基于PC機的無刷直流力矩電機控制系統

周傳璘，楊 智，肖永軍，，曾慶棟

(1.孝感學院物理與電子信息學院， 湖北 孝感 43200；2.武漢大學電子信息學院，湖北 武漢 430072)

0 引 言

無刷直流力矩電機(BLDC, Blushless DC motor)具有低轉速、大扭矩、過載能力強、調速范圍寬、響應快、特性線性度好、力矩波動小等特點, 在無超調響應的高精度位置伺服系統中得到了廣泛應用[1-2].目前，在直流力矩電機的控制中，多采用PWM調速，需要輸入多路PWM信號，而帶死區的多路PWM產生在一般的可編程控制器中耗用過多的資源，使得系統其它性能大大降低.自C2000系列DSP問世以來，因其內部具有的事件管理器(EV)可以非常方便的產生多路帶死區的PWM波形，大大簡化了開發人員的技術需求，在電機調速領域應用越來越廣泛.

在一些跟蹤應用系統中，往往需要PC機輔助調試，而設備的運行狀態控制及參數回顯需要人機可視化界面.而Visual C++基于C，C++語言，是與系統聯系非常緊密的編程工具，兼有高級，和低級語言的雙重性，功能強大，靈活，執行效率高，在用戶人機界面制作上具有獨特的優勢.基于以上分析，依據工程實際需求，基于DSP2407處理器設計了無刷直流電機控制系統，利用Visual C++制作了用戶人機界面，通過人機界面可控制無刷直流電機控制系統.

1 直流無刷力矩電機的驅動原理

直流力矩電機的驅動通常由三相全橋控制電路完成[3-4]，如圖1(a)所示，該電路由6個開關管組成，上下兩個開關管組成一個橋壁.其中任何一個開關管在輸入的PWM波形處于高電平時導通，處于低電平時關斷.同一個橋壁上的上下兩個開關管(如Z1和Z2)不能同時導通，否則，將會造成電源VDC短路.因此，Z1和Z2、Z3和Z4、Z5和Z6的導通時間必須是互補的，以Z1和Z2兩個開

圖1 直流力矩電機的驅動原理圖

關管為例，其所需的實際控制的PWM波形如圖1(b)所示，為避免因開關管的截止延遲導致Z1和Z2的瞬時導通的情況出現，Z1_PWM需要延遲一個死區時間導通，且提前一個死區時間截止.在6路PWM脈沖的控制下，開關管按照一定的順序導通，即可驅動直流電機.

2 基于DSP2407光電編碼器測速方法

2.1 DSP2407簡介

TMS320LF2407A是TI設計的一款專用于電機控制的數字信號處理芯片，除了采用改進的哈佛結構及多級流水線技術之外，其指令執行速度為40MIPS，絕大多數指令都能在25 ns的單周期內執行完畢.內部資源有[3-5]：片內32K×16位的Flash程序存儲器，以及224K字×16位的最大可尋址存儲器空間，544字×16位的雙端口數據/程序DARAM， 2K字×16位的單端口SARAM.外設10位、500 ns轉換速度、16/8可選通道的模數轉換器(ADC)模塊為插入高速動態光電探測器(QD)的外反饋信號輸入提供了可能.串行通信接口(SCI)為系統初始給定值的輸入、超前掃描步長的動態控制、CPU的初始化與跟蹤模塊的通信，從而完成掃描控制系統的外反饋輸入提供了外部控制的通信方法.特別是2個通用定時器、8路脈寬調制(PWM)通道、4個正交編碼器脈沖接口的事件管理器A和B外設，可以實現對掃描控制系統中垂直和水平兩方向的步進電動機的速度和位置控制.同時具有看門狗定時器、CAN接口和SPI同步串行端口等外設，為擴展系統功能及保證系統穩定運行提供了保障.

