DSP在電機控制系統中的應用

周崐 黃友橋 曹晨

（1. 海軍駐湖南地區軍事代表室，湖南 411101；2. 中國船舶重工集團公司第701研究所，武漢 430070）

1 引言

隨著工業電氣傳動、自動控制和家電領域對電機控制產品需求的不斷增加，現代電機控制技術也變得越來越重要。在DSP（Digital Signal Processing）技術被大量應用之前，電機控制系統中的數字化處理都是由單片機來完成的。單片機將計算機的基本組成部件集成于一片硅片之上，且內部具有許多適用于控制目的的功能部件，如51系列和MCS96系列，加上其成本低廉，軟硬件資源豐富，易于開發的優點，因而它的出現迅速占領了電機控制等眾多工業應用領域。目前，在不涉及復雜計算的場合，單片機仍然占據主要位置。

但是隨著現代控制理論的發展和眾多先進控制技術的出現，單片機已經難以勝任一些控制任務。為了實現高精度的、實時的控制，現代控制算法大都涉及到坐標變換，轉子磁鏈模型計算，轉子參數辨識校正，并且任務中常常帶有多單元的實時通訊，與PC機的遠距離控制等眾多的功能，而單片機的計算速度,內部資源都已經不能滿足這樣的任務。

近幾年來，基于DSP的電機專用集成電路由于在計算速度、容量存儲等方面比單片機具有更優的性能，已逐漸代替單片機運用于電機控制系統中。本文以現在使用比較廣泛的無刷直流電機和TI公司的TMS320LF2407這一款DSP為例，詳細介紹了DSP在電機控制中的應用。

2 永磁無刷直流電機控制器

永磁無刷直流電機是近年來迅速成熟起來的一種新型機電一體化電機。該電機由定子、轉子和位置檢測元件及霍爾傳感器等組成，既具有交流電機的結構簡單、運行可靠、維護方便等優點，又具有直流電機運行效率高、功率密度大、調速性能好的優點，而且不受機械換相限制。其運行特點是每60°換相一次。永磁無刷直流電機系統如圖1所示。其理想的反電勢波形是具有120°電角度平臺的梯形波，并由120°方波電流（相電流）供電，其方波電流和梯形波反電動勢如圖2所示。

永磁無刷直流電機的控制系統，除要求具備高性能的控制器之外，還可以通過控制器的設計在某種程度上彌補電動機性能之不足。圖3為基本原理圖。

圖1 永磁無刷直流電機系統圖

圖2 BLDCM方波電流和梯形波反電動勢

圖3 電機控制基本框圖

其中，位置環的作用是產生速度指令并使電機準確定位。通過設定的目標位置與電機的實際位置相比較，利用其偏差通過位置調節器來產生電機的速度指令，在小偏差區域，產生逐次遞減的速度指令，使電機減速運行直至最終定位。速度環的作用是保證電機的轉速與指令值相一致，消除負載轉矩擾動等因素對電機轉速的影響。速度指令與反饋的電機實際轉速相比較，其差值通過速度調節器產生相應的電流參考信號的幅值，電流參考信號幅值與通過磁極位置檢測得到的電流參考信號相位相乘，即得到完整的電流參考信號（通常使電流參考信號與反電勢同相位），該信號控制電機加速，減速或勻速，從而使電機的實際轉速與指令值保持一致。速度調節器通常采用的是PI控制方式，對于動態響應，速度恢復能力要求特別高的系統，可以考慮采用為結構控制方式或自適應控制方式等。電流環由電流控制器和逆變器組成，其作用是使電機繞組電流實時，準確的跟蹤電流參考信號，電流控制器主要有線性電流控制器，滯環電流控制器和預測電流控制器三種。

目前，無刷直流電機控制系統經常采用的電力電子器件主要有功率場效應管 MOSFET和絕緣門極雙極型晶體管 IGBT。其二者均具有電壓控制，驅動功率小，并聯容易，工作頻率高的特點。IGBT通態電阻要比MOSFET小得多，且其具有很高的耐壓和工作電流。

無刷直流電機控制系統需要有轉子位置和速度的傳感器來為其提供三環反饋信號。比較常用的傳感器有霍爾集成電路傳感器，混合式光電編碼器；增量式光電編碼器，增量式磁編碼器，多轉絕對式光電編碼器，旋轉變壓器。

3 TMS320LF2407簡介

TMS320LF2407是美國 TI公司推出的電機微控制器 TMS320LF240系列最常用的一種。它具有DSP內核，其高度集成度減少了控制器的外圍電路，能將DSP的高速運算能力與面向電機的高效控制于一體，在實現電機控制上具備強大功能。

（1） PWM輸出和功率驅動。LF2407的PWM發生電路可產生6路具有可編程死區和可變輸出極性的PWM信號，直接控制電機驅動器，死區時間可由死區控制寄存器設置，其最大特點是它可以提供空間電壓矢量輸出模式。

