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基于TMS320LF2407A的永磁无刷直流电动机伺服控制系统设计 |
| 摘要：本文首先介绍了永磁无刷直流电动机的特点，然后给出了基于TMS320LF2407A DSP的伺服控制系统的总体设计方案，同时给出了硬件系统设计思想和软件系统设计流程及系统抗干扰方案，并进行了仿真，结果表明该方案大到了很好的控制效果。 关键词：永磁无刷直流电动机；伺服控制；DSP；仿真 Design of Permanent Magnet BLDC Motor Servo Control System Based on TMS320LF2407A 0 引言 永磁无刷直流电动机是一种新型电机，其构成的控制系统具有体积小、效率高、经济性好等诸多优点，有巨大的发展潜力。TI公司生产的数字信号处理器具有精度高、可靠性强等优点，TMS320LF2407A DSP能够实现完整的无刷直流电机控制功能。并可大幅简化控制电路，降低成本及增加系统可靠度。采用DSP作为主控制单元的电机控制系统的硬件设计简单。本文介绍的就是基于数字信号处理器TMS320LF2407A永磁无刷直流电动机控制系统。 1 总体方案设计 本系统中利用DSP实现永磁无刷直流电动机的全数字双闭环控制。给定转速与速度反馈量形成偏差，经速度调节后产生电流参考量，它与电流反馈量的偏差经电流调节后形成PWM占空比的控制量，实现电动机的速度控制。电流的反馈是通过检测电阻R上的压降来实现的。速度反馈则是通过霍尔位置传感器输出的位置量，经过计算得到的，同时位置传感器输出的位置量还用于换相控制。系统的原理框图如图1所示。  2 硬件系统设计 在本系统中，控制器是其核心部件，它不仅要完成外部信号的处理，电机驱动信号的给定，更重要的是完成整个系统的控制策略。本系统以TMS320LF2407A器件为控制核心，充分利用TMS320LF2407A的高速信号处理能力和电机控制优化的外围电路，具有控制精度高，抗干扰能力强且成本较低等优点，可以为高性能传动控制提供可靠高效的信号处理与硬件控制。基于DSP的控制系统框图如图2所示。  图2 基于DSP的控制系统框图 2.1 电流检测 电流传感器是伺服系统中的一个重要元件。它的精度和动态性能直接影响着系统的低速性能和快速性。电流检测的方法有电阻检测，光耦检测等，本系统采用磁平衡原理实现的霍尔元件检测电流的方法。所用器件为霍尔效应磁场补偿式电流传感器。它是国际上推荐为电力电子线路中的关键电流检测器件。它把互感器、磁放大器、霍尔元件和电子线路的思想集成一体。具有测量、反馈、保护三重功能。 它实际上是有源电流互感器，它的优点是“磁场补偿”，被测量的原边磁场同测量绕组里的测量磁势，实时补偿为零，也就是说，铁芯里实际上没有磁通，因而其体积可以做得很小，而不怕有铁芯饱和，不用担心频率、谐波影响。之所以二者的磁势能被充分补偿，是由于霍尔效应的作用。一旦二者不平衡，霍尔元件上就会有霍尔电动势产生。它就作为以±15V供电的差分放大器输入信号，放大器的输出电流即为传感器的测量电流，自动迅速地恢复磁势平衡，即霍尔输出总保持为零。这样电流的波形忠实的反映原边被测电流的波形，只是一个匝比的关系。 2.2 位置检测 本系统中，位置信号是通过三个霍尔传感器得到的。每个霍尔传感器都会产生180°脉宽的输出信号，如图3所示。三个霍尔传感器的输出信号互差120°相位差。这样它们在每个机械转中共有6个上升沿或下降沿，正好对应着6个换相时刻。通过将TMS320LF2407A设置为双沿触发捕捉中断功能，就可以获得这6个时刻。 需要注意的是，只有换相时刻还不能正确换相，还需要知道应该换哪一相。