基于DSP 的無刷直流伺服電動機模擬控制設計

張 慧，李 杰，秦 麗，王一煥，陳瑩超

(中北大學，太原030051)

0 引 言

在工程應用中，穩(wěn)定、精確的電機控制是非常重要的，例如在半捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)中，為了給慣性器件提供穩(wěn)定的測試環(huán)境，尤其是在彈載環(huán)境以下，測試環(huán)境非常惡劣，在高旋高過載以及高動態(tài)的環(huán)境下，電機驅(qū)動部分必須給出一個穩(wěn)定的輸出，才能實現(xiàn)半捷聯(lián)慣性測量的精準性［1－3］。作為機電能量轉(zhuǎn)換的主要設備，電動機在傳動和控制系統(tǒng)中是最重要的組成部分之一，其應用范圍已經(jīng)遍及人們的日常生活中的各個領域，隨著微電子技術(shù)應用以及自動控制技術(shù)的飛速發(fā)展，電動機伺服控制越來越受到人們的關注，電動機伺服控制系統(tǒng)的優(yōu)劣直接關系到整個系統(tǒng)的性能。

直流無刷伺服電動機3564K024BCS 體積小、出力大、響應快、速度高、轉(zhuǎn)動平滑、力矩穩(wěn)定容易實現(xiàn)智能化，效率高可用于各種環(huán)境。在系統(tǒng)中作為執(zhí)行單元將得到的電信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度，以此驅(qū)動工作部件運動。

傳統(tǒng)的模擬電路控制電機，由于電氣特性帶來的電壓、噪聲等因素的影響，控制精度較差。而基于數(shù)字信號處理(DSP)的數(shù)字化模擬控制，則克服了這樣的缺點，DSP 本身就有電機控制的功能，利用DSP 自身具有的電機控制接口功能，再結(jié)合DSP 的高速運算的特點，使直流無刷伺服電機能夠精準受控，從而達到響應速度靈敏、位置速度精度高、控制速度范圍寬的控制特點［4］。DSP 的工藝愈加成熟，成本降低，開發(fā)軟件種類越來越多，操作越來越簡便，以DSP 為控制核心的電機控制會成為未來電機控制領域的發(fā)展方向。因此研發(fā)基于DSP 的電機控制器是很有前景的。

1 系統(tǒng)總體設計方案

本文以TMS320F2812 為核心控制器，輸出占空比可變換的PWM 信號，從而控制無刷直流伺服電動機3564K024BCS 的轉(zhuǎn)速變換，使用4 ×4 矩陣鍵盤作為人機交換模塊，可以控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速變換，LCD 作為屏顯模塊，能實時輸出轉(zhuǎn)速及占空比信息。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

2 控制信號的設計

2.1 模擬電路PWM 的設計

模擬電路產(chǎn)生過程如圖2 所示。

圖2 的方波是由IC1－A 方波發(fā)生器生成。然后方波通過IC－B 三角波發(fā)生器形成了新的三角波信號Ut。當輸入電流Ia通過IC－D PI 調(diào)節(jié)器進而產(chǎn)生了調(diào)制電壓UC。然后電壓UC與三角波Ut通過IC－C 脈寬的調(diào)制器從而產(chǎn)生USPWM 波信號。三角波Ut在這個過程中作為載波信號，而電壓UC作為調(diào)制波作用，這兩列波經(jīng)過交差后產(chǎn)生了調(diào)制波信號。若Ut幅值小于UC幅值時，USPWM 波為負;若Ut幅值大于UC幅值時，USPWM 波為正，通過這樣的過程產(chǎn)生USPWM 波。在三角波頻率不變的基礎上，改變電壓UC的幅值，從而實現(xiàn)頻率一定可調(diào)寬度的PWM 信號［5］。

