摘要：本文首先介紹了永磁無刷直流電動機的特點，然后給出了基于TMS320LF2407A DSP的伺服控制系統的總體設計方案，同時給出了硬件系統設計思想和軟件系統設計流程及系統抗干擾方案，并進行了仿真，結果表明該方案大到了很好的控制效果。 關鍵詞：永磁無刷直流電動機；伺服控制；DSP；仿真 0 引言 永磁無刷直流電動機是一種新型電機，其構成的控制系統具有體積小、效率高、經濟性好等諸多優點，有巨大的發展潛力。TI公司生產的數字信號處理器具有精度高、可靠性強等優點，TMS320LF2407A DSP能夠實現完整的無刷直流電機控制功能。并可大幅簡化控制電路，降低成本及增加系統可靠度。采用DSP作為主控制單元的電機控制系統的硬件設計簡單。本文介紹的就是基于數字信號處理器TMS320LF2407A永磁無刷直流電動機控制系統。 1 總體方案設計 本系統中利用DSP實現永磁無刷直流電動機的全數字雙閉環控制。給定轉速與速度反饋量形成偏差，經速度調節后產生電流參考量，它與電流反饋量的偏差經電流調節后形成PWM占空比的控制量，實現電動機的速度控制。電流的反饋是通過檢測電阻R上的壓降來實現的。速度反饋則是通過霍爾位置傳感器輸出的位置量，經過計算得到的，同時位置傳感器輸出的位置量還用于換相控制。系統的原理框圖如圖1所示。 2 硬件系統設計 在本系統中，控制器是其核心部件，它不僅要完成外部信號的處理，電機驅動信號的給定，更重要的是完成整個系統的控制策略。本系統以TMS320LF2407A器件為控制核心，充分利用TMS320LF2407A的高速信號處理能力和電機控制優化的外圍電路，具有控制精度高，抗干擾能力強且成本較低等優點，可以為高性能傳動控制提供可靠高效的信號處理與硬件控制。基于DSP的控制系統框圖如圖2所示。 [align=center] 圖2 基于DSP的控制系統框圖[/align] 2.1 電流檢測 電流傳感器是伺服系統中的一個重要元件。它的精度和動態性能直接影響著系統的低速性能和快速性。電流檢測的方法有電阻檢測，光耦檢測等，本系統采用磁平衡原理實現的霍爾元件檢測電流的方法。所用器件為霍爾效應磁場補償式電流傳感器。它是國際上推薦為電力電子線路中的關鍵電流檢測器件。它把互感器、磁放大器、霍爾元件和電子線路的思想集成一體。具有測量、反饋、保護三重功能。 它實際上是有源電流互感器，它的優點是“磁場補償”，被測量的原邊磁場同測量繞組里的測量磁勢，實時補償為零，也就是說，鐵芯里實際上沒有磁通，因而其體積可以做得很小，而不怕有鐵芯飽和，不用擔心頻率、諧波影響。之所以二者的磁勢能被充分補償，是由于霍爾效應的作用。一旦二者不平衡，霍爾元件上就會有霍爾電動勢產生。它就作為以±15V供電的差分放大器輸入信號，放大器的輸出電流即為傳感器的測量電流，自動迅速地恢復磁勢平衡，即霍爾輸出總保持為零。這樣電流的波形忠實的反映原邊被測電流的波形，只是一個匝比的關系。 2.2 位置檢測 本系統中，位置信號是通過三個霍爾傳感器得到的。每個霍爾傳感器都會產生180°脈寬的輸出信號，如圖3所示。三個霍爾傳感器的輸出信號互差120°相位差。這樣它們在每個機械轉中共有6個上升沿或下降沿，正好對應著6個換相時刻。通過將TMS320LF2407A設置為雙沿觸發捕捉中斷功能，就可以獲得這6個時刻。 需要注意的是，只有換相時刻還不能正確換相，還需要知道應該換哪一相。通過將TMS320LF2407A的捕捉口CAP1～CAP3設置為I/O口，并檢測該口的電平狀態，就可以知道哪一個霍爾傳感器的什么沿觸發的捕捉中斷。 2.3 速度計算 利用光電編碼器的檢測信號，由DSP計算出電機轉速。可以根據DSP的CAP/QEP引腳捕獲的A相和B相的信號，根據任意一相信號的上升沿及下降沿所對應的時間值可以方便的計算出速度值。也可以根據檢測到的在固定時間內的脈沖數，與固定時間之比即為電機的速度值。 速度計算和速度調節所使用的參數存放在數據區300H開始的6個單元中，AR2作為數據的地址指針。各單元存放的變量如表1所列。 [align=center]表1 300H開始的6個單元中存放的變量 [/align] 3 軟件系統設計 整個控制系統軟件采用模塊化設計思想，符合當前自上而下的主流設計思想。本系統中，CPU時鐘頻率為20MHz，PWM頻率為20kHz。通過定時器1周期匹配事件啟動ADC轉換，使每個PWM周期都對電流進行一次采樣，并在A/D轉換中斷處理程序中對電流進行調節，來控制PWM輸出。