通过将TMS320LF2407A的捕捉口CAP1～CAP3设置为I/O口，并检测该口的电平状态，就可以知道哪一个霍尔传感器的什么沿触发的捕捉中断。  2.3 速度计算 利用光电编码器的检测信号，由DSP计算出电机转速。可以根据DSP的CAP/QEP引脚捕获的A相和B相的信号，根据任意一相信号的上升沿及下降沿所对应的时间值可以方便的计算出速度值。也可以根据检测到的在固定时间内的脉冲数，与固定时间之比即为电机的速度值。 速度计算和速度调节所使用的参数存放在数据区300H开始的6个单元中，AR2作为数据的地址指针。各单元存放的变量如表1所列。 表1 300H开始的6个单元中存放的变量  3 软件系统设计 整个控制系统软件采用模块化设计思想，符合当前自上而下的主流设计思想。本系统中，CPU时钟频率为20MHz，PWM频率为20kHz。通过定时器1周期匹配事件启动ADC转换，使每个PWM周期都对电流进行一次采样，并在A/D转换中断处理程序中对电流进行调节，来控制PWM输出。转子每转过60°机械角都触发一次捕捉中断，进行换相操作和速度计算。系统的主程序流程图如图4所示。 4 系统的抗干扰设计 硬件部分，控制系统的电源及功率驱动部分抗干扰措施主要就是从防和抗两方面入手。其总原则是：抑制或消除干扰源；切断干扰对系统的耦合通道；降低系统对干扰信号的敏感性。抗干扰设计的具体措施包括：隔离、接地、屏蔽、滤波等常用方法。 软件部分，本系统的软件主要采用了以下几种软件抗干扰设计： 1）软件陷阱法 测试系统在遇到外界干扰时，往往会导致运行程序进入程序存储器的空白区（即无指令区），这种现象叫做程序“跑飞”。于是在各子程序之间、各功能模块之间和所有空白处，都写上连续3个空操作指令（nop），后接一无条件转移指令，一旦程序跑飞到这些区域，就会自动返回执行正常程序。 2）程序的冗余设计 在程序存储器的空白区域，写入一些重要的数据表和程序作为备份，以便系统程序被破坏时仍有备份参数和程序维持系统正常工作。由于TMS320LF2407A的数据存储以数据页为基准，如果对不同数据页的数据进行操作而不指定相应的数据页，会导致程序跑飞。因此需要对程序未使用满的数据页进行填充，防止数据页混乱导致的系统误操作. 3）软件看门狗设计 TMS320LF2407A片内带有的软件看门狗可以监视软件的操作，并提供可编程间隔的中断，在CPU异常时实现系统的复位。正常情况下，DSP的主程序运行时，应该在不到看门狗定时器溢出时就执行喂狗逻辑，即向WDKEY中写入正确的值的组合来清除WD的计数器。当WDKEY没有在看门狗溢出前被喂狗，定时器通过提供系统复位来解除系统软件错误和CPU崩溃，然后软件再通过一次喂狗逻辑来清除WD的计数器WDCNTR。  5 实验结果 本文在完成系统的硬件与软件设计的同时，为了避免了实际调试的盲目性，利用了数字仿真和计算机辅助设计（CAD）通过人机对话的方式来改变控制器的参数，采用MATLAB作为仿真软件，完成了无刷直流电动机基于N-PI（神经网络PI）控制系统的仿真。仿真结果如图5所示。  图5左图为普通PI（细实线）控制和N-PI（粗实线）控制下的直流无刷电动机的额定状态的运行过程的仿真曲线，可以看出，使用N-PI控制的超调量小，电动机能较快达到稳定状态。图5中图是在直流无刷电动机稳定运行后，把给定转速由1000r/min变成1100r/min时N-PI控制和普通PI控制仿真曲线的比较，从图中可以看出N-PI比普通PI的调整时间短，N-PI可以迅速达到稳定，跟踪性能比较好。图5右图是直流无刷电动机稳定运行之后，在0.06s时给直流无刷电动机突加负载的普通PI控制和N-PI控制仿真曲线的比较，从图中可以看出N-PI控制比普通PI控制所受的影响要小得多，N-PI控制的鲁棒性比较强。 6 结束语 |