圖3 為采用開關管實現(xiàn)對無刷直流伺服電動機PWM 波控制原理圖以及其對應的輸入、輸出電壓波形圖。通過對開關管柵極輸入電壓不同，而在電樞繞組兩端產(chǎn)生不同的電壓值，當開關管MOSFET 的輸入高電平，此時開關管呈導通狀態(tài)，電機的電樞繞組兩端電壓為US。當過了t1時間，柵極的輸入變?yōu)榈碗娖剑藭r開關管變?yōu)橥Ｖ範顟B(tài)，電樞兩端的電壓變?yōu)?，當又過t2時間后，柵極的輸入又由低電平變?yōu)楦唠娖剑_關管又導通，重復前面的過程。這樣的過程，無刷直流伺服電機電樞兩段端的電壓波形隨著對應的輸入高低電平而變化，如圖3 右圖所示。

圖3 PWM 波調(diào)速控制原理圖和電壓波形圖

無刷直流電動機電樞的兩端電壓均值Uo:

式(2)中的D 即為占空比，占空比的定義:在一個固有周期時間T 內(nèi)，開關管呈導通狀態(tài)的時間與其一個周期總時間T 的比值，0 ≤D ≤1［6］。由式(1)、式(2)可以看出，當輸入電壓US為定值時，電樞的繞組兩旁電壓的均值Uo與占空比D 有直接的關系，通過改變D 的大小就可改變電樞繞組的兩端電壓的均值Uo，實現(xiàn)對速度調(diào)整的目標。

2.2 基于DSP 的PWM 設計

圖4 是利用DSP2812 的事件管理器EVA 生成PWM 控制信號源。首先需要選擇一個定時器去計數(shù)時鐘信號，定時器的選擇要考慮其方便性、可調(diào)性，然后通過比較寄存器來存儲調(diào)制值，通過連續(xù)地匹配兩個值，即比較寄存器的值與定時器的計數(shù)值:當比較寄存器與定時器的計數(shù)值兩個值互相匹配時，則可以在其輸出上發(fā)生由高電平到底電平或低電平到高電平的跳變［7－8］，當上述的兩個值在比較過程中發(fā)生了第二次匹配時，或者時間達到定時器周期整數(shù)倍時，則在對應的輸出上產(chǎn)生第二次的跳變。在這種機理下，就會產(chǎn)生一個連續(xù)的輸出脈沖信號，第一次跳變與第二次跳變直接的持續(xù)時間的長短與比較寄存器存的值成一定的比例。在PWM波中每一個周期的比較寄存器有著不一樣的值，并且這個過程是一直重復進行的，因此在對應的輸出管腳上就會產(chǎn)生一個PWM 信號。

3 控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

考慮到現(xiàn)代設備的小型化和廉價化，要求器件盡量緊湊。在印刷電路板排布的過程中，不僅僅是將元器件按照順序排列或者說讓電路走通而已。同時排布也不是簡單的外形上美觀。在印刷電路板時，首先要滿足的是電氣的安全，同時還要考慮操作的方便與加工生產(chǎn)的條件，布線的間距要盡量寬裕。走線之間的間距要能承受其最大電壓，當布線密度相對較低時，信號線之間的距離可以適當?shù)丶哟螅瑢Ω摺⒌碗娖綉沂獾男盘柧€應縮短長度并加大兩者的間距［9］。

電路板的設計過程中，應當既有安全可靠的性能，又滿足電氣特性，同時還要滿足工藝的合理性，這樣才能算是成功的電路板設計。通常情況下要求設計人員必須充分地熟悉和掌握相關的印刷電路工作原理、電路中各元器件的電氣特性以及在印刷電路板時涉及的制作工藝等。為方便攜帶，印刷版面積要盡量小，即要求器件布局緊湊，但是要避免電磁干擾;同時要求數(shù)模一點共地，減小地回路面積。焊接完成成品如圖5 所示。

圖5 焊接完成的電路板

4 控制系統(tǒng)軟件設計

4.1 控制系統(tǒng)主流程設計

主流程圖如圖6 所示。在上面控制電機的流程中，主要用到了時間管理器EVA、PIE 中斷以及數(shù)字輸入輸出I/O 端口等，首先要進行系統(tǒng)及各個模塊的初始化。首先初始化各個模塊，編制程序，實現(xiàn)控制速度的功能。整體思路如下:首先對PIE 和使能PIE 初始化，初始化PIE 矢量表和PIE 向量表。初始化相應的GPIO 端口。初始化各個模塊的始終設置。開啟EVA 輸出PWM。在LCD 上顯示相關信息［10］。接收鍵盤調(diào)整信號。

