基于 DSP 的无刷直流电机控制系统设计和仿真研究 - 图文

题 目

基于DSP 的无刷直流电机控制系统设计

作 者： 潘高超 学 号： 15120017 班 级： 研15电气 完成日期： 2016年 5月 22日

摘 要

随着计算机技术和现代控制理论的发展，由数字控制装置组成的随动系统应运而生。与传统的模拟系统相比，数字随动系统具有设计简单，体积小，修改方便，精度高，可靠性高等优点。作为典型的数字随动控制系统的执行器，无刷直流电机既具备交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列特点，又具有直流电机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点，故在许多高科技领域得到了非常广泛的应用，如机器人、数控机床、雷达、潜艇和各种军用武器随动系统。

本文以无刷直流电机控制系统在武器随动系统中的应用为背景，设计基于DSP的无刷直流电机控制系统。

首先,本文深入研究了永磁无刷直流电机,确立了一套以DSP(TMS320LF2407A) 为核心的无刷直流伺服电机的控制系统方案。本控制系统的主要优势在于利用数字信号处理器DSP的高速数字运算功能，实现各种高效的控制算法，达到无刷直流电机的高精确控制的目的。

在控制系统设计部分，本文重点论述了控制系统的总体硬件构成，包括TMS320LF2407A控制器，DSP外围电路和功率驱动及其逆变电路的设计。同时，对位置信号、相电流、相电压检测电路，速度信号检测电路和故障逻辑电路进行了设计。本文还对控制系统软件进行了简单介绍，包括主程序、中断服务程序以及速度环和电流环算法，并基于模块化结构设计思想绘制了流程框图。

关键词：无刷直流电机，TMS320LF2407A，精确控制，DSP

第一章 控制系统硬件设计

1.1 控制系统总体的硬件构成

针对无刷直流电机控制系统的分析，设计了基于DSP的无刷直流电机数字控制系统，其硬件构成如图所示。

本系统的控制电路主要由功率驱动、三相逆变和DSP(TMS302LF2407A)单元组成，当然还包括DSP接口电路，以及必要的保护电路。本系统采用PWM方式实现对无刷直流伺服电机的控制。交流输入经过整流、稳压并为逆变电路提供直流电源。驱动部分采用国际整流器公司的驱动模块IR2132S，控制由转速环和电流环双闭环组成，从而有效地提高了无刷直流电机的控制精度。位置给定由无刷直流电机自带的霍尔元件给出，并由LF2407A的CAP端进行捕捉定位。转速及其方向给定由光电编码器形成正交编码信号，由LF2407A的QEP端进行速度与转向的鉴定。根据给定的速度信号，DSP产生一定的PWM波。通过调整PWM波宽度控制功率管的开关时间，实现对无刷直流电机的控制。

电流给定由单电流霍尔传感器在LF2407A的控制下传达三相电流信号并由LF2407A自带的A/D进行采样，由LF2407A根据电流采样值来调整PWM波的占空比，从而改变相电流幅值。人机界面接口采用键盘液晶显示，并提供上位机(SCI方式)的接口。系统选用DSP的PDPINTA管脚作为系统保护信号的输入端，一旦系统出现故障时，PDPINTA引脚电平变低，所有PWM输出引脚均设置为高阻状态，此时一个中断将被生成。

1.2 TMS320LF2407A DSP 控制器介绍

TMS320LF2407A是TI公司推出的TMS320C24xx系列DSP中最新的功能最齐全最强大的16位定点数字信号处理器。与传统的24x处理器相比，TMS320LF2407A性能有很大的提高；40MIPS的运算速度(24x为20MIPS，240x为30MIPS)；软件加密功能，能够有效地防止片内软件的非法拷贝；不仅为码盘接口单元输入引脚提供了输入限定功能，也为其它捕获输入、除Reset以外的外部中断输入和ADCSOC引脚提供了输入限定功能，以防止误动作；在比较控制寄存器(COMCONx)中使用功率驱动保护中断引脚(PDPINTx)，该位在240x系列中为保留位。 TMS320LF2407A的功能除具有TMS320系列DSP的基本功能外，还具有以下特点：

