基于DSP的雙直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計

王 鎖，時培成，徐增偉

(安徽工程大學(xué)汽車新技術(shù)安徽省工程技術(shù)研究中心,安徽蕪湖 241000)

1008-1542(2017)05-0424-08

10.7535/hbkd.2017yx05003

基于DSP的雙直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計

王 鎖，時培成，徐增偉

(安徽工程大學(xué)汽車新技術(shù)安徽省工程技術(shù)研究中心,安徽蕪湖 241000)

針對多電機同步控制系統(tǒng)中調(diào)速、換向等問題，基于自動控制技術(shù)，設(shè)計以PC機為上位機、DSP為下位機能夠同時調(diào)節(jié)雙直流電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的，以及選擇工作電機的控制系統(tǒng)。給出了控制系統(tǒng)相關(guān)硬件和軟件設(shè)計，通過PC機與DSP之間的串口通信，采用上位機串口軟件發(fā)送數(shù)字化控制指令給下位機，控制雙直流電機完成一系列預(yù)設(shè)功能；采用PWM脈寬調(diào)制原理對電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，利用光電編碼器通過T法對電機轉(zhuǎn)速進行測量，并通過實測波形顯示電機轉(zhuǎn)速。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)雙直流電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的同步調(diào)節(jié)，而且可以對工作電機進行選擇，達到了雙直流電機同步控制的效果，具有一定的可靠性及有效性。

自動控制技術(shù)；雙直流電機；編碼器；PWM；T法

直流電機是一種起步較早的電機，因其具有良好的啟動和調(diào)速性能、調(diào)速范圍廣、可以平滑無極調(diào)速、過載能力強、受電磁干擾小、效率高、可靠性強等優(yōu)點在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。多電機控制系統(tǒng)在實際工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，如機器人、數(shù)控系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等[3]。隨著人們對工業(yè)生產(chǎn)水平的不斷提高，對多電機控制系統(tǒng)性能的要求也越來越高，多臺電機的協(xié)同控制問題是保證系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵問題之一[4]。

DSP是目前主流的微處理器，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，可用于自動控制、圖像處理等多個領(lǐng)域，目前廣泛采用DSP作為直流電機運動控制系統(tǒng)的微處理器[5-6]。文獻[7]采用PC機和DSP的主從式結(jié)構(gòu)，以PC機作為上位機完成DSP對單臺直流電機的控制，并通過串口通信實現(xiàn)人機對話，將大量的數(shù)據(jù)運算處理交給DSP來完成，最后通過電機驅(qū)動器來控制電機運動。但是從對直流電機控制技術(shù)來看，多電機同步控制技術(shù)的落后成為許多自動化生產(chǎn)的難題。

本文設(shè)計了雙直流電機同步調(diào)速、換向以及選擇等功能的控制系統(tǒng)，通過上位機串口軟件設(shè)定電機的速度、方向以及選擇電機，利用RS232串口將設(shè)定的值傳遞給DSP主控制器，使DSP產(chǎn)生相應(yīng)控制信號，控制信號經(jīng)過電機驅(qū)動器驅(qū)動電機完成相應(yīng)的動作，并利用光電編碼器采用T法對2臺電機的速度進行測量。通過實際系統(tǒng)測試，驗證了該控制系統(tǒng)的可靠性及有效性。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)的整體設(shè)計方案如圖1所示，主要包括以下幾個部分：PC機、仿真器、DSP、電機驅(qū)動器、光電編碼器、直流電機。PC機主要用于實現(xiàn)與DSP之間的通信以及通過仿真器在線調(diào)試系統(tǒng)程序。DSP用于接收通過上位機串口軟件設(shè)定的速度和方向并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，并經(jīng)過2臺獨立的電機驅(qū)動器實現(xiàn)2臺直流電機同步調(diào)速、換向和選擇電機。光電編碼器型號為歐姆龍E6B2-CWZ3E，分辨率為600 P/R，主要用于電機速度的測量。系統(tǒng)選取電機型號為杰圣電機5D90GN-24，參數(shù)：90 W，DC 24 V，7 A，1 800 r/min，減速齒輪速比為180∶1。

