摘要：本文首先介紹了永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，然后給出了基于TMS320LF2407A DSP的伺服控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，同時(shí)給出了硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程及系統(tǒng)抗干擾方案，并進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明該方案大到了很好的控制效果。 關(guān)鍵詞：永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；伺服控制；DSP；仿真 0 引言 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是一種新型電機(jī)，其構(gòu)成的控制系統(tǒng)具有體積小、效率高、經(jīng)濟(jì)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑI公司生產(chǎn)的數(shù)字信號(hào)處理器具有精度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，TMS320LF2407A DSP能夠?qū)崿F(xiàn)完整的無(wú)刷直流電機(jī)控制功能。并可大幅簡(jiǎn)化控制電路，降低成本及增加系統(tǒng)可靠度。采用DSP作為主控制單元的電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。本文介紹的就是基于數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407A永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。 1 總體方案設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)中利用DSP實(shí)現(xiàn)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的全數(shù)字雙閉環(huán)控制。給定轉(zhuǎn)速與速度反饋量形成偏差，經(jīng)速度調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流參考量，它與電流反饋量的偏差經(jīng)電流調(diào)節(jié)后形成PWM占空比的控制量，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的速度控制。電流的反饋是通過(guò)檢測(cè)電阻R上的壓降來(lái)實(shí)現(xiàn)的。速度反饋則是通過(guò)霍爾位置傳感器輸出的位置量，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的，同時(shí)位置傳感器輸出的位置量還用于換相控制。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。 2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在本系統(tǒng)中，控制器是其核心部件，它不僅要完成外部信號(hào)的處理，電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的給定，更重要的是完成整個(gè)系統(tǒng)的控制策略。本系統(tǒng)以TMS320LF2407A器件為控制核心，充分利用TMS320LF2407A的高速信號(hào)處理能力和電機(jī)控制優(yōu)化的外圍電路，具有控制精度高，抗干擾能力強(qiáng)且成本較低等優(yōu)點(diǎn)，可以為高性能傳動(dòng)控制提供可靠高效的信號(hào)處理與硬件控制?；贒SP的控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。 [align=center] 圖2 基于DSP的控制系統(tǒng)框圖[/align] 2.1 電流檢測(cè) 電流傳感器是伺服系統(tǒng)中的一個(gè)重要元件。它的精度和動(dòng)態(tài)性能直接影響著系統(tǒng)的低速性能和快速性。電流檢測(cè)的方法有電阻檢測(cè)，光耦檢測(cè)等，本系統(tǒng)采用磁平衡原理實(shí)現(xiàn)的霍爾元件檢測(cè)電流的方法。所用器件為霍爾效應(yīng)磁場(chǎng)補(bǔ)償式電流傳感器。它是國(guó)際上推薦為電力電子線路中的關(guān)鍵電流檢測(cè)器件。它把互感器、磁放大器、霍爾元件和電子線路的思想集成一體。具有測(cè)量、反饋、保護(hù)三重功能。 它實(shí)際上是有源電流互感器，它的優(yōu)點(diǎn)是“磁場(chǎng)補(bǔ)償”，被測(cè)量的原邊磁場(chǎng)同測(cè)量繞組里的測(cè)量磁勢(shì)，實(shí)時(shí)補(bǔ)償為零，也就是說(shuō)，鐵芯里實(shí)際上沒(méi)有磁通，因而其體積可以做得很小，而不怕有鐵芯飽和，不用擔(dān)心頻率、諧波影響。之所以二者的磁勢(shì)能被充分補(bǔ)償，是由于霍爾效應(yīng)的作用。