周崐 黃友橋 曹晨

（1. 海軍駐湖南地區(qū)軍事代表室，湖南 411101；2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第701研究所，武漢 430070）

1 引言

隨著工業(yè)電氣傳動(dòng)、自動(dòng)控制和家電領(lǐng)域?qū)﹄姍C(jī)控制產(chǎn)品需求的不斷增加，現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)也變得越來(lái)越重要。在DSP（Digital Signal Processing）技術(shù)被大量應(yīng)用之前，電機(jī)控制系統(tǒng)中的數(shù)字化處理都是由單片機(jī)來(lái)完成的。單片機(jī)將計(jì)算機(jī)的基本組成部件集成于一片硅片之上，且內(nèi)部具有許多適用于控制目的的功能部件，如51系列和MCS96系列，加上其成本低廉，軟硬件資源豐富，易于開(kāi)發(fā)的優(yōu)點(diǎn)，因而它的出現(xiàn)迅速占領(lǐng)了電機(jī)控制等眾多工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。目前，在不涉及復(fù)雜計(jì)算的場(chǎng)合，單片機(jī)仍然占據(jù)主要位置。

但是隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和眾多先進(jìn)控制技術(shù)的出現(xiàn)，單片機(jī)已經(jīng)難以勝任一些控制任務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)高精度的、實(shí)時(shí)的控制，現(xiàn)代控制算法大都涉及到坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)子磁鏈模型計(jì)算，轉(zhuǎn)子參數(shù)辨識(shí)校正，并且任務(wù)中常常帶有多單元的實(shí)時(shí)通訊，與PC機(jī)的遠(yuǎn)距離控制等眾多的功能，而單片機(jī)的計(jì)算速度,內(nèi)部資源都已經(jīng)不能滿(mǎn)足這樣的任務(wù)。

近幾年來(lái)，基于DSP的電機(jī)專(zhuān)用集成電路由于在計(jì)算速度、容量存儲(chǔ)等方面比單片機(jī)具有更優(yōu)的性能，已逐漸代替單片機(jī)運(yùn)用于電機(jī)控制系統(tǒng)中。本文以現(xiàn)在使用比較廣泛的無(wú)刷直流電機(jī)和TI公司的TMS320LF2407這一款DSP為例，詳細(xì)介紹了DSP在電機(jī)控制中的應(yīng)用。

2 永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制器

永磁無(wú)刷直流電機(jī)是近年來(lái)迅速成熟起來(lái)的一種新型機(jī)電一體化電機(jī)。該電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和位置檢測(cè)元件及霍爾傳感器等組成，既具有交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電機(jī)運(yùn)行效率高、功率密度大、調(diào)速性能好的優(yōu)點(diǎn)，而且不受機(jī)械換相限制。其運(yùn)行特點(diǎn)是每60°換相一次。永磁無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)如圖1所示。其理想的反電勢(shì)波形是具有120°電角度平臺(tái)的梯形波，并由120°方波電流（相電流）供電，其方波電流和梯形波反電動(dòng)勢(shì)如圖2所示。

永磁無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)，除要求具備高性能的控制器之外，還可以通過(guò)控制器的設(shè)計(jì)在某種程度上彌補(bǔ)電動(dòng)機(jī)性能之不足。圖3為基本原理圖。

圖1 永磁無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)圖

圖2 BLDCM方波電流和梯形波反電動(dòng)勢(shì)

圖3 電機(jī)控制基本框圖

其中，位置環(huán)的作用是產(chǎn)生速度指令并使電機(jī)準(zhǔn)確定位。通過(guò)設(shè)定的目標(biāo)位置與電機(jī)的實(shí)際位置相比較，利用其偏差通過(guò)位置調(diào)節(jié)器來(lái)產(chǎn)生電機(jī)的速度指令，在小偏差區(qū)域，產(chǎn)生逐次遞減的速度指令，使電機(jī)減速運(yùn)行直至最終定位。速度環(huán)的作用是保證電機(jī)的轉(zhuǎn)速與指令值相一致，消除負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)等因素對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。速度指令與反饋的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速相比較，其差值通過(guò)速度調(diào)節(jié)器產(chǎn)生相應(yīng)的電流參考信號(hào)的幅值，電流參考信號(hào)幅值與通過(guò)磁極位置檢測(cè)得到的電流參考信號(hào)相位相乘，即得到完整的電流參考信號(hào)（通常使電流參考信號(hào)與反電勢(shì)同相位），該信號(hào)控制電機(jī)加速，減速或勻速，從而使電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令值保持一致。速度調(diào)節(jié)器通常采用的是PI控制方式，對(duì)于動(dòng)態(tài)響應(yīng)，速度恢復(fù)能力要求特別高的系統(tǒng)，可以考慮采用為結(jié)構(gòu)控制方式或自適應(yīng)控制方式等。電流環(huán)由電流控制器和逆變器組成，其作用是使電機(jī)繞組電流實(shí)時(shí)，準(zhǔn)確的跟蹤電流參考信號(hào)，電流控制器主要有線(xiàn)性電流控制器，滯環(huán)電流控制器和預(yù)測(cè)電流控制器三種。

