基于 DSP 的无刷直流电机控制系统的设计2010-1-13 22:24:00 来源：摘 要：介绍了以高性能 TMS320F2812 DSP 芯片为核心的无刷直流电机控制系统的设 计和实现，主要包括系统硬件电路的主要构成，电机的控制策略及软件结构。

实验 表明，该系统结构简单紧凑，控制精度高，具有良好的静态和动态性能。

关键词：无刷直流电机;TMS320F2812;控制系统 Design of Control System of Brushless DC Motor Based on DSP WANG Chen-yang, ZHANG Qi, XIONG Jiu-long Abstract: The design and implementation of brushless DC motor control system based on high performance DSP TMS320F2812 is introduced in this paper, it is made up of three aspects, the main structure of system hardware, the strategy of motor controlling and software structure。

Experimental results show that the system has a simple and compact structure，high control precision and good dynamic and static characteristics. Key Words：brushless DC motor;TMS320F2812;control system 1. 引言 无刷直流电机利用电子换向器取代了传统直流电机中的机械电刷和机械换向器， 因此不仅保留了直流电动机运行效率高和调速性能好等优点， 又具有交流电动机的结 构简单、运行可靠、维护方便等优点。

由于不受机械换向限制，易于做到大容量、高 转速，目前在航天、军工、数控、冶金、医疗器械等领域已得到大量应用。

TMSF2812 DSP 是 TI 公司新推出的基于 TMS320C2xx 内核的定点数字信号处理器。

器件上集成了 多种先进的外设，具有灵活、可靠的控制和通信模块,完全可以采用单芯片实现电机 控制系统的控制和通信功能，使得电机控制系统简单化、模块化，为电机及其他运动 控制领域应用的实现提供了良好的平台。

本文设计和实现了基于 TI 公司 TMS320F2812 DSP 芯片的无刷直流电机控制系统，整个系统结构紧凑，功能完善。

2. 系统硬件设计 系统的硬件框图如图 1 所示，可以看出基本上包括一个以 TMS320F2812 DSP 为核 心的 DSP 控制板，一块配套的功率驱动板和一台无刷直流电机。

图 1 系统硬件框图 2.1 控制部分硬件设计 控制板部分以 TMS320F2812 为核心，加上一部分外围电路及接口构成。

实现的主 要功能是控制指令的接收和执行，速度信号的接收和计算处理，电流采样信号接收和 转换，速度闭环和电流闭环控制算法的执行等。

对电机的控制主要使用 F2812 片上的两个电机控制专用外设——EVA 和 EVB。

利 用通用定时器 T1 配合 PWM 发生器来产生驱动功率器件所需的六路 PWM 信号，通过 GPIO 接口将三路电机霍尔传感器信号输入捕获单元，从而获取三个转子的位置，进 而控制电机的换相和进行电机转速的计算。

两个 12 位 AD 模块对相电流信号 Iphase 和输入的速度调节电压信号 Vref 进行转换和存储，分别作为电流环的反馈信号和速 度环的参考信号。

通过片上的通用输入输出接口（GPIO），实现与功率驱动部分的连 接，输出启动停止信号，正反转信号，紧急制动信号等，同时接收输入的保护信号， 故障信号等。

通过片上的 SCI 模块实现与计算机的通信，接收上位机的控制指令。

控制部分硬件结构如图 2 所示。

图 2 控制板电路框图 2.2 功率驱动部分硬件设计 功率驱动部分的硬件电路，主要由前置驱动芯片和六个功率 MOSEFET 管组成，实 现对控制部分传送过来的换相信息的处理和 PWM 信号的隔离放大，控制功率 MOSFET 管的导通和关断，以此来控制电机的工作状态和速度。

除此之外，还有电源电路，电 流检测电路， 过流保护和紧急制动电路等辅助电路， 以及与电机和控制板的接口电路。

前置驱动芯片采用的是 IR 公司的 MOSFET 驱动芯片 IR2131，具有集成度高、可 靠性好、速度快、过流欠压保护、调试方便等特点。

IR2131 内部设计有过流、过压 及欠压保护。

功率驱动电路采用 24V 供电，驱动电路与电机的连接采用三相全桥方式，电机工 作在三相六状态模式下。

以任一时刻电机只有两相导通的方式来控制换流元件。

PWM 调制的方式是软斩波方式，即导通时下桥臂功率管始终保持开状态，上桥臂功率管的开关由 PWM 信号决定。

功率开关管采用 HITACHI 公司的集成功率开关器件 6AM15，其 内部集成 3 个 N 型 MOSFET 管和 P 型 MOSFET 管，构成三相全桥功率开关电路。