4.2 可調(diào)占空比的PWM

在圖7 中，T1PR 是定時器T1 的周期寄存器，它存放的是T1 設置的周期值。T1CMPR 是定時器T1 的比較寄存器，用于存放為T1 設置的比較值。T1PR 和T1CMPR 通常是在初始化時進行賦值，這個值形成之后程序的一個參考標準。而T1CNT 是定時器T1 的計數(shù)器寄存器，它所存儲的值會伴隨著時鐘脈沖信號的變換而不斷的增加或著減少。CPU在工作時會實時地將T1CNT 的值、T1CMPR 的值以及T1PR 的值進行相互比較，從而產(chǎn)生相應的事件，此處產(chǎn)生的是為控制信號。

為了產(chǎn)生占空比可變化的PWM 波，根據(jù)產(chǎn)生PWM 波的原理，需要改變T1CMPR 或者T1PR 的值。而DSP TMS320F2812 允許用戶在一個周期的任意時刻向T1CMPR 或者T1PR 寫入新值，這要歸功于陰影寄存器。假設需要向T1CMPR 寫入新值，首先是將新的值寫入T1CMPR 的陰影寄存器中;其次根據(jù)T1CON 寄存器儲存的第3 位TCLD1 的值和第2 位TCLD0 值所匹配的相應時刻;最后陰影寄存器中存放的數(shù)據(jù)就可以相應寫入T1CMPR 的寄存器中，從而實現(xiàn)正常的工作。

5 調(diào)試與結(jié)果

在編寫軟件系統(tǒng)的過程中，首先編寫LCD 顯示模塊的驅(qū)動程序，讓模塊有字符信號顯示，從而為后期調(diào)試提供一定的根據(jù)來判斷究竟程序是否下載的情況和運行的成功與否。然后編寫了定時器的PWM 輸出和CAP 輸入，可以利用示波器查看波形，并調(diào)試LCD 能顯示輸出PWM 的頻率和占空比信息。最后再編寫鍵盤程序，使用按鍵可以調(diào)節(jié)占空比。最終完成系統(tǒng)實物如圖8 所示。

最后該系統(tǒng)完成設計要求，以TMS320F2812 為核心，輸出 PWM 控制無刷直流伺服電機3564K024BCS 的轉(zhuǎn)動，并通過按鍵實現(xiàn)占空比可調(diào)節(jié)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速可調(diào)的功能，并通過LCD 顯示模塊顯示頻率、占空比、轉(zhuǎn)向等相關信息。

具體參數(shù)功能如表1、表2 所示。

表1 該設計系統(tǒng)相關信息

表2 按鍵功能

6 結(jié) 語

本文提出的無刷直流伺服電動機模擬控制的最大優(yōu)點是易于實現(xiàn)控制，并且如有需要，對其更改控制方法或著改進控制策略也相對比較簡單，只需更換部分模塊或者添加新的模塊，同時它可以為設計和分析無刷直流電動機控制系統(tǒng)提供新的控制方法以及可靠的工具。可實現(xiàn)復雜環(huán)境下的穩(wěn)定性控制，對工程應用有較大的幫助，在單軸穩(wěn)定平臺及多軸穩(wěn)定平臺中，能夠為高動態(tài)復雜環(huán)境下的系統(tǒng)提供穩(wěn)定的平緩的測試平臺環(huán)境。利用高性能的DSP芯片進行全數(shù)字化精確控制策略，既簡化了傳統(tǒng)的復雜硬件電路連接，又能夠大幅提高系統(tǒng)的魯棒性，同時拓寬了系統(tǒng)應用范圍，維護也更加的方便。實驗結(jié)果表明，這種無刷直流伺服電動機的數(shù)字化模擬控制技術(shù)是非常實用、有效的。

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