基于TMS320F2812直流電機數字調速系統

王 力，王鵬偉

(1.陜西省西安市第39研究所，陜西西安710065;2.航天恒星空間技術應用有限公司，陜西西安710065)

隨著電子技術的發展，直流電機調速系統從模擬化轉向了數字化。TMS320F2812是TI公司推出的32位定點DSP控制器，是目前控制領域最先進的處理器之一，其主頻高達150 MHz，大大提高了控制系統的控制精度和芯片的數據處理能力。TMS320F2812芯片基于C/C++高效32位TMS320C28xDSP內核，并提供浮點數學函數庫，從而可以在定點處理器上方便地實現浮點運算［1］。為此，本文采用TMS320F2812作為一種新型的直流電機控制芯片，能進一步提高直流電機的控制精度并簡化控制系統的硬件結構。

1 控制系統硬件設計

由直流電動機的運動方程可知，加速度與電動機的轉矩成正比，而轉矩又與電動機的電流成正比，因此，為實現電機的高精度、高動態的控制，本文對電機實施了雙閉環(即速度環、電流環)控制。電流環的作用是提高系統的快速性，抑制電流環內部干擾，限制最大電流，保障系統安全運行。速度環的作用是增加系統抗負載擾動的能力，抑制速度波動［2］，如圖1所示。

圖1 系統控制框圖

同時，為了避免系統出現超調量增大，響應延時現象，從而影響控制效果，電流環與速度環均采用抗積分飽和PID算法控制。實驗表明采用抗積分飽和PID算法控制后，控制系統的穩定性與響應效果相對于普通PID算法有了很大的改善。

圖2是直流電機速度控制系統框圖，速度調節器和電流調節器兩者之間實行串級連接，速度調節器的輸出作為電流調節器的輸入，電流調節器的輸出去控制直流調速板。所采用的直流調速板是一個單相半控整流電路，由于該調速板沒有脈沖變壓器，所以在DA信號輸出與直流調速板之間需要設置隔離裝置。

如圖2所示，整個系統控制單元可分為兩部分:虛線框內的功能由TMS320F2812DSP組成的最小系統實現，它包括DSP和片外擴展的DAC7724模塊，另一部分則為反饋信號檢測部分。

1.1 速度環控制

TMS320F2812數字信號處理器有兩個事件管理器模塊，每個事件管理器包括通用定時器(GP)、比較器、PWM單元、捕獲單元以及正交編碼脈沖電路(QEP)［1］，該設計方案利用EVA的QEP電路對固定在旋轉軸上的光電編碼器的輸出脈沖來進行解碼，從而完成速度的測定。光電編碼器用來測量旋轉設備的位置，碼盤的一側是光源，另一側是光電接收器，當編碼器隨旋轉機械旋轉時，在光電接收器上分別產生A相(由內圈產生)和B相(由外圈產生)脈沖波。正交編碼脈沖是兩個頻率可變，有固定1/4相位差的脈沖序列，當電機軸上的光電編碼器產生正交編碼脈沖時，可以通過兩路脈沖的先后次序確定電機的轉動方向，根據脈沖的個數和頻率，分別確定電機的角位置和角速度。基于光電編碼器的測速方法有M法、T法和M/T法。M法是利用一段固定時間間隔內的編碼器脈沖數來確定轉速，其性能特點適合高速。T法通過編碼器兩個相鄰脈沖的時間間隔來確定轉速，該方法適合轉速比較低的場合。當對電機的高低速都需兼顧到時，通常采用M/T法，但M/T法會占用相對更多的硬件資源。由于該電機的額定轉速是1 500轉，電機工作轉速通常在1 000轉以上，所以本設計方案采用M法完成速度的測定。即在一定的時間TC內測取光電編碼器輸出的脈沖個數M，當前轉速可由下式得到:

圖2 系統硬件框圖

式中，Z是光電碼盤轉一周產生脈沖的個數。

對獲得的轉速數據進行PID調節，從而完成速度環的控制。

1.2 電流環控制

在電流環中，通過一個電量隔離傳感器完成電樞電流的檢測，檢測到的電流經過A/D轉換，得到合適的電流信號。在完成A/D轉換之后，A/D轉換模塊會向CPU發出一個中斷請求信號，等待CPU對該電流信號進行處理。每隔25 μs，DSP對電流進行采樣，從而實現頻率為40 kHz的電流調節環［2］。速度控制器的輸出信號作為電流控制器的給定信號，AD檢測到的電流信號作為電流控制器的反饋信號，電流控制器根據給定信號與反饋信號的偏差進行調節和限幅后輸出信號，輸出信號再經由DA模塊輸出到直流調速板，從而完成電流內環的控制。TMS320F2812的A/D模塊具有12位精度，這為實現調速系統的高精度控制創造了條件。TMS320F2812進行A/D轉換時，采用片內的基準電平，且電壓基準有輸出引腳，方便了外圍模擬電路的設計。TMS320F2812的參考電平引腳只有1個ADCLO引腳，一般接GND，沒有參考電平的高電壓引腳的輸入［3］。