(1) 采用高性能静态CMOS技术，使供电电压降为3.3V，减小了控制器功耗； 40MIPS的最高指令执行速度使得指令周期为25ns ( 40MHz )，从而提高了控制 器的实时控制能力。

(2) 基于TMS320C2xxDSP的CPU内核，保证了TMS320LF2407A代码和TMS320系列DSP代码兼容。

(3) 片内有高达32K字FLASH程序存储器，并带有可编程加密功能；高达1.5K字数据/程序RAM，544字双口RAM ( DARAM)和2K字单口RAM ( SARAM )。 (4) 十二路带有可编程死区时间设置的PWM驱动输出接口，硬件上保证可同时控制两台三相电机，或同时控制一台三相电机并同时实现PFC或PWM整流功能，或者进行三电平逆变器的控制研究。

(5) 两个事件管理模块EVA和EVB，每个模块包括：两个16位通用定时器；8个16位脉宽调制(PWM)通道。它们能够实现：PWM的对称和非对称波形；可编程PWM死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲；3个捕获单元；高速光电编码接口，通过输入正交编码脉冲电路来获得转子的速率和机械角位置；16通道10位A/D转换器。事件管理器模块适用于控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机和功率逆变器。

(6) 可扩展外部存储器总共192K字空间：64K程序存储空间；64K字数据存储空间；64K字I/O寻址空间。

(7) 看门狗定时器模块(WDT)：可用来监控系统软件和硬件的操作，它可以按照用户设定的时间间隔产生中断。如果软件执行进入一个不正确的循环或者CPU运行出现异常时，该模块可以实现系统复位，使系统进入预定状态。 (8) 控制器局域网络(CAN)2.0模块：CAN模块给用户提供了设计分布式或网络化运动控制系统接口。

(9) 串行通信接口(SCI)模块：用于实现DSP与其他异步外设之间的串行通信，其接收器和发送器都是双缓冲的。

(10) 16位串行外设(SPI)接口模块：用于DSP与外设或其他控制器进行串行通信，典型应用包括与数模转换器、LED显示驱动等器件的通信。

(11) 高达41个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚(GPIO)和基于锁相环的时钟发生器。

TMS320LF2407A一经推出，便以其优越的性能特点以及同类产品所无法比拟的功能成为高性能传动控制系统设计的首选器件，逐步取代了以前广泛使用的TMS320F240和TMS320LF2407，是目前业界最具竞争力的电机专用控制器。 TMS320LF2407A芯片内主要的功能模块图表如图所示。

至于模数接口方面，2407A芯片内部含有16通道的10位A/D转换，所以无需再外接AD转换器件，只要调节好AD接口的参考电压就可以了；而且2407A内部能够产生专门用于电机控制的12路PWM波，所以针对电机控制的系统也无需外接DA转换器件。

1.4功率驱动及其逆变电路设计

1.4.1 功率驱动芯片选取

在本系统中，电机控制的驱动器采用的是IR(国际整流器)公司专门为三相桥式驱动设计的IR2132S芯片。R2132S是大功率MOSFET和IGBT专用驱动集成电路，驱动信号延时为ns级，开关频率在20kHz以上，其主要特点和性能为：集成度高，六路驱动，所需外围元件少；偏置电压最大600V，驱动电流200mA/420mA，栅压范围10~20V，开关时间675ns/425ns(典型值)，死区时间0.8Ls(典型值)；具有过流关断、欠压封锁功能；单电源工作，六路驱动仅用一个+15V~20V直流电压电源，IR2132S内部应用自举技术来实现同一集成电路可同时输出两个驱动逆变桥中高压侧与低压侧的通道信号，它的内部为自举操作设计了悬浮电源，悬浮电源保证了IR2132S直接可用于母线电压为-4~+500V的系统中来驱动功率MOSFET或IGBT。