（2） 電流檢測。LF2407內部有2個10位8通道AD轉換器，電流檢測從電流互感器采樣，經隔離放大器調理后送到內部高速 ADC轉換，進行反饋控制。

（3） 轉速位置反饋。LF2407內含的可編程獨立的I/O引腳，捕獲口，外部中斷可方便的進行數字量操作。內部的4個捕獲單元輸入端用軟件定義為QEP方式，可對脈沖前后沿進行計數，得到電機轉速，通過變相電路判別兩路信號的次序，得到電機的轉向。

（4） 保護電路。為保證系統中功率轉換電路及電動機驅動電路工作的可靠性，LF2407提供了PDPINTA和PDPINTB兩個功率驅動保護中斷輸入引腳，當電機驅動不正常時，如出現過電壓，過電流等，該中斷有效，將PWM輸出引腳置為高阻態。

（5） 通信。LF2407內部包含有串行通信接口SCI模塊和CAN控制器模塊。SCI模塊支持CPU與其他使用標準格式的異步外設之間的數字通信。CAN控制器模塊提供了一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信局域網絡。

4 基于 DSP的無刷直流電機控制系統的硬件設計與軟件實現

4.1 控制系統硬件設計

由以上基本知識，按照電機特點設計的系統結構如圖4所示。它包括以下幾個基本環節。

圖4 控制系統硬件設計

（1） 驅動電路。主回路可采用七單元集成化智能功率模塊作為系統的主開關功率器件，三個橋臂的6個IGBT驅動單元利用高速光耦實現隔離接口。

（2） 電機相電流檢測電路。利用閉環型霍爾元件式電流傳感器檢測電機兩相電流，再利用采樣電阻和多級運放將電流信號處理在0-3.3v間變化的模擬電壓信號，與集成在TMS320LF2407內的A/D轉換器外引腳相連接。

（3） 轉子位置檢測電路。電動機的轉子位置和轉速檢測使用增量式光柵編碼器，其輸出信號送入DSP的I/O口和QEP單元，通過位置的微分運算得到轉速信號。

（4） 保護電路。TMS320LF2407的事件管理器提供了外部中斷 PDPINT來實現對系統的保護。系統可將過流，過溫，電源故障等保護信號處理為多路低電平有效的信號，把上述信號相“與”后的輸出接DSP的PDPINT引腳。系統故障時，片內固化的PDPINT中斷程序自動切斷系統的PWM輸出，直到故障消失和系統復位。

（5） 串行通訊電路。要實現上位PC機對整個控制系統的監控，可用串行通訊專用芯片MAX232和DSP內部的SCI控制器完成串行接口總線的數據通訊。如果有分布式的多控制器，則可以選擇DSP內部集成的CAN控制器來完成通訊任務。

4.2 控制系統軟件設計

基于上述永磁同步電動機全數字化矢量控制系統的控制軟件，包括初始化程序，主程序和中斷服務子程序3個部分。系統在每次復位以后，首先執行初始化程序，實現對DSP內部各功能模塊工作模式的設定和初始狀態的檢測，在完成上述工作后，中斷開啟，系統執行主程序。同時，當外部中斷條件滿足時，系統執行中斷服務子程序。系統的主要控制功能是由主程序，串行通訊子程序和定時中斷子程序來完成的。其中，電機的主要控制策略由定時器中斷子程序來執行。在這2個中斷服務子程序中，外部保護中斷子程序優先級較高。

（1） 主程序的基本功能。主程序是系統控制軟件在完成初始化之后進入的一段循環執行的程序，它除了調用串行通訊子程序之外，主要是執行系統的巡檢功能，即執行對系統狀態，電機和散熱底板溫度以及直流母線上電解電容電壓等的檢測，通過設置一定的標志，實現控制回路的動作或狀態參數的上傳。

（2）中斷子程序中控制策略的實現。控制軟件通過在初始化程序中設置事件管理器的相關寄存器，就可以在允許中斷觸發后，每隔一定的時間間隔中斷主程序的執行。該時間間隔通常與PWM 的調制頻率有關，如調制頻率為 10kHz，因此定時器中斷程序執行的時間間隔為 100ns。這樣通過對定時器中斷子程序的循環執行，即通過對矢量控制算法的循環執行，就實現了對電機的控制。

（3）通訊子程序。LF2407的 DSP具有 SCI的串行通訊功能和支持分布式網絡的 CAN控制器，因而通訊程序的結構是與通訊協議一一對應的。

（4）外部中斷保護子程序。當 PDPINT引腳電壓由高電平變為低電平，固化與片內的中斷服務程序切斷DSP的PWM輸出，使控制器死機。該中斷是硬件中斷，不受軟件設置的影響，但中斷發生是，如果軟件有所設置程序將自動跳到外部中斷保護子程序的起始執行部分。

5 結論

目前，DSP器件具有較高的集成度，精簡的指令系統，獨立的程序和數據空間等使其具有高速的數據運算能力，采用基于DSP的電機專用集成電路的另一個好處是，可以降低對傳感器等外圍器件的要求。在高速控制中，使用DSP可以進行通常的位檢測和邏輯運算以及高速數據傳輸。隨著DSP器件的價格日益下降，性能不斷提高，采用 DSP器件代替單片機來控制電機將成為電機控制的發展趨勢。

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