圖1 控制系統(tǒng)整體設(shè)計方案Fig.1 Control systems solutions

1.1 DSP主控制器

該控制系統(tǒng)采用TMS320F2812 DSP為主控制器。TMS320F2812是TI公司推出的32位定點DSP芯片，也是目前性價比較高的DSP芯片之一。它不但具有強大的數(shù)字信號處理能力，而且具有較為完善的事件處理能力和嵌入式控制功能[8]。該DSP芯片采用了先進的哈佛總線結(jié)構(gòu)，將程序和數(shù)據(jù)分別放在不同的存儲空間內(nèi)，從而大大提高了DSP的數(shù)據(jù)處理速率[9-10]。CPU主頻高達150 MHz，時鐘周期為6.67 ns；片內(nèi)含有18 KB的RAM和128 KB的Flash。片內(nèi)還含有豐富的外設(shè)資源，大大降低了硬件電路的設(shè)計難度，尤其是2個事件管理器模塊EVA，EVB可以產(chǎn)生4路獨立的PWM波形和6對12路互補的PWM波形[11]，非常適用于控制各類電機。同時編程可兼容C/C++語言以及匯編語言。

1.2 電機驅(qū)動器

圖2 電機驅(qū)動器Fig.2 Motor drive

電機驅(qū)動器是驅(qū)使電動機完成加速、減速、制動、正反轉(zhuǎn)以及選擇電機的重要組件。本系統(tǒng)采用2塊單通道的直流電機驅(qū)動器，該驅(qū)動器具有每通道持續(xù)輸出16 A電流的能力，可驅(qū)動最高400 W電功率的直流電機，內(nèi)置過壓、欠壓、過熱保護電路，支持滿占空比輸入。為了降低和減小驅(qū)動電路對整個控制系統(tǒng)的影響和增強主控芯片電路的安全性，采用光耦隔離芯片HCPL0630對從DSP輸入的全部控制信號進行光電隔離，充分兼容3～5 V電壓輸入，此光電器件可以顯著提高系統(tǒng)電磁兼容性能；H橋電路由4個N溝道增強型AON6504場效應(yīng)管組成，AON6504場效應(yīng)管的漏源極電壓可以達到30 V，柵源電壓達到±20 V，最大電流可達到85 A。電機驅(qū)動器原理圖如圖2所示。

系統(tǒng)采用1塊DSP芯片對2臺直流電機的速度、方向以及選擇所使用的電機進行控制，同時對2臺電機的運行速度進行測量并通過數(shù)值顯示。電機M1的控制通過GPIOA0，GPIOA1，GPIOA2，GPIOA6共4個引腳實現(xiàn)，這4個引腳分別與電機驅(qū)動器1上的INA，INB，Vcc，PWM對應(yīng)。在主程序的GPIO初始化函數(shù)中將這5個引腳設(shè)置為外設(shè)功能引腳，通過對定時器1進行相應(yīng)的設(shè)置可在GPIOA6引腳上產(chǎn)生1路對稱的PWM波來控制電機的速度；在SCI數(shù)據(jù)接收中斷子程序中，通過修改比較控制寄存器ACTRA中的相應(yīng)位使得GPIOA0，GPIOA1，GPIOA2引腳輸出“強制高”或“強制低”電平來實現(xiàn)電機的換向和選擇。電機M2的控制通過對GPIOA0,GPIOA1,GPIOA3,GPIOA6這4個引腳實現(xiàn),這4個引腳分別與電機驅(qū)動器2上的INA,INB,Vcc,PWM對應(yīng)。電機M2速度和方向的調(diào)節(jié)與電機M1的完全相同,不同的是選擇電機引腳M2采用GPIOA3通過輸出“強制高”或“強制低”電平實現(xiàn)的。電機運行邏輯如表1所示,表中H表示高電平,L表示低電平,X表示與電平無關(guān)。

表1 電機運行邏輯Tab.1 Motorlogic驅(qū)動器控制輸入信號INAINBPWM功率輸出時的電機狀態(tài)LLX制動LHPWM正轉(zhuǎn)HLPWM反轉(zhuǎn)