目前，無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)常采用的電力電子器件主要有功率場(chǎng)效應(yīng)管 MOSFET和絕緣門(mén)極雙極型晶體管 IGBT。其二者均具有電壓控制，驅(qū)動(dòng)功率小，并聯(lián)容易，工作頻率高的特點(diǎn)。IGBT通態(tài)電阻要比MOSFET小得多，且其具有很高的耐壓和工作電流。

無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)需要有轉(zhuǎn)子位置和速度的傳感器來(lái)為其提供三環(huán)反饋信號(hào)。比較常用的傳感器有霍爾集成電路傳感器，混合式光電編碼器；增量式光電編碼器，增量式磁編碼器，多轉(zhuǎn)絕對(duì)式光電編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器。

3 TMS320LF2407簡(jiǎn)介

TMS320LF2407是美國(guó) TI公司推出的電機(jī)微控制器 TMS320LF240系列最常用的一種。它具有DSP內(nèi)核，其高度集成度減少了控制器的外圍電路，能將DSP的高速運(yùn)算能力與面向電機(jī)的高效控制于一體，在實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制上具備強(qiáng)大功能。

（1） PWM輸出和功率驅(qū)動(dòng)。LF2407的PWM發(fā)生電路可產(chǎn)生6路具有可編程死區(qū)和可變輸出極性的PWM信號(hào)，直接控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，死區(qū)時(shí)間可由死區(qū)控制寄存器設(shè)置，其最大特點(diǎn)是它可以提供空間電壓矢量輸出模式。

（2） 電流檢測(cè)。LF2407內(nèi)部有2個(gè)10位8通道AD轉(zhuǎn)換器，電流檢測(cè)從電流互感器采樣，經(jīng)隔離放大器調(diào)理后送到內(nèi)部高速 ADC轉(zhuǎn)換，進(jìn)行反饋控制。

（3） 轉(zhuǎn)速位置反饋。LF2407內(nèi)含的可編程獨(dú)立的I/O引腳，捕獲口，外部中斷可方便的進(jìn)行數(shù)字量操作。內(nèi)部的4個(gè)捕獲單元輸入端用軟件定義為QEP方式，可對(duì)脈沖前后沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)變相電路判別兩路信號(hào)的次序，得到電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

（4） 保護(hù)電路。為保證系統(tǒng)中功率轉(zhuǎn)換電路及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路工作的可靠性，LF2407提供了PDPINTA和PDPINTB兩個(gè)功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷輸入引腳，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)不正常時(shí)，如出現(xiàn)過(guò)電壓，過(guò)電流等，該中斷有效，將PWM輸出引腳置為高阻態(tài)。

（5） 通信。LF2407內(nèi)部包含有串行通信接口SCI模塊和CAN控制器模塊。SCI模塊支持CPU與其他使用標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外設(shè)之間的數(shù)字通信。CAN控制器模塊提供了一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信局域網(wǎng)絡(luò)。

4 基于 DSP的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與軟件實(shí)現(xiàn)

4.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由以上基本知識(shí)，按照電機(jī)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。它包括以下幾個(gè)基本環(huán)節(jié)。

圖4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1） 驅(qū)動(dòng)電路。主回路可采用七單元集成化智能功率模塊作為系統(tǒng)的主開(kāi)關(guān)功率器件，三個(gè)橋臂的6個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)單元利用高速光耦實(shí)現(xiàn)隔離接口。

（2） 電機(jī)相電流檢測(cè)電路。利用閉環(huán)型霍爾元件式電流傳感器檢測(cè)電機(jī)兩相電流，再利用采樣電阻和多級(jí)運(yùn)放將電流信號(hào)處理在0-3.3v間變化的模擬電壓信號(hào)，與集成在TMS320LF2407內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器外引腳相連接。

（3） 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速檢測(cè)使用增量式光柵編碼器，其輸出信號(hào)送入DSP的I/O口和QEP單元，通過(guò)位置的微分運(yùn)算得到轉(zhuǎn)速信號(hào)。