2.2 光電編碼器的測速方法

光電編碼器又稱為光電角位置傳感器，是一種集光、機、電為一體的數字測角裝置.它將輸入給軸的角度量，利用光電轉換原理轉換成相應的電脈沖或數字量，具有體積小、精度高、工作可靠、接口數字化等優點[6-7].目前基于光電編碼器的脈沖測速主要采用M/T法，其測速原理如圖2所示.

在M/T法中，光電脈沖計數值M1本身就是整個光電脈沖，它的變化并不導致誤差，而僅僅引起實際采樣時間的變化.時鐘脈沖計數M2有多1少1個脈沖的誤差，但由于時鐘脈沖的頻率遠高于光電脈沖的頻率，所以由其引起的誤差很小，從而使測量精度大為提高.轉角計算公式如式(1)所示.

圖2 M/T法的測速原理

(1)

式(1)中，δ=f(t2)-f(t1)+N·0xFFFFh

Δt=t2-t1

PN為每轉脈沖數，f(t2)、f(t1)分別為定時器計數值.

習慣上常以每分鐘轉數來表示，則電機的轉速可表示為：

(2)

實現方法是：當程序進入到TC的周期測速中斷時，將捕獲單元打開，一旦捕捉到碼盤脈沖的上升沿，立即開啟高頻脈沖計數器和光電編碼器輸出脈沖計數器，然后關閉捕獲使能.與此同時，系統啟動比較中斷，當TC結束后，打開捕獲單元.當再次捕獲到碼盤脈沖的上升沿時，讀取兩個計數器的數值并關閉計數器.這樣可由一個捕獲單元實現兩個計數器的同時開啟與關閉，提高了測速精度.

3 無刷直流力矩電機控制系統設計

3.1 系統總體設計框圖

系統控制組成框圖如圖3所示，DSP2407作為為整個系統的控制核心，其芯片外圍外擴展了FALSH，SRAM等存儲芯片，同時配置了仿真下載的JTAG接口.PC機作為上位機，通過RS232串口將控制命令發送給DSP2407，同時接收由2407反饋回的相關信息，并在用戶界面中顯示.下位機DSP2407通過內部外設事件管理器(EV)產生所需的PWM脈沖，送給力矩電機的驅動電路，進而驅動電機；同時測速傳感器(光電編碼器)采集電機的速度信息，經DSP2407內部外設EV的QEP電路捕捉光電編碼器的輸入脈沖，根據一定的測速算法，計算出電機轉速，并通過RS232串口將處理后的位置及速度信息發送給PC機用于顯示.

圖3 系統控制組成框圖

3.2 下位機DSP2407軟件設計

DSP2407的主要作用有以下兩點：接收上位機PC的命令信息，并根據該信息產生對電機的控制動作；捕獲光電編碼器的輸入脈沖并進行計算，將得到的速度轉角信息通過SCI傳遞給PC機顯示.其程序流程如圖4所示，上電進行相關初始化后，DSP進入等待狀態.如果有EV中斷產生，則進入光電編碼器轉角計算服務子程序；如果是SCI中斷，接收到了PC機命令信息，根據實際命令進行相關動作，否則，將速度信息反饋給PC顯示.

圖4 下位機軟件執行流程

3.3 上位機用戶界面設計

上位機用戶界面采用Visual C++編制，如圖5所示，界面主要由速度實時顯示、命令信息監測、命令信息發送區域、串口參數設置、固定參數更新等區域組成.

圖5 上位機用戶界面設計(部分)

4 結 語

經VC界面通過串口與下位機DSP2407進行聯調實驗證實：在PC機的命令控制下，DSP2407能實時的控制無刷直流力矩電機，并將由光電編碼器采集到速度轉角信息通過串口發送給上位機PC進行顯示，程序設計時還提供了定向的參數更新窗口，方便了項目的實際調試過程.

參考文獻：

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[4] 史婷娜, 夏長亮, 文德. 基于DSP的無刷直流電機無位置傳感器控制[J]. 儀器儀表學報, 2002,23(3):400-401.

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