与采用 六个分立 MOSFET 管相比，有利于提高集成度，减少电路板面积，增加可靠性。

每个 MOSFET 管自带超快恢复二极管，在 MOSFET 管关闭期间起反向续流作用。

功率驱动部分电路框图如图 3 所示。

图 3 功率主回路电路框图 3. 系统控制策略及软件设计 3.1 系统控制策略 由无刷直流电机的数学模型可知，其转速基本上跟电压成正比，转矩基本上和相 电流成正比。

为了达到控制精度和动态性能，本系统选用了转速、电流双闭坏调速系 统。

电流环采用 PI 调节器，速度环采用遇限削弱积分的积分分离 PI 控制算法。

它具 有良好的起动和抗干扰性能，可以满足本系统的需要。

控制系统框图如图 4 所示。

图 4 无刷直流电机转速、电流闭环控制系统 在此控制方案中，霍尔传感器的信号加到 TMS320F2812 的捕获单元端。

将捕获端 设置为 I/O 口，然后采集捕获单元的电位情况。

根据捕获单元的电位情况可以判断 电机处于那个区间。

根据两次捕获的时间可以计算出电机运行速度。

此速度作为速度 参考值的反馈量，然后经过速度 PI 调节后可以得到参考电流 Iref。

另外通过电流检 测电路可以得到相电流 Iphase 信号,此信号通过 A/D 转换后作为参考电流 Iref 的反 馈量，经过电流 PI 调节后，得到的输出量调节输出的 PWM 信号的占空比,用此 PWM 信号接到驱动端.这样可以根据电机运行的情况而调节 MOSFET 管的导通时间达到控 制电机转速的目的。

3.2 软件设计 根据系统的控制策略，可以得出整个控制系统软件由主程序和 INT3 中断服务子程序所组成。

流程图如图 5 所示 。

图 5 系统软件流程图 软件采用模块化设计。

在主程序中，执行初始化模块，主要完成系统时钟、看门 狗、GPIO、T3 中断、事件管理器的各个控制寄存器及其中断等的设置，以及软件中 个变量的初始化。

执行完初始化后，系统经入循环等待 T3 中断。

在 INT3 中断服务程序中，主要执行以下几个模块： （1）A/D 转换模块：利用 DSP 内部的 A/D 转换单元完成相电流的 A/D 转换。

（2）换相控制模块：利用捕获的三个霍尔传感器的状态，根据换相逻辑控制功 率 MOSFET 管的换相。

（3）PWM 波形发生模块：主要是通过设置 DSP 内部事件管理器模块的 PWM 波形 发生器，将通用定时器 T1 设置成连续升序计数模式，对应 20kHz 的 PWM 频率，计数 周期设成 50μ s。

然后根据电流环输出的占空比对三个全比较单元的比较寄存器值进 行刷新。

同时，通过查表法，获得当前换相指针所对应的 ACTR（全比较动作控制寄 存器）值，并送到 ACTR 寄存器，完成对 PWM1～PWM6 引脚状态的定义。

（4）数字 PID 模块：改模块实现数字 PID 算法，对转速误差和电流误差进行调 节计算，控制 PWM 信号的占空比。

4.结论： 为了验证和分析控制系统的性能， 我们采用了一台 Maxon 精密电动机公司研制的 稀土永磁无刷直流电机作为样机进行试验。

该样机额定功率 150W，额定转速 10000n/s。

结果表明采用 TMS320F2812 实现无刷直流机控制系统，结构简单易于实现复杂的控制规律以提高系统性能。

采用方波和 PWM 方式利于减少力矩波动改善低速性 能，能够取得良好的控制精度、动态性能和较宽的调速范围，实现实时控制。

同时系 统结构简单，运行可靠，具有较高的使用价值。

本文作者创新点： 采用新型高性能 DSP 器件 TMS320F2812 为基础构成无刷直流电 机控制系统。

采用转速和电流双闭环调速策略，速度环采用遇限削弱积分的积分分离 PI 控制算法。

采用了集成功率元件 6AM15 作为功率开关器件。

参考文献： 1.姚嘉,刘刚,房建成. 控制力矩陀螺用高速高精度无刷直流电机控制系统.微计 算机信息 2005,9-1：3-5 1. 张琛.直流无刷电动机原理及应用北京：机械工业出版社，1996 2. 苏奎峰,吕强.TMS320F2812 原理与开发.北京：电子工业出版社，2006 3 . BLDC3-1 system documentation: sensored control of 3phase brushless DC motor. Houston, Tex, 2005。