1.3 通信電路設(shè)計

為了實現(xiàn)雙直流電機調(diào)速、轉(zhuǎn)向以及選擇控制系統(tǒng)指令的數(shù)字化，本文建立了上位機與下位機的通信模塊。串行通信口是一種采用2根信號線的異步串行通信接口[12-13]。串行通信采用符合RS-232 標準的MAX3232芯片進行驅(qū)動[14-15]，具有2個接收和發(fā)送通道。串行通信接口電路如圖3所示，JP3對應(yīng)SCIA串行通信接口，用于直流電機的調(diào)速、換向以及選擇。

圖3 串行通信接口電路Fig.3 Serial communication interface circuit

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

對控制系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計包括主程序、定時器2周期中斷、CAP3捕獲中斷、定時器3周期中斷、CAP6捕獲中斷以及SCI通信中斷子程序的設(shè)計。主程序的主要工作是初始化系統(tǒng)、外設(shè)模塊以及系統(tǒng)中涉及的全局變量，控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。定時器2周期中斷和CAP3捕獲中斷主要用于電機M1實現(xiàn)T法測速時對高頻時鐘脈沖的計數(shù)以及速度計算；定時器3周期中斷和CAP6捕獲中斷主要用于電機M2實現(xiàn)T法測速時對高頻時鐘脈沖的計數(shù)以及速度計算；SCI通信中斷主要用于實現(xiàn)DSP主控制器與PC機的數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)所有程序都是運用在CCS6.0軟件進行編寫的，DSP中每個模塊在CCS6.0中都有其固定的編程模板，每個外設(shè)都有其相應(yīng)的子函數(shù)模塊。編寫程序時只需在所對應(yīng)的模板中修改或添加相應(yīng)的代碼即可。

圖4 控制系統(tǒng)主程序Fig.4 Master program of the control system

2.1 PWM脈寬調(diào)速

系統(tǒng)采用PWM脈寬調(diào)速對2臺直流電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。該方法可以實現(xiàn)電機無級調(diào)速而且屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速[16-17]。該方法是在不改變輸出PWM波頻率的情況下，通過改變電機電樞電壓導(dǎo)通時間t1與周期時間T的比值(即占空比D)來控制電機的轉(zhuǎn)速[18]。直流電機電樞兩端電壓平均值為U=V×D，其中V是電源電壓，D=t1/T是PWM波形的占空比。如圖5所示為PWM波形及其參數(shù)。系統(tǒng)中2臺直流電機調(diào)速所需的PWM脈寬調(diào)速波形均由定時器T1工作于連續(xù)增/減模式并通過GPIOA6引腳輸出頻率為20 kHz 對稱的PWM波實現(xiàn)。T1PWM波形的占空比是通過改變T1的CMPR的值來調(diào)節(jié)的，而T1 CMPR的值則是由SCI通信中斷接收到的數(shù)據(jù)來決定。圖6為DSP輸出的占空比為50%PWM波形。

圖5 PWM波形圖Fig.5 PWM waveform

圖6 DSP輸出的PWM波形Fig.6 PWM waveform of the DSP output

2.2 電機轉(zhuǎn)速測量

圖7 T法測速原理示意圖Fig.7 Schematic diagram of the T method for speed measurement

目前采用光電編碼器的電機數(shù)字測速方法有以下3種：M法、T法、M/T法[19]。M法是在1個采樣周期內(nèi)計取光電編碼器發(fā)出的脈沖個數(shù)M1來計算電機的轉(zhuǎn)速，又稱作測頻法測速。此法計取的脈沖個數(shù)M1與電機轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越低，M1越小，測量誤差就越大，測速精度就越低，所以M法只適用于高速測量。T法是在光電編碼器1個脈沖周期內(nèi)計數(shù)器記錄了M2個高頻時鐘脈沖來計算電機的轉(zhuǎn)速，又稱做測周法測速。T法測速適用于低速測量。M/T法測速是同時計數(shù)檢測時間內(nèi)時鐘脈沖的個數(shù)M2和檢測時間內(nèi)光電編碼器發(fā)出的脈沖個數(shù)M1來計算電機的轉(zhuǎn)速，M/T法無論在高速還是在低速時都有較高的檢測精度，但是無法滿足一些系統(tǒng)的快速響應(yīng)要求[20]。由于系統(tǒng)所使用的電機為大力矩直流減速電機，電機在最大1 800 r/min轉(zhuǎn)速下，經(jīng)過減速比為180∶1的減速齒輪后，驅(qū)動軸輸出的最大轉(zhuǎn)速為10 r/min。基于以上分析，本系統(tǒng)采用T法對2臺電機的轉(zhuǎn)速進行測量。