在系统的运行过程中，驱动保护电路会检测当前系统的运行状态。如果系统中出现过流或者欠压情况，IR2132S会启动内部保护电路，锁住后继的PWM信号输出，同时通过FAULT引脚拉低DSP控制器的PDPINT引脚电压，启动DSP控制器的电源驱动保护。这时所有的EV模块输出引脚将被硬件置为高阻态，从而实现了对控制系统的保护。该系统中设计的保护电路主要用于保护DSP控制器和电机的驱动电路，外围电路中的电流检测电位器提供全桥电路电流的模拟反馈值，如果超出设定或调整的参考电流值，工R2132S驱动器的内部电流保护电路就会关断输出通道，实现电流保护的作用。

IR2132S芯片可同时控制六个大功率管的导通和关断顺序，通过输出HO1、HO2、HO3分别控制三相全桥驱动电路的上半桥T1、T3、T5的导通关断，输出LO1、LO2 、 LO3分别控制三相全桥驱动电路的下半桥T2、T4、T6的导通关断，从而达到控制电机转速和正反转的目的。

1.4.2 驱动电路设计

具体电路如图所示，IR2132S的工作电压取为+15V，其电源引脚Vcc接+15V电源；VCC与三路高端浮动供电引脚Vbl，Vb2，Vb3之间分别接入三个快恢复二极管Dl，D2，D3，高端浮动供电引脚Vbl，Vb2，Vb3与高端浮动偏置电压引脚Vsl，Vs2，Vs3之间分别接入三个自举电容Cl，C2，C3。

驱动电路的保护电路主要有两部分：自保护电路和过电流欠电压保护电路。外围电路中的电流检测电阻通过引脚Vss的设定值与流入CA-引脚的电流在反馈电阻上产生的电压相比较，如果超出设定或调整的Vss参考值，IR2132S驱动器的内部电流保护电路启动，关断输出通道，实现电流保护的作用，驱动电路上的D4点亮。IR2132S芯片内部也有硬件保护电路。如果负载或驱动电路出现过电流或欠电压的情况，IR2132S驱动器的FAULT引脚会输出制动信号，通常这个输出信号连接到DSP的PDPINT引脚上，拉低PDPINT引脚的输入电平，关断DSP的所以输出通道并置为高阻态，实现整个控制电路的保护作用。

1.5 位置信号、相电流、相电压检测电路

1.5.1 位置信号检测电路设计

在BLDC控制系统中，位置传感器是一个不可缺少的重要组成部分。它的主要作用有两个：一是检测电机定子，转子的相对位置并提供电机相绕组的换相信号；二是与控制器一起构成转速的反馈环节。无刷直流电动机的轴上已经安装了3个霍尔效应传感器，其输出的转子位置信号送到功率变换电路，然后送往TMS320L2407A片上捕获单元进行处理。

图中HA、HB、HC为三相霍尔信号，通过一个上拉电阻，当某相(比如HA)为高电平时，二极管1N4148截止，6N137导通，经过74LS14输出高电平，经过电阻10K(TTL和CMOS之间的匹配电阻)，TTL的5V高电电平就被转换为CMOS的3.3V高电平，此时IOPB1和CAP1均为高电平(3.3V)；若霍尔输出低电平，则1N4148的阳极被置低，6N137不导通，那么74LS14输出低电平，此时IOPB1和CAP1均为低电平。74LS14是一个带施密特的反相器，目的在于消除信号斜坡部分。通过上述位置信号外围电路，捕获引脚和I/O引脚上为标准的0和3.3V脉冲信号，DSP的捕获单元和I/O可以正常无误地工作。 定时器2作为捕获单元的时钟基准，时钟周期寄存器初始化为0xFFFEh。LF2407A检测到位置信号的上升下降沿后，产生一个相应的中断标志，然后中断子程序开始运行，计算换流相和速度。 1.5.2 相电流检测电路设计

