信號穩(wěn)定,調(diào)速性能良好，可以應用于各種高精度調(diào)速系統(tǒng)和位置伺服系統(tǒng)。