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O 引言 無刷直流電機(簡稱BLDCM)是一種用電子換向器取代機械電刷和機械換向器的新型直流電動機，具有結構簡單，調速性好，效率高等優點，目前已經得到廣泛應用。TMS320F2812數字信號處理器是TI公司最新推出的32位定點DSP控制器，器件上集成了多種先進的外設，具有靈活可靠的控制和通信模塊，完全可以實現電機系統的控制和通信功能，為電機伺服系統的實現提供了良好的平臺。本文設計了以高性能TMS-320F2812DSP芯片為核心的無刷直流電機伺服控制系統。 1 伺服控制系統硬件構成及其工作原理 系統硬件框圖如圖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、數據采集、數據通信等功能模塊和部分外圍電路及數據接口，其主要功能是實現對被控對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、速度的閉環控制。F2812片內具有12位的AD轉換器，但為提高伺服系統運動的精度，在DSP外圍擴展了兩片6路16位的AD轉換芯片，用來采集反饋信號以及輸入的運動指令信號。 系統設計同時采用DSP和CPLD以提高電路的可行性。DSP所起到的作用主要是根據反饋的位置，速度信號，結合電機的運動方向和運動速度，利用F2812片上的電機控制專用外設EVA，通過數字I/O口輸出1路與電機運動相對應的PWM波。CPLD根據輸入的PWM信號，控制信號和數字信號組成的換相時序信息輸出對應大小和對應時序的相電壓，從而驅動電機做相應的運動。 1.2 信號采集以及調理電路 該電路對各種傳感器信號及電流電壓信號進行采集并處理。包括采樣的電流電壓反饋信號，給定的控制信號等模擬量信號，以及霍爾傳感器的輸出等開關量信號，經調理電路處理后，使其幅值及電平可以滿足DSP控制器的要求。 本系統使用AD7656對采集來的模擬信號進行模數轉換。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6路A/D的同時轉換。GPIOA2連接BUSY信號，AD7656轉換結束后，BUSY信號變低，DSP以查詢方式接收AD數據。74ACl6373用于鎖存AD轉換后的16位數據，74LSl38用于將DSP地址線譯碼與AD7656的片選信號相連。 1.3 驅動電路 電機的驅動電路由驅動芯片IR2130和三相全逆變電路構成。功率驅動電路采用+15 V供電，驅動芯片IR2130內置了2.5 μs的死區時間，防止統一橋臂的上下兩個MOSFET同時導通。當系統出現欠壓，過流時，IR2130啟動內置的保護電路鎖住后面的PWM輸出，保護系統電路。IR2-130的輸入信號是由CPLD解算而得的6路PWM波，經過光耦隔離后送入IR2130，輸出信號送MOSFET驅動無刷直流電機。在三相逆變電路中，六個功率器件起繞組開關作用，采用兩兩通電，三相六狀態方式，每一個瞬間有兩個功率管導通，每隔1/6周期(60°電角度)換相一次，每次換相一個功率管，每個功率管一次導通120°電角度。 2 伺服系統的控制策略 本系統是通過電流、速度、位置三閉環結構實現系統控制的，其中電流環和速度環是內環，位置環是外環。 圖2是無刷直流電機控制系統框圖，在系統中設置了速度PI調節器和電流PI調節器，分別調節電機的轉速和電流，兩者之間是串級連接。給定的位置信號U與反饋的位置信號position經過位置PID調節后得到速度的參考值SDref。根據兩次捕獲的時間可以計算出電機運行的速度speed，此速度作為速度參考值的反饋量，經過速度PI調節后可以得到參考電流Iref，通過電流檢測電路可以得到電流的反饋量I，再經過電流PI調節，最后得到的調節量用來控制PWM的占空比，即把速度調節器的輸出當做電流調節器的輸入，再以電流調節器的輸出去控制PWM裝置。 2.1 電流環控制 電流環是通過電流反饋控制使電機電樞電流線性受控，可達到電機輸出力矩的線性控制，并使其動態范圍響應快，安全性提高。 在實際應用中，為加快系統響應速度，減輕DSP負擔，采用模擬實現方法。將電阻串聯在電樞回路上，同時起到一個功率變換電路的過電流保護作用。通過電流反饋控制使電機電樞電流線性受控，可達到電機輸出力矩的線性控制，并使其動態范圍響應快，安全性提高。 電流環設計中，電流調節器選用PI調節器;限幅器可以和電流調節器做在一起，限幅值由PWM功放輸入范圍確定  WM功放選用專用集成電路;濾波保護網絡采用LC網絡提高EMC水平，二極管網絡保護PWM功放選;電流調節器選用PI調節器;采樣電阻選用O.1Ω，如果所選PWM功放具有電流測量端子，也可以直接讀出電機電流值。圖3為電流環控制框圖，R-電機電樞電阻，Tm-電機時常數。Ks-功率放大器電壓放大系數。電流環設計的參數：PI調節器，一階無靜差;輸出最大電流≥0.63 A，反饋系數為15.873;帶寬≥30 Hz;τi選為電機等效時常數。 2.2 速度環控制 速度環是位置環的重要內環路，速度閉環可改善控制對象的線性度，提高速度控制精度，改善電網電壓等對電機轉速的影響，提高抗干擾能力，改善系統性能。 轉子旋轉一周的時間內，霍爾傳感器輸出3路180°的交疊信號，電動機每轉動60°就有一次換相，只要檢測兩次換相的時間間隔就能計算出電機的速度。 2.3 位置環控制 位置環是通過安裝在電機轉軸上的電位器實現閉環的控制環路，位置環路的控制對象是電流環和傳動機構。由電位器測得的電壓信號經過信號解調和AD轉換得到位置反饋信號。由于位置環具有很大的不確定性，加之被控對象的非線性以及系統參數的時變性等，為了減小電機在運行過程中積分校正對系統動態性能的影響，本系統對位置環采用積分分離的PID算法。如圖4所示，積分分離法是在誤差量較大時，不進行積分，直至誤差達到一定值之后，才在控制量的計算中加入積分累積。算法為： 3 系統軟件實現 伺服控制系統的軟件采用模塊化設計，使軟件組織靈活有序，便于調整、修改和移植。DSP程序主要由主程序，信號采集與輸出程序，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，包括設置系統時鐘、定時器、系統狀態寄存器、設置IO端口。然后初始化中斷設置，確定系統所需要用到的中斷類別及中斷子程序，再設置事件管理器，產生PWM波。圖5為積分分離的PID程序流程圖，用積分分離的改進算法效果較好，程序簡單。 4 結束語 本文設計了一種基于TMS320F2812DSP的無刷直流電機伺服控制系統，采用積分分離的PID控制算法，根據偏差，對不同情況進行不同的PID控制，并對系統的硬件設計以及控制算法進行了研究。試驗結果表明，系統響應快，性能穩定，能較好的滿足伺服系統的控制性能要求。 |