在该控制系统中，为了得到快速的起动性能， 以及对主电路的电流监控，需要加入对主电路的电流信号采样反馈电路。获得采样电流信号一般情况下有两种方法： 一种使用采样电阻。采样电阻可以直接将主电路的电流信号转化为电压信号送给控制电路，简单、方便、输出电压直接正比于主电路流过的电流。但是这将使主电路和控制电路直接有了电的联系，很容易将主电路的干扰带入控制电路，所以一般还要加入隔离电路，将主电路和控制电路进行隔离。另一种是使用霍尔元件。霍尔电流传感器是国际上电子线路中普遍采用的电流检测元件。其最大优点是测量精度高、线性度好、响应快速，可以做到电隔离检测，并且结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小。利用霍尔效应检测电流目前有直接检测式和磁场平衡式两种方法。直接检测式霍尔电流传感器的不足是当被测电流过大时，为了不使磁路饱和、保证测量结果的线性度，必须相应增加铁心的截面积，这就造成检测装置的体积过大。而磁场平衡式霍尔电流传感器(LEM模块)把互感器、磁路放大器、霍尔元件和电子线路集成在一起，具有测量、反馈、保护三种功能。LEM模块的最大优点是借助/磁场补偿0的思想，保持铁心磁通为零，致使其尺寸、重量显著的减小，使用方便，电流过载能力强，整个传感器已经模块化，套在被测母线上即可工作。另一方面，其响应速度可达到1

微秒以内；并且和电阻采样相比较，由于不需要在主电路中串联电阻，所以不会产生额外的损耗。因此本系统使用该种方法完成电流的检测。具体电路如图。

在本系统中采用的LEM型号为BLYT5-CNP12C4，其工作电压为±15V，输出电流为0~10mA。两个LEM模块检测A相和B相的电流，得到电流信号(-10mA~10mA)，经过转换电路变成电压信号。其中，电容C32起滤波作用，R30为电流传感器的外接电阻，用来将电流信号转换为电压信号，以便测量。R31， R32为电压给定值设定电阻，通过调节两电阻之间的比值可调节给定电压，也即给出了电流的最大值。霍尔电流传感器的输出信号和设定值经过比较放大器比较后输出高电平信号。 1.5.3 相电压检测电路设计

相电压测量电路由电阻R1~R6、电容Cl~C3组成的相电压分压、滤波电路组成。图中Ua、Ub、Uc分别为电机定子各相对地相电压。以A相为例，A相相电压V经R1，R2分压后得到测量电压Ua0送入DSP的ADC转换模块。考虑相电压测量时功率器件的开关噪声对测量值的干扰，需采用滤波电路，本文使用由R7与C1，组成的RC低通滤波器，RC滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且其选用标准阻容元件也很容易得到。

1.6 故障逻辑电路设计

故障逻辑电路主要实现故障保护功能，一旦有故障产生如过热、欠压等，产生故障信号通知DSP，封锁DSP的输出，发出故障信号，直至故障消除。图中Ot为过热信号，Vo为过压信号，/EN为使能信号。整个逻辑输出连接到DSP的PDPINT端，控制DSP有无输出。

第二章 控制系统软件设计

2.1 系统软件结构

本系统的控制软件由主程序模块和中断服务程序模块两大部分组成。其中主程序包括初始化、捕获当前位置、设置中断逻辑等。中断服务程序主要有电流采样中断子程序、位置信号捕获中断子程序、定时器溢出中断子程序、故障保护中断子程序等。

由于系统采用模块化结构设计，各部分显得简洁、明了，便于修改和调试。而且具有很强的通用性和可移植性。

2.1.1 主程序模块

主程序主要完成以下一些功能：对TMS320LF2407A芯片的初始化，预置系统运行参数，I/O端口初始化，捕获当前位置，设置中断逻辑等。

2.1.2 中断服务程序模块

无刷直流电动机的运行要求及时、准确地检测转子位置信号，并确定PWM电路相应的输出配置，以保证电机的定子绕组的正确换相，实时性强，故对位置信号采用捕获中断的方式；速度调节器是控制的中心环节。另外，系统出现异常情况时，应及时用软件封锁DSP的PWM输出，故对故障信号也采取中断的方式。中断服务程序模块包括。 (1) 位置捕获中断服务子程序

