基于DSP的無刷直流電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了以TMS320F2812DSP芯片為核心的無刷直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)。采用電流環(huán)，速度環(huán)，位置環(huán)三閉環(huán)控制，對(duì)位置環(huán)采用積分分離的PID算法，以減小電機(jī)在運(yùn)行過程中積分校正對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。為加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，減輕DSP負(fù)擔(dān)，電流環(huán)采用模擬方法實(shí)現(xiàn)。實(shí)際應(yīng)用表明該系統(tǒng)具有精度高，響應(yīng)快，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：伺服系統(tǒng)；TMS320F2812DSP；三閉環(huán)控制；PID算法

O 引言
    無刷直流電機(jī)(簡稱BLDCM)是一種用電子換向器取代機(jī)械電刷和機(jī)械換向器的新型直流電動(dòng)機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)速性好，效率高等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器是TI公司最新推出的32位定點(diǎn)DSP控制器，器件上集成了多種先進(jìn)的外設(shè)，具有靈活可靠的控制和通信模塊，完全可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)的控制和通信功能，為電機(jī)伺服系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了良好的平臺(tái)。本文設(shè)計(jì)了以高性能TMS-320F2812DSP芯片為核心的無刷直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)。

1 伺服控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成及其工作原理
    系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

1．1 控制電路
    控制電路是以F2812為核心，另外還包括位置編碼、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信等功能模塊和部分外圍電路及數(shù)據(jù)接口，其主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象位置信息的采集和處理，速度反饋信息的接收和處理，位置、速度的閉環(huán)控制。F2812片內(nèi)具有12位的AD轉(zhuǎn)換器，但為提高伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的精度，在DSP外圍擴(kuò)展了兩片6路16位的AD轉(zhuǎn)換芯片，用來采集反饋信號(hào)以及輸入的運(yùn)動(dòng)指令信號(hào)。
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)同時(shí)采用DSP和CPLD以提高電路的可行性。DSP所起到的作用主要是根據(jù)反饋的位置，速度信號(hào)，結(jié)合電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度，利用F2812片上的電機(jī)控制專用外設(shè)EVA，通過數(shù)字I／O口輸出1路與電機(jī)運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)的PWM波。CPLD根據(jù)輸入的PWM信號(hào)，控制信號(hào)和數(shù)字信號(hào)組成的換相時(shí)序信息輸出對(duì)應(yīng)大小和對(duì)應(yīng)時(shí)序的相電壓，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。
1．2 信號(hào)采集以及調(diào)理電路
    該電路對(duì)各種傳感器信號(hào)及電流電壓信號(hào)進(jìn)行采集并處理。包括采樣的電流電壓反饋信號(hào)，給定的控制信號(hào)等模擬量信號(hào)，以及霍爾傳感器的輸出等開關(guān)量信號(hào)，經(jīng)調(diào)理電路處理后，使其幅值及電平可以滿足DSP控制器的要求。
    本系統(tǒng)使用AD7656對(duì)采集來的模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。F2812的GPIOA0口與74ACl6373的使能端相連，用于使能鎖存器，GPIOAl與CONVSTX相連，用來啟動(dòng)6路A／D的同時(shí)轉(zhuǎn)換。GPIOA2連接BUSY信號(hào)，AD7656轉(zhuǎn)換結(jié)束后，BUSY信號(hào)變低，DSP以查詢方式接收AD數(shù)據(jù)。74ACl6373用于鎖存AD轉(zhuǎn)換后的16位數(shù)據(jù)，74LSl38用于將DSP地址線譯碼與AD7656的片選信號(hào)相連。
1．3 驅(qū)動(dòng)電路
    電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路由驅(qū)動(dòng)芯片IR2130和三相全逆變電路構(gòu)成。功率驅(qū)動(dòng)電路采用+15 V供電，驅(qū)動(dòng)芯片IR2130內(nèi)置了2．5 μs的死區(qū)時(shí)間，防止統(tǒng)一橋臂的上下兩個(gè)MOSFET同時(shí)導(dǎo)通。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)欠壓，過流時(shí)，IR2130啟動(dòng)內(nèi)置的保護(hù)電路鎖住后面的PWM輸出，保護(hù)系統(tǒng)電路。IR2-130的輸入信號(hào)是由CPLD解算而得的6路PWM波，經(jīng)過光耦隔離后送入IR2130，輸出信號(hào)送MOSFET驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)。在三相逆變電路中，六個(gè)功率器件起繞組開關(guān)作用，采用兩兩通電，三相六狀態(tài)方式，每一個(gè)瞬間有兩個(gè)功率管導(dǎo)通，每隔1／6周期(60°電角度)換相一次，每次換相一個(gè)功率管，每個(gè)功率管一次導(dǎo)通120°電角度。

2 伺服系統(tǒng)的控制策略
    本系統(tǒng)是通過電流、速度、位置三閉環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的，其中電流環(huán)和速度環(huán)是內(nèi)環(huán)，位置環(huán)是外環(huán)。

