基于DSP的直流無刷電機智能控制系統設計

　　摘要：為了更好地實現直流無刷電機的精準控制，系統利用TI的32位處理器TMS320F2812強大的數字信號處理能力和豐富的片內外設資源，結合PWM脈寬調制技術和基于反饋的按比例微分積分PID閉環控制算法，設計了高效的三相全橋逆變驅動電路，實現了一個基于DSP數字信號處理器平臺的直流無刷電機控制系統。實驗結果表明，系統運行穩定可靠，可移植性強，可適用于多種工業自動控制場合。

　　引言

　　伺服電機相比步進電機在控制精度、運行性能等方面的眾多優越性，使得它被越來越多地用于現代工業控制領域，其中直流電機具有優秀的線性機械特性、簡單的控制電路等優點，長期以來被廣泛地應用在各種驅動控制系統中。無刷直流電機利用電子換向器取代了機械電刷和換向器，不僅保留了直流電機良好的調速性能，而且又具有交流電動機結構簡單、無換相火花、運行可靠等優點，使它廣泛應用在計算機外圍設備、家電產品、汽車、數控機床、機器人、醫療設備等領域。

　　隨著科學技術的不斷發展，變頻技術和脈寬調制技術(PWM)已經成為直流電機控制的主流。脈寬調制技術是對模擬信號電平進行數字編碼，利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制，具有結構簡單、靈活和動態響應好等優點。按偏差的比例、積分和微分進行控制的PID算法是目前最有效的基于反饋的閉環控制算法之一，具有易于實現、適用面廣、控制參數相互獨立等優點。

　　目前實際應用的直流電機控制系統在功能上或多或少的存在一些不足，控制策略也過于陳舊，不能很好的滿足不斷發展的市場需求。基于此現狀，本系統采用PWM控制技術和PID閉環控制算法兩大主流技術，基于TMS320F2812 DSP平臺設計驅動控制電路，實現低功耗、低成本、高精度、高可靠性、數字化的直流無刷電機控制系統。

　　數字信號處理器選型

　　DSP數字信號處理器采用哈佛體系結構設計，可以通過獨立的數據總線同時訪問程序空間和數據空間，具有強大的數據處理能力和較高的運行速度，其中C2000系列整合了DSP和微控制器MCU的最佳特性，是目前性價比最高的DSP芯片之一。除了高效的數學運算能力，它還具有較為完善的事件管理能力和嵌入式控制功能，因此被廣泛應用于工業控制，特別是在處理速度、處理精度方面要求較高的大批量數據處理測控領域。

　　本系統選用TMS320F2812開發平臺，具有32位定點DSP內核，提供最大主頻150MHz，具有片內256KB FLASH，36KB SRAM、8KB Boot ROM、2KB OTP ROM內存，以及多達2MB的外部可擴展存儲空間。集成了事件管理器EV，A/D轉換模塊，SCI串行通信接口，SPI串行外設接口，eCAN總線通信模塊，多通道緩沖串口McBSP，看門狗電路，56個多路復用數字I/O口，和外部中斷接口等多種功能模塊。

　　系統詳細設計

　　基于模塊化設計思想，本系統主要包括三相全橋逆變驅動控制電路、霍爾位置傳感器檢測模塊、PWM控制模塊、PID閉環調速模塊、電流電壓檢測保護模塊，以及上位機控制軟件等部分。對于無位置傳感器的無刷電機，可以根據感應電動勢過零點檢測來進行換相，本系統選用有位置傳感器的無刷電機，根據霍爾位置傳感器進行換相。無刷直流電機采用外部接口DC 12V或24V供電，驅動電路與控制電路通過光耦完全隔離，避免驅動部分給控制部分帶來干擾，其他關鍵技術設計介紹如下。

　　位置信號的檢測和轉速的計算

　　電機內部嵌有3個互相間隔120度的霍爾位置傳感器，一個機械周期中每個傳感器都會產生180度脈寬的輸出信號，三個傳感器輸出的信號互差120度，如圖1所示。每個周期中共有6個上升或者下降沿，正好對應著6個換相時刻。為去除信號的干擾，設計中采用施密特觸發反相器對霍爾傳感器的3路輸出信號H1、H2、H3進行濾波，信號經過兩次反向后送入TMS320F2812 EV的CAP捕獲單元。在捕獲中斷中實時讀入CAP引腳狀態，根據換相順序對電機進行換相控制，同時可以根據兩次捕獲中斷的定時器計數器平均差值來計算電機轉速。