在DSP的基礎(chǔ)上對無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究

摘要：本文在詳細(xì)介紹了基于DSP（TMS320F2812）和專用控制集成芯片（MC33035）的基礎(chǔ)上,綜合運(yùn)用了PID算法和濾波算法對無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并給出了該控制系統(tǒng)的實(shí)際硬件電路設(shè)計(jì)和軟件控制策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、控制算法合理、控制精度高,有著很強(qiáng)的應(yīng)用推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞:無刷直流電機(jī),DSP,TMS320F2812,MC33035

引言

無刷直流電動(dòng)機(jī)從上世紀(jì)70年代末開始引起了從事電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)學(xué)者的重視。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)有很多形式，近年來國外學(xué)者多集中于對直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)及其控制問題上進(jìn)行研究。以單片機(jī)為核心組成的數(shù)字控制電路調(diào)速控制能力強(qiáng)，但只能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的外環(huán)數(shù)字控制，而DSP則可以實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的控制。

TMS320C28x系列是TI公司最新推出的32位定點(diǎn)DSP芯片，它既具有數(shù)字信號(hào)處理能力，又具有強(qiáng)大的時(shí)間管理能力和嵌入式控制功能，特別適用于大批量數(shù)據(jù)處理的測控場合[1]。

在無刷直流機(jī)速度控制系統(tǒng)中，為使調(diào)試者實(shí)時(shí)了解系統(tǒng)的運(yùn)行信息，需實(shí)時(shí)采集電機(jī)轉(zhuǎn)速、電樞電流等信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和加工處理[2]。控制過程復(fù)雜，控制算法計(jì)算量較大，因此本系統(tǒng)選擇了數(shù)據(jù)處理能力較強(qiáng)的DSP芯片TMS320F2812作為控制核心，再結(jié)合MC33035專用控制集成芯片，設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)無刷直流電機(jī)調(diào)速器。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)針對的是高速無刷直流電機(jī)，原則上本系統(tǒng)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的上限沒有限定，實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為5萬轉(zhuǎn)，電機(jī)功率為5kw。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)為方便用戶操作設(shè)計(jì)了通信和JOG（手動(dòng)）兩種模式。通信模式使用戶在電腦前就可以方便地對電機(jī)進(jìn)行操作，設(shè)置電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速、加速度以及顯示電機(jī)當(dāng)前的實(shí)際轉(zhuǎn)速等;而在沒有電腦時(shí)，用戶也可以通過JOG模式對電機(jī)進(jìn)行鍵盤操作，用以設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

資助基金：國家自然科學(xué)基金（70271001）

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制的無刷直流電機(jī)采用霍爾元件作為位置反饋機(jī)制，從反饋的脈沖信號(hào)中獲得位置信息和轉(zhuǎn)速情況?？刂坪诵?a href="C:/Users/Administrator/Desktop/網(wǎng)絡(luò)編輯超級工具箱面面修改版/網(wǎng)絡(luò)編輯超級工具箱面面修改版/lib/link:DSP|3">DSP根據(jù)采集到的實(shí)際轉(zhuǎn)速，修正控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。此外，系統(tǒng)從電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器件IGBT處獲得電流信息。通過綜合這三個(gè)信息，使得整個(gè)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠地工作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

各部分之間信號(hào)線的連接通過光耦隔離，光耦兩端連接如圖3所示。這里采用的光耦是TLP521，它的隔離電壓是2500V。在本系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)部分的最高電壓是300V，2500V可以保證系統(tǒng)工作的絕對安全。圖3中光耦是按正邏輯連接的，即輸入1，輸出也是1。除TLP521外，在通信線的連接處使用了幾顆高速光耦6N127。

2.1控制部分

控制部分的核心器件是TMS320F2812，制作時(shí)使用了一塊ICETEK-2812-B板（帶有2812的DSP開發(fā)板），除帶DSP外，還有一顆電源管理芯片，將外接5V轉(zhuǎn)為3.3V為系統(tǒng)供電。
2812從電機(jī)處采集轉(zhuǎn)速、電流反饋信號(hào)和位置反饋信號(hào)，DSP綜合這三個(gè)信號(hào)輸出對外的控制信號(hào)。從驅(qū)動(dòng)部分反饋的過流信號(hào)是一個(gè)0、1信號(hào)，DSP在工作時(shí)始終監(jiān)視這一信號(hào)，一旦監(jiān)視到1，即表示電機(jī)過載，則立即給出一個(gè)讓電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的信號(hào)，以免損壞電機(jī)和調(diào)速器。

DSP輸出的轉(zhuǎn)速控制信號(hào)是一個(gè)數(shù)字量，用D/A將此數(shù)字量轉(zhuǎn)換成電壓量給MC33035用以調(diào)速。系統(tǒng)中選用了12位的串行D/A（TLV5616），后加一級放大（LM358），使輸出電壓可根據(jù)不同電機(jī)的要求進(jìn)行放大。

TMS320F2812與PC間的通信是通過485總線完成的。在工業(yè)控制中，485總線應(yīng)用非常普遍，傳輸距離遠(yuǎn)而且性能穩(wěn)定，所以本系統(tǒng)選擇485總線進(jìn)行傳輸。

2.2驅(qū)動(dòng)部分

驅(qū)動(dòng)部分的控制核心是MC33035，驅(qū)動(dòng)器件是IR2183和IRGP50B60PD1。MC33035作為驅(qū)動(dòng)部分的控制核心，根據(jù)電機(jī)霍爾反饋的位置信號(hào)，分辨出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，以控制IGBT的開關(guān)。

雖然IGBT具有優(yōu)越的通態(tài)特性，但要將IGBT瞬間完全關(guān)斷仍不容易。調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，IGBT關(guān)斷時(shí)的一點(diǎn)點(diǎn)毛刺，就會(huì)導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱甚至燒壞。這就要求在電路設(shè)計(jì)上采取相應(yīng)的措施，如在IR2183輸出端與IGBT連接的地方串接一電阻等;在PCB布板走線時(shí)更要嚴(yán)格注意，布局要對稱。

電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)是MC33035的11腳（誤差信號(hào)放大器同向輸入端）接受控制部分給出的控制電壓，根據(jù)此電壓的不同，內(nèi)部產(chǎn)生脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，控制3個(gè)下側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出，通過改變輸出脈沖寬度來改變IGBT導(dǎo)通時(shí)間的長短，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2.3顯示部分

顯示部分的主控元件是AT89C51，顯示部分與驅(qū)動(dòng)部分之間通過AT89C51和2812的串行口（即用通信方式）傳遞指令。同時(shí)顯示部分所需的5V電源由控制部分提供。

這里轉(zhuǎn)速的采集是用AT89C51的計(jì)數(shù)端去采集霍爾輸出的脈沖信號(hào)，將此信號(hào)換算成頻率后送七段數(shù)碼管顯示，在此AT89C51擔(dān)當(dāng)了一個(gè)頻率計(jì)的功能。?