    圖2是無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)框圖，在系統(tǒng)中設(shè)置了速度PI調(diào)節(jié)器和電流PI調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間是串級(jí)連接。給定的位置信號(hào)U與反饋的位置信號(hào)position經(jīng)過位置PID調(diào)節(jié)后得到速度的參考值SDref。根據(jù)兩次捕獲的時(shí)間可以計(jì)算出電機(jī)運(yùn)行的速度speed，此速度作為速度參考值的反饋量，經(jīng)過速度PI調(diào)節(jié)后可以得到參考電流Iref，通過電流檢測(cè)電路可以得到電流的反饋量I，再經(jīng)過電流PI調(diào)節(jié)，最后得到的調(diào)節(jié)量用來控制PWM的占空比，即把速度調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)做電流調(diào)節(jié)器的輸入，再以電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制PWM裝置。
2．1 電流環(huán)控制
    電流環(huán)是通過電流反饋控制使電機(jī)電樞電流線性受控，可達(dá)到電機(jī)輸出力矩的線性控制，并使其動(dòng)態(tài)范圍響應(yīng)快，安全性提高。
    在實(shí)際應(yīng)用中，為加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，減輕DSP負(fù)擔(dān)，采用模擬實(shí)現(xiàn)方法。將電阻串聯(lián)在電樞回路上，同時(shí)起到一個(gè)功率變換電路的過電流保護(hù)作用。通過電流反饋控制使電機(jī)電樞電流線性受控，可達(dá)到電機(jī)輸出力矩的線性控制，并使其動(dòng)態(tài)范圍響應(yīng)快，安全性提高。
    電流環(huán)設(shè)計(jì)中，電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器；限幅器可以和電流調(diào)節(jié)器做在一起，限幅值由PWM功放輸入范圍確定；PWM功放選用專用集成電路；濾波保護(hù)網(wǎng)絡(luò)采用LC網(wǎng)絡(luò)提高EMC水平，二極管網(wǎng)絡(luò)保護(hù)PWM功放選；電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器；采樣電阻選用O．1Ω，如果所選PWM功放具有電流測(cè)量端子，也可以直接讀出電機(jī)電流值。

    圖3為電流環(huán)控制框圖，R-電機(jī)電樞電阻，Tm-電機(jī)時(shí)常數(shù)。Ks-功率放大器電壓放大系數(shù)。電流環(huán)設(shè)計(jì)的參數(shù)：PI調(diào)節(jié)器，一階無靜差；輸出最大電流≥0．63 A，反饋系數(shù)為15．873；帶寬≥30 Hz；τi選為電機(jī)等效時(shí)常數(shù)。
2．2 速度環(huán)控制
    速度環(huán)是位置環(huán)的重要內(nèi)環(huán)路，速度閉環(huán)可改善控制對(duì)象的線性度，提高速度控制精度，改善電網(wǎng)電壓等對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，提高抗干擾能力，改善系統(tǒng)性能。
    轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間內(nèi)，霍爾傳感器輸出3路180°的交疊信號(hào)，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)60°就有一次換相，只要檢測(cè)兩次換相的時(shí)間間隔就能計(jì)算出電機(jī)的速度。
2．3 位置環(huán)控制
    位置環(huán)是通過安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的電位器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的控制環(huán)路，位置環(huán)路的控制對(duì)象是電流環(huán)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。由電位器測(cè)得的電壓信號(hào)經(jīng)過信號(hào)解調(diào)和AD轉(zhuǎn)換得到位置反饋信號(hào)。由于位置環(huán)具有很大的不確定性，加之被控對(duì)象的非線性以及系統(tǒng)參數(shù)的時(shí)變性等，為了減小電機(jī)在運(yùn)行過程中積分校正對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響，本系統(tǒng)對(duì)位置環(huán)采用積分分離的PID算法。如圖4所示，積分分離法是在誤差量較大時(shí)，不進(jìn)行積分，直至誤差達(dá)到一定值之后，才在控制量的計(jì)算中加入積分累積。算法為：

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)
    伺服控制系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，使軟件組織靈活有序，便于調(diào)整、修改和移植。DSP程序主要由主程序，信號(hào)采集與輸出程序，PID算法程序，串口通信程序，濾波程序等組成。主程序首先是DSP的初始化，包括設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘、定時(shí)器、系統(tǒng)狀態(tài)寄存器、設(shè)置IO端口。然后初始化中斷設(shè)置，確定系統(tǒng)所需要用到的中斷類別及中斷子程序，再設(shè)置事件管理器，產(chǎn)生PWM波。圖5為積分分離的PID程序流程圖，用積分分離的改進(jìn)算法效果較好，程序簡單。

4 結(jié)束語
    本文設(shè)計(jì)了一種基于TMS320F2812DSP的無刷直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，采用積分分離的PID控制算法，根據(jù)偏差，對(duì)不同情況進(jìn)行不同的PID控制，并對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以及控制算法進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)響應(yīng)快，性能穩(wěn)定，能較好的滿足伺服系統(tǒng)的控制性能要求。