T法測速所計的是DSP發(fā)出的高頻時鐘脈沖個數(shù)，以編碼器輸出的1個周期脈沖邊沿作為計數(shù)器的起始點和終止點，如圖7所示。假設(shè)在編碼器輸出的1個脈沖周期內(nèi)計數(shù)器記錄了M2個時鐘脈沖，而時鐘脈沖的頻率為f，則編碼器輸出脈沖的周期為M2/f，由此可得電機旋轉(zhuǎn)1周的時間為zM2/f。故電機的轉(zhuǎn)速計算公式為

式中：z為光電編碼器軸轉(zhuǎn)動1周輸出的脈沖個數(shù)。

由于光電編碼器發(fā)出的脈沖邊沿和高頻時鐘脈沖的邊沿是不可能完全一致的，因此它們之間存在測速差值。用T法測速時，計數(shù)值M2存在著1個脈沖的偏差。故T法測速最大值差值率計算公式為

在電機低速運轉(zhuǎn)時，編碼器1個脈沖的周期時間比較長，在這個時間內(nèi)測得的高頻時鐘脈沖數(shù)M2多，所以誤差率e就小，測速精度就會增高。

系統(tǒng)采用CAP3(上升沿有效)捕獲編碼器1的A相輸出對電機M1的轉(zhuǎn)速進行測量，并利用定時器2的周期中斷來輔助M1測速，M1測速流程圖如圖8所示；采用CAP6(上升沿有效)捕獲編碼器2的A相輸出對電機M1的轉(zhuǎn)速進行測量，并利用定時器3的周期中斷來輔助M2測速，M2測速流程圖如圖9所示。

圖8 M1測速流程圖Fig.8 M1 Velocity flow chart

圖9 M2測速流程圖Fig.9 M2 Velocity flow chart

2.3 SCI串行通信

DSP2812中有SCIA和SCIB 2個串行通信模塊，DSP與上位機通信時選用SCIA模塊。SCIA串行通信主要用于實現(xiàn)DSP主控制器與PC機的數(shù)據(jù)交換，并將交換到的數(shù)據(jù)賦值給相應(yīng)的寄存器實現(xiàn)雙直流電機調(diào)速、換向以及選擇。SCIA串行通信接口采用中斷的方式來接收PC機發(fā)送的數(shù)據(jù)，SCIA串行通信數(shù)據(jù)接收中斷程序流程圖如圖10所示。

SCIA串行數(shù)據(jù)接收中斷函數(shù)接收上位機串口軟件通過com2串口每次發(fā)送7位十進制的數(shù)據(jù)，串口軟件數(shù)據(jù)發(fā)送界面如圖11所示。SCIA接收中斷函數(shù)將接收到的數(shù)據(jù)存放在數(shù)組Scia_VarRx[i]中，該數(shù)組中的元素Scia_VarRx[0]，Scia_VarRx[1]，Scia_VarRx[2]，Scia_VarRx[3]所具有的數(shù)值通過組合來改變定時器T1的比較寄存器的值實現(xiàn)電機調(diào)速；而剩下的3位數(shù)據(jù)通過組合將數(shù)值傳遞給EVA的比較控制寄存器ACTR實現(xiàn)電機換向和選擇，表2所示為這3位數(shù)據(jù)組成的電機控制字與電機運行狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系。數(shù)組Scia_VarRx[i]中每個元素通過設(shè)置傳遞給DSP中相應(yīng)的全局變量，利用CCS6.0可以看到全局變量數(shù)值的變化如圖12所示。

圖10 SCIA串行通信數(shù)據(jù)接收中斷流程圖Fig.10 SCIA serial communication data reception interrupt flow chart

圖11 串口軟件數(shù)據(jù)發(fā)送界面Fig.11 Serial port software sends data interface

控制字(十進制)電機運行狀態(tài)243M1,M2正轉(zhuǎn)252M1,M2反轉(zhuǎn)195M2正轉(zhuǎn)204M2反轉(zhuǎn)51M1正轉(zhuǎn)60M1反轉(zhuǎn)