（4） 保護(hù)電路。TMS320LF2407的事件管理器提供了外部中斷 PDPINT來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)。系統(tǒng)可將過(guò)流，過(guò)溫，電源故障等保護(hù)信號(hào)處理為多路低電平有效的信號(hào)，把上述信號(hào)相“與”后的輸出接DSP的PDPINT引腳。系統(tǒng)故障時(shí)，片內(nèi)固化的PDPINT中斷程序自動(dòng)切斷系統(tǒng)的PWM輸出，直到故障消失和系統(tǒng)復(fù)位。

（5） 串行通訊電路。要實(shí)現(xiàn)上位PC機(jī)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的監(jiān)控，可用串行通訊專(zhuān)用芯片MAX232和DSP內(nèi)部的SCI控制器完成串行接口總線(xiàn)的數(shù)據(jù)通訊。如果有分布式的多控制器，則可以選擇DSP內(nèi)部集成的CAN控制器來(lái)完成通訊任務(wù)。

4.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于上述永磁同步電動(dòng)機(jī)全數(shù)字化矢量控制系統(tǒng)的控制軟件，包括初始化程序，主程序和中斷服務(wù)子程序3個(gè)部分。系統(tǒng)在每次復(fù)位以后，首先執(zhí)行初始化程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP內(nèi)部各功能模塊工作模式的設(shè)定和初始狀態(tài)的檢測(cè)，在完成上述工作后，中斷開(kāi)啟，系統(tǒng)執(zhí)行主程序。同時(shí)，當(dāng)外部中斷條件滿(mǎn)足時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行中斷服務(wù)子程序。系統(tǒng)的主要控制功能是由主程序，串行通訊子程序和定時(shí)中斷子程序來(lái)完成的。其中，電機(jī)的主要控制策略由定時(shí)器中斷子程序來(lái)執(zhí)行。在這2個(gè)中斷服務(wù)子程序中，外部保護(hù)中斷子程序優(yōu)先級(jí)較高。

（1） 主程序的基本功能。主程序是系統(tǒng)控制軟件在完成初始化之后進(jìn)入的一段循環(huán)執(zhí)行的程序，它除了調(diào)用串行通訊子程序之外，主要是執(zhí)行系統(tǒng)的巡檢功能，即執(zhí)行對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)，電機(jī)和散熱底板溫度以及直流母線(xiàn)上電解電容電壓等的檢測(cè)，通過(guò)設(shè)置一定的標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)控制回路的動(dòng)作或狀態(tài)參數(shù)的上傳。

（2）中斷子程序中控制策略的實(shí)現(xiàn)?？刂栖浖ㄟ^(guò)在初始化程序中設(shè)置事件管理器的相關(guān)寄存器，就可以在允許中斷觸發(fā)后，每隔一定的時(shí)間間隔中斷主程序的執(zhí)行。該時(shí)間間隔通常與PWM 的調(diào)制頻率有關(guān)，如調(diào)制頻率為 10kHz，因此定時(shí)器中斷程序執(zhí)行的時(shí)間間隔為 100ns。這樣通過(guò)對(duì)定時(shí)器中斷子程序的循環(huán)執(zhí)行，即通過(guò)對(duì)矢量控制算法的循環(huán)執(zhí)行，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)的控制。

（3）通訊子程序。LF2407的 DSP具有 SCI的串行通訊功能和支持分布式網(wǎng)絡(luò)的 CAN控制器，因而通訊程序的結(jié)構(gòu)是與通訊協(xié)議一一對(duì)應(yīng)的。

（4）外部中斷保護(hù)子程序。當(dāng) PDPINT引腳電壓由高電平變?yōu)榈碗娖?，固化與片內(nèi)的中斷服務(wù)程序切斷DSP的PWM輸出，使控制器死機(jī)。該中斷是硬件中斷，不受軟件設(shè)置的影響，但中斷發(fā)生是，如果軟件有所設(shè)置程序?qū)⒆詣?dòng)跳到外部中斷保護(hù)子程序的起始執(zhí)行部分。

5 結(jié)論

目前，DSP器件具有較高的集成度，精簡(jiǎn)的指令系統(tǒng)，獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間等使其具有高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，采用基于DSP的電機(jī)專(zhuān)用集成電路的另一個(gè)好處是，可以降低對(duì)傳感器等外圍器件的要求。在高速控制中，使用DSP可以進(jìn)行通常的位檢測(cè)和邏輯運(yùn)算以及高速數(shù)據(jù)傳輸。隨著DSP器件的價(jià)格日益下降，性能不斷提高，采用 DSP器件代替單片機(jī)來(lái)控制電機(jī)將成為電機(jī)控制的發(fā)展趨勢(shì)。

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