轉子每轉過60°機械角都觸發一次捕捉中斷，進行換相操作和速度計算。系統的主程序流程圖如圖4所示。 4 系統的抗干擾設計 要達到良好的系統控制效果需要在系統設計中非常注意它的抗干擾性和可靠性。本系統由于采用高速DSP作為核心處理器，它的高頻信號不僅容易受到干擾，而且也會成為系統的干擾源，因此有必要對整個系統，特別是DSP部分的抗干擾及保護做更多的處理。 硬件部分，控制系統的電源及功率驅動部分抗干擾措施主要就是從防和抗兩方面入手。其總原則是：抑制或消除干擾源；切斷干擾對系統的耦合通道；降低系統對干擾信號的敏感性。抗干擾設計的具體措施包括：隔離、接地、屏蔽、濾波等常用方法。 軟件部分，本系統的軟件主要采用了以下幾種軟件抗干擾設計： 1）軟件陷阱法 測試系統在遇到外界干擾時，往往會導致運行程序進入程序存儲器的空白區（即無指令區），這種現象叫做程序“跑飛”。于是在各子程序之間、各功能模塊之間和所有空白處，都寫上連續3個空操作指令（nop），后接一無條件轉移指令，一旦程序跑飛到這些區域，就會自動返回執行正常程序。 2）程序的冗余設計 在程序存儲器的空白區域，寫入一些重要的數據表和程序作為備份，以便系統程序被破壞時仍有備份參數和程序維持系統正常工作。由于TMS320LF2407A的數據存儲以數據頁為基準，如果對不同數據頁的數據進行操作而不指定相應的數據頁，會導致程序跑飛。因此需要對程序未使用滿的數據頁進行填充，防止數據頁混亂導致的系統誤操作. 3）軟件看門狗設計 TMS320LF2407A片內帶有的軟件看門狗可以監視軟件的操作，并提供可編程間隔的中斷，在CPU異常時實現系統的復位。正常情況下，DSP的主程序運行時，應該在不到看門狗定時器溢出時就執行喂狗邏輯，即向WDKEY中寫入正確的值的組合來清除WD的計數器。當WDKEY沒有在看門狗溢出前被喂狗，定時器通過提供系統復位來解除系統軟件錯誤和CPU崩潰，然后軟件再通過一次喂狗邏輯來清除WD的計數器WDCNTR。 5 實驗結果 本文在完成系統的硬件與軟件設計的同時，為了避免了實際調試的盲目性，利用了數字仿真和計算機輔助設計（CAD）通過人機對話的方式來改變控制器的參數，采用MATLAB作為仿真軟件，完成了無刷直流電動機基于N-PI（神經網絡PI）控制系統的仿真。仿真結果如圖5所示。 圖5左圖為普通PI（細實線）控制和N-PI（粗實線）控制下的直流無刷電動機的額定狀態的運行過程的仿真曲線，可以看出，使用N-PI控制的超調量小，電動機能較快達到穩定狀態。圖5中圖是在直流無刷電動機穩定運行后，把給定轉速由1000r/min變成1100r/min時N-PI控制和普通PI控制仿真曲線的比較，從圖中可以看出N-PI比普通PI的調整時間短，N-PI可以迅速達到穩定，跟蹤性能比較好。圖5右圖是直流無刷電動機穩定運行之后，在0.06s時給直流無刷電動機突加負載的普通PI控制和N-PI控制仿真曲線的比較，從圖中可以看出N-PI控制比普通PI控制所受的影響要小得多，N-PI控制的魯棒性比較強。 6 結束語 由仿真結果可以看出，系統的響應速度快，靜態誤差小，具有很好的靜態和動態性能。另外，由于TMS320LF2407A的片上資源非常豐富，系統還可根據需要進行擴展，因此具有很強的實用性。 參考文獻： [1] 王曉明，王玲.電動機的DSP控制——TI公司DSP應用[M].北京：北京航空航天大學出版社.2004 [2] 秦繼榮，沈安俊.現代直流伺服控制技術及其系統設計[M].北京：機械工業出版社.1999 [3] 劉和平，嚴利平，張學鋒等.TMS320LF240xDSP結構、原理及應用[M]. 北京：北京航空航天大學出版社.2002 [4] 孫劍波，龔世纓，董亞暉.永磁無刷直流電機調速系統的仿真研究[J].微電機，2001.2，25-28 [5] 張深.直流無刷電動機原理及應用[M]. 北京:機械工業出版社，1996 [6] 張豫，陳靜薇，梁振鴻.基于DSP的永磁同步電機全數字化矢量控制[J].伺服技術，2001.3，48-50 作者簡介： 尹艷清（1978-），男，湖南衡陽人，助教，主要研究方向：自動控制與單片機技術。 EMAIL：99021626@163.com 聯系電話：0734-6098825 通信地址：湖南省衡陽市雷公塘14#電氣與信息工程系 郵政編碼：421008