TMS320F2407A的事件管理器中有四个捕获单元，每个捕获单元都能产生中断，且分别具有各自独立的中断向量。此外将CAP1、CAP2、CAP3这三个管脚设置成捕获外部信号上下跳沿的功能，分别去捕获光电位置传感器输出的三路位置信号上下跳沿。因而电机运行时，对于每路转子位置信号，电机的每旋转180o电角度，其上下跳沿就会触发一次事件管理器的该路位置信号的捕获中断。

(2) 电流采样中断服务子程序

电流调节器是控制的中心环节，其设计要求满足电流环的频率要求，实现电流快速准确地跟踪给定值。本系统中，其功能是完成电流数据的采集，根据当前逆变桥的导通情况，选择适当的相电流作为电流调节器的反馈量；完成电流的调节作用，并将调节器的输出结果送至事件管理器相应的寄存器中，目的是控制导通电流跟随给定电流。

(3) 定时器溢出中断服务子程序

在转速测量中，要求计算相邻两次捕获中断事件的时间间隔，并检查其是否超过设计的最大值(65535)，所以需要设定一个定时器溢出中断。

(4) 故障保护中断子程序

本系统各种保护电路的故障信号经一与门电路相与后送给TMS320F2407A的PDPINT管脚。当系统出现故障进入中断程序后，即在管脚PDPINT被置为低电平后立刻将所有的事件管理器输出脚置成高阻状态。只有通过PORESET硬件复位或系统重新上电，才能使程序重新开始运行。

2.2 控制算法的实现

2.2.1 速度环的控制

速度环采用参数自整定模糊PID控制，具体设计见第四章。速度环的参数输入一个给定速度，另一个输入是增量式光电编码器速度信号输入，输出的是调整好的速度信号供电流闭环输入。

2.2.2 电流环的控制

本系统的电流环采用电流滞环跟踪型PWM控制。这种电流控制结构中无传统的电流调节器(如PI调节器等)，取而代之的是一个非线性环节滞环。工作时，当电流偏差超越滞环宽度时，主功率开关管切换，并迫使电流偏差减小，将电流偏差始终控制在滞环宽度以内，显然这是一种典型的非线性控制。

其工作原理是：当给定电流值与反馈电流值的瞬时值之差达到滞环宽度正边缘时，逆变器的开关管VT1导通，开关管VT2关断，电动机接通直流母线的正端，电流开始上升。反之，当给定电流值与反馈电流值的瞬时值之差达到滞环宽度负边缘时，逆变器的开关管VT1关断，开关管VT2导通，电动机接通直流母线的负端，电流开始下降。选择适当的滞环环宽，即可使实际电流不断跟踪参考电流的波形，实现电流闭环控制。滞环电流控制的突出特点之一是控制简单，且易实现。当功率器件的开关频率很高时，响应非常快，带内部限流，且对负载和电路参数的变化不敏感。PI控制虽具有稳态精度高的优点，但是其参数整定比较困难。研究表明，滞环电流控制系统具有较好的系统稳定性和快速性。由于滞环跟踪控制的软件实现比较简单，这里就不再进一步说明了。

第三章 本文小结

本文介绍了无刷直流电机控制系统的硬件和软件实现。其中重点讲述了系统的硬件设计，详细介绍了DSP外围电路的设计(其中包括DSP电源转换电路设计、时钟电路和仿真接口设计、通讯和存储电路接口设计)，功率驱动及其逆变电路的设计，检测电路位置信号、相电流和相电压检测)和故障逻辑电路的设计。软件部分，本文根据模块化结构思想，介绍了主程序模块和中断服务程序模块(包括位置捕获中断服务子程序、电流采样中断服务子程序、定时器溢出中断服务子程序和故障保护中断子程序)，另外，对对速度环和电流环的控制算法进行了阐述，并设计了流程框图。

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