2 控制系統的軟件設計

軟件部分主要由一個主程序，三個中斷子程序(T1UFINT中斷、T2PINT中斷、AD中斷)及抗積分飽和PID算法組成。

2.1 主程序

主程序完成了系統初始化，PIE中斷以及各個軟件模塊的初始化，具體步驟如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

圖4 TIUFINT中斷流程圖

2.2 T1UFINT 中斷

T1UFINT是由定時器T1作為基準時鐘，在計數下溢時的中斷服務子程序。T1設定為采樣周期，在進入該中斷之后開始向下計數，當T1的計數值達到0000H時，就產生下溢事件，在該中斷中完成了速度環和電流環的控制，如圖4所示。

2.3 T2PINT 中斷

T2PINT是由通用定時器T2為QEP提供基準時鐘的周期中斷服務程序。當定時器計數器的值與周期寄存器的值相同時，就產生了一個周期事件，具體步驟如圖5所示。

2.4 AD 中斷

系統進入AD中斷之后執行步驟如圖6所示。

圖5 T2PINT中斷流程圖

圖6 AD中斷流程圖

2.5 抗積分飽和PID算法

在連續控制系統中，PID控制算法得到了廣泛的應用，是技術最成熟的控制規律［4］。而在實際的PID控制系統中，由于工作環境的影響，往往存在積分飽和的現象，假如不采取避免產生積分飽和的措施，在某些情況下將由于積分飽和現象而造成調節滯后，超調量增大，使控制系統暫時喪失調節功能。所以在控制方案中，必須考慮有效地防止積分飽和的手段，這對于很多場合是必不可少的，有著十分重要的意義［5］。所以，本系統采用了抗積分飽和PID控制算法。利用向后差分的方法將PID控制算法公式進行離散化可以得到:

比例項:up(k)=KPe(t)

積分飽和校正項:

微分項:ud(k)=Kd(up(k)－up(k－1))

圖7 抗積分飽和PID算法框圖

3 實驗方案及結果

在電機實驗室搭建的硬件平臺上對電機啟動時的速度狀態進行檢測，試驗選擇型號為DJ18型，額定功率為90 W，額定轉速為1 500轉的直流電機。通過CCS軟件中的Grape View分別觀測抗積分飽和PID調速與普通PID調速時電機啟動時的狀態，在電機達到額定轉速后，分別在不同時間點突加50%的負載，采集各個時間點所對應的值進行計算，得出各點所對應的速度值，再利用這些數據做出相應的速度曲線，如圖8所示。普通PID調速與抗積分飽和PID調速在電機啟動與突加負載過程中狀態參量的比較見表1。

圖8 普通PID調速與抗積分飽和PID調速測得的電機啟動速度曲線

表1 普通PID調速與抗積分飽和PID調速在電機啟動與突加負載過程中狀態參量的比較

由圖8與表1可知，采用抗積分飽和PID算法調節電機轉速后，電機在啟動至穩定到額定轉速過程中超調量大大減少，啟動過程變得平穩，提高了調速系統的穩定性。當給普通PID調速的電機在以額定轉速運行至10.2 s時突加負載，引起電機轉速波動，在調節至12.3 s時轉速穩定下來，如圖8虛線所示。給抗積分飽和PID調速的電機在以額定轉速運行至8.0 s時突加負載，引起電機轉速波動，在調節至9.5 s時轉速穩定下來，響應速度得到了提高，如圖8實線所示。由此可以說明采用抗積分飽和PID算法之后，調速系統不僅獲得了良好的靜態性能，動態性能也有了很大的改善。

4 結語

本文采用TI公司的TMS320LF2812DSP設計了一個基于速度、電流雙閉環結構的直流電機數字調速系統，該數字調速系統比其它的調速系統可靠性更高、適應性更強。采用有效地C語言與匯編語言混合編程，電流調節與轉速調節均采用抗積分飽和PID控制，使該調速系統的穩定性更高，動態響應更快，控制精度更高，抗干擾能力也更強，可以獲得良好的靜態和動態特性。

［1］Texas Instruments.TMS320F2812 Digital signal processor data manuals［Z］.2003.

［2］韓學軍，侯建勛，張根元.基于DSP的無刷直流電機速度控制系統［J］.現代電子技術，2008，(5):121-123.

［3］唐勇奇.基于 DSPTMS320F2812的變頻調速控制系統［J］.儀表技術與傳感器，2006，(3):46-48.

［4］黃金源，夏 潔.計算機控制系統［M］.北京:清華大學出版社，2007.

［5］楊 錦.數字PID控制中的積分飽和問題［J］.華電技術，2008，(6):64-67.