一旦二者不平衡，霍爾元件上就會(huì)有霍爾電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。它就作為以±15V供電的差分放大器輸入信號(hào)，放大器的輸出電流即為傳感器的測(cè)量電流，自動(dòng)迅速地恢復(fù)磁勢(shì)平衡，即霍爾輸出總保持為零。這樣電流的波形忠實(shí)的反映原邊被測(cè)電流的波形，只是一個(gè)匝比的關(guān)系。 2.2 位置檢測(cè) 本系統(tǒng)中，位置信號(hào)是通過(guò)三個(gè)霍爾傳感器得到的。每個(gè)霍爾傳感器都會(huì)產(chǎn)生180°脈寬的輸出信號(hào)，如圖3所示。三個(gè)霍爾傳感器的輸出信號(hào)互差120°相位差。這樣它們?cè)诿總€(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)中共有6個(gè)上升沿或下降沿，正好對(duì)應(yīng)著6個(gè)換相時(shí)刻。通過(guò)將TMS320LF2407A設(shè)置為雙沿觸發(fā)捕捉中斷功能，就可以獲得這6個(gè)時(shí)刻。 需要注意的是，只有換相時(shí)刻還不能正確換相，還需要知道應(yīng)該換哪一相。通過(guò)將TMS320LF2407A的捕捉口CAP1～CAP3設(shè)置為I/O口，并檢測(cè)該口的電平狀態(tài)，就可以知道哪一個(gè)霍爾傳感器的什么沿觸發(fā)的捕捉中斷。 2.3 速度計(jì)算 利用光電編碼器的檢測(cè)信號(hào)，由DSP計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速?？梢愿鶕?jù)DSP的CAP/QEP引腳捕獲的A相和B相的信號(hào)，根據(jù)任意一相信號(hào)的上升沿及下降沿所對(duì)應(yīng)的時(shí)間值可以方便的計(jì)算出速度值。也可以根據(jù)檢測(cè)到的在固定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，與固定時(shí)間之比即為電機(jī)的速度值。 速度計(jì)算和速度調(diào)節(jié)所使用的參數(shù)存放在數(shù)據(jù)區(qū)300H開(kāi)始的6個(gè)單元中，AR2作為數(shù)據(jù)的地址指針。各單元存放的變量如表1所列。 [align=center]表1 300H開(kāi)始的6個(gè)單元中存放的變量 [/align] 3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 整個(gè)控制系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，符合當(dāng)前自上而下的主流設(shè)計(jì)思想。本系統(tǒng)中，CPU時(shí)鐘頻率為20MHz，PWM頻率為20kHz。通過(guò)定時(shí)器1周期匹配事件啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換，使每個(gè)PWM周期都對(duì)電流進(jìn)行一次采樣，并在A/D轉(zhuǎn)換中斷處理程序中對(duì)電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，來(lái)控制PWM輸出。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)60°機(jī)械角都觸發(fā)一次捕捉中斷，進(jìn)行換相操作和速度計(jì)算。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。 4 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì) 要達(dá)到良好的系統(tǒng)控制效果需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常注意它的抗干擾性和可靠性。本系統(tǒng)由于采用高速DSP作為核心處理器，它的高頻信號(hào)不僅容易受到干擾，而且也會(huì)成為系統(tǒng)的干擾源，因此有必要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)，特別是DSP部分的抗干擾及保護(hù)做更多的處理。 硬件部分，控制系統(tǒng)的電源及功率驅(qū)動(dòng)部分抗干擾措施主要就是從防和抗兩方面入手。其總原則是：抑制或消除干擾源；切斷干擾對(duì)系統(tǒng)的耦合通道；降低系統(tǒng)對(duì)干擾信號(hào)的敏感性?？垢蓴_設(shè)計(jì)的具體措施包括：隔離、接地、屏蔽、濾波等常用方法。 軟件部分，本系統(tǒng)的軟件主要采用了以下幾種軟件抗干擾設(shè)計(jì)： 1）軟件陷阱法 測(cè)試系統(tǒng)在遇到外界干擾時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行程序進(jìn)入程序存儲(chǔ)器的空白區(qū)（即無(wú)指令區(qū)），這種現(xiàn)象叫做程序“跑飛”。于是在各子程序之間、各功能模塊之間和所有空白處，都寫上連續(xù)3個(gè)空操作指令（nop），后接一無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令，一旦程序跑飛到這些區(qū)域，就會(huì)自動(dòng)返回執(zhí)行正常程序。 