圖12 全局變量數(shù)值變化Fig.12 Global variable numerical changes

圖13 實物連接圖Fig.13 Physical connection diagram

3 實驗驗證

基于以上的分析和研究，搭建了圖13所示的控制系統(tǒng)實物連接圖。采用上位機串口軟件發(fā)送數(shù)控指令“1125243”，使DSP輸出占空比為40%的PWM波形且M1，M2均處于正轉(zhuǎn)。通過計算可知PWM波形占空比為40%時電機轉(zhuǎn)速的理論值為4 r/min。利用增量式光電編碼器對2臺電機的轉(zhuǎn)速進行測量，并在CCS6.0中Graph顯示M1，M2的轉(zhuǎn)速波形圖如圖14、圖15所示。

圖14 M1轉(zhuǎn)速波形圖Fig.14 M1 speed waveform

圖15 M2轉(zhuǎn)速波形圖Fig.15 M2 speed waveform

從M1和M2轉(zhuǎn)速波形圖可以看出：2臺電機的轉(zhuǎn)速都是從0開始上升，上升到比設(shè)定值低或高以后，波形在設(shè)定值的上下波動。故通過上位機串口軟件可以調(diào)節(jié)雙直流電機的轉(zhuǎn)速、方向以及選擇，該控制系統(tǒng)達到了預(yù)定的功能。

4 結(jié) 語

基于TMS320F2812為主控制器設(shè)計雙直流電機同步調(diào)速、換向以及選擇控制系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件由DSP控制板、電機驅(qū)動器、直流電機、光電編碼器、上位機軟件等構(gòu)成；軟件設(shè)計方案采用上位機發(fā)送數(shù)控指令來改變雙直流電機的轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向以及工作電機的選擇，通過T法對雙直流電機的轉(zhuǎn)速值進行測量，并將轉(zhuǎn)速測量值在CCS6.0中通過波形直觀的顯示出來。經(jīng)過實驗驗證，系統(tǒng)實現(xiàn)了上位機實時控制雙直流電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和選擇，并達到了預(yù)期效果。該控制系統(tǒng)為2臺及以上電機的同步控制提供了參考，但該系統(tǒng)并未對2臺電機同步控制的精度進行研究，未來可增加控制算法，比如模糊PID、滑模控制算法等，提高多電機同步控制的精度。

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Design of double DC motor control system based on DSP

WANG Suo, SHI Peicheng, XU Zengwei

(Anhui Engineering Technology Research Center of Automotive New technique, Anhui Polytechnic University, Wuhu, Anhui 241000, China)

Aiming at the problems of speed control, commutation and so on in the multi-motor synchronous control system, based on automatic control technology, a control system with PC as principal computer and DSP as slave computer is designed, which can change dual DC motor speed and steering, as well as select work drive motors. Related hardware and software design of the control system are given. Through serial communication between DSP and PC using PC serial port software, digital control command is sent to the slave computer for controlling dual DC motor to do a series of preset functions. PWM pulse width modulation is used for motor speed regulation, photoelectric encoder is used to measure motor speed by T method, and the motor speed is displayed by the actual waveform. Experimental results show that the system can not only realize the synchronization of dual DC motor speed and steering adjustment, but also select the motor and achieve the dual DC motors synchronization control effect. The control system has certain reliability and effectiveness.

automatic control technology; double DC motor; encoder; PWM; T method

TM331

A

2017-05-01；

2017-08-24；責(zé)任編輯：李 穆

國家自然科學(xué)基金(51575001)；安徽省科技攻關(guān)項目(1604a0902158)；安徽高校科研平臺創(chuàng)新團隊建設(shè)項目(2016-2018年度)

王 鎖(1994—)，男，安徽淮北人，碩士研究生，主要從事電機控制方面的研究。

時培成教授。E-mail：shipeicheng@ahpu.edu.com

王 鎖，時培成，徐增偉.基于DSP的雙直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計 [J].河北科技大學(xué)學(xué)報,2017,38(5):424-431.

WANG Suo, SHI Peicheng, XU Zengwei.Design of double DC motor control system based on DSP[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2017,38(5):424-431.