2）程序的冗余設(shè)計(jì) 在程序存儲(chǔ)器的空白區(qū)域，寫入一些重要的數(shù)據(jù)表和程序作為備份，以便系統(tǒng)程序被破壞時(shí)仍有備份參數(shù)和程序維持系統(tǒng)正常工作。由于TMS320LF2407A的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以數(shù)據(jù)頁(yè)為基準(zhǔn)，如果對(duì)不同數(shù)據(jù)頁(yè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作而不指定相應(yīng)的數(shù)據(jù)頁(yè)，會(huì)導(dǎo)致程序跑飛。因此需要對(duì)程序未使用滿的數(shù)據(jù)頁(yè)進(jìn)行填充，防止數(shù)據(jù)頁(yè)混亂導(dǎo)致的系統(tǒng)誤操作. 3）軟件看門狗設(shè)計(jì) TMS320LF2407A片內(nèi)帶有的軟件看門狗可以監(jiān)視軟件的操作，并提供可編程間隔的中斷，在CPU異常時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位。正常情況下，DSP的主程序運(yùn)行時(shí)，應(yīng)該在不到看門狗定時(shí)器溢出時(shí)就執(zhí)行喂狗邏輯，即向WDKEY中寫入正確的值的組合來(lái)清除WD的計(jì)數(shù)器。當(dāng)WDKEY沒(méi)有在看門狗溢出前被喂狗，定時(shí)器通過(guò)提供系統(tǒng)復(fù)位來(lái)解除系統(tǒng)軟件錯(cuò)誤和CPU崩潰，然后軟件再通過(guò)一次喂狗邏輯來(lái)清除WD的計(jì)數(shù)器WDCNTR。 5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 本文在完成系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)的同時(shí)，為了避免了實(shí)際調(diào)試的盲目性，利用了數(shù)字仿真和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）通過(guò)人機(jī)對(duì)話的方式來(lái)改變控制器的參數(shù)，采用MATLAB作為仿真軟件，完成了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)基于N-PI（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI）控制系統(tǒng)的仿真。仿真結(jié)果如圖5所示。 圖5左圖為普通PI（細(xì)實(shí)線）控制和N-PI（粗實(shí)線）控制下的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的額定狀態(tài)的運(yùn)行過(guò)程的仿真曲線，可以看出，使用N-PI控制的超調(diào)量小，電動(dòng)機(jī)能較快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。圖5中圖是在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，把給定轉(zhuǎn)速由1000r/min變成1100r/min時(shí)N-PI控制和普通PI控制仿真曲線的比較，從圖中可以看出N-PI比普通PI的調(diào)整時(shí)間短，N-PI可以迅速達(dá)到穩(wěn)定，跟蹤性能比較好。圖5右圖是直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行之后，在0.06s時(shí)給直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)突加負(fù)載的普通PI控制和N-PI控制仿真曲線的比較，從圖中可以看出N-PI控制比普通PI控制所受的影響要小得多，N-PI控制的魯棒性比較強(qiáng)。 6 結(jié)束語(yǔ) 由仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，靜態(tài)誤差小，具有很好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。另外，由于TMS320LF2407A的片上資源非常豐富，系統(tǒng)還可根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展，因此具有很強(qiáng)的實(shí)用性。 參考文獻(xiàn)： [1] 王曉明，王玲.電動(dòng)機(jī)的DSP控制——TI公司DSP應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2004 [2] 秦繼榮，沈安俊.現(xiàn)代直流伺服控制技術(shù)及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1999 [3] 劉和平，嚴(yán)利平，張學(xué)鋒等.TMS320LF240xDSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2002 [4] 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