周傳璘，楊 智，肖永軍，，曾慶棟

(1.孝感學(xué)院物理與電子信息學(xué)院， 湖北 孝感 43200；2.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430072)

0 引 言

無刷直流力矩電機(jī)(BLDC, Blushless DC motor)具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩、過載能力強(qiáng)、調(diào)速范圍寬、響應(yīng)快、特性線性度好、力矩波動小等特點, 在無超調(diào)響應(yīng)的高精度位置伺服系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[1-2].目前，在直流力矩電機(jī)的控制中，多采用PWM調(diào)速，需要輸入多路PWM信號，而帶死區(qū)的多路PWM產(chǎn)生在一般的可編程控制器中耗用過多的資源，使得系統(tǒng)其它性能大大降低.自C2000系列DSP問世以來，因其內(nèi)部具有的事件管理器(EV)可以非常方便的產(chǎn)生多路帶死區(qū)的PWM波形，大大簡化了開發(fā)人員的技術(shù)需求，在電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛.

在一些跟蹤應(yīng)用系統(tǒng)中，往往需要PC機(jī)輔助調(diào)試，而設(shè)備的運行狀態(tài)控制及參數(shù)回顯需要人機(jī)可視化界面.而Visual C++基于C，C++語言，是與系統(tǒng)聯(lián)系非常緊密的編程工具，兼有高級，和低級語言的雙重性，功能強(qiáng)大，靈活，執(zhí)行效率高，在用戶人機(jī)界面制作上具有獨特的優(yōu)勢.基于以上分析，依據(jù)工程實際需求，基于DSP2407處理器設(shè)計了無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，利用Visual C++制作了用戶人機(jī)界面，通過人機(jī)界面可控制無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng).

1 直流無刷力矩電機(jī)的驅(qū)動原理

直流力矩電機(jī)的驅(qū)動通常由三相全橋控制電路完成[3-4]，如圖1(a)所示，該電路由6個開關(guān)管組成，上下兩個開關(guān)管組成一個橋壁.其中任何一個開關(guān)管在輸入的PWM波形處于高電平時導(dǎo)通，處于低電平時關(guān)斷.同一個橋壁上的上下兩個開關(guān)管(如Z1和Z2)不能同時導(dǎo)通，否則，將會造成電源VDC短路.因此，Z1和Z2、Z3和Z4、Z5和Z6的導(dǎo)通時間必須是互補(bǔ)的，以Z1和Z2兩個開

圖1 直流力矩電機(jī)的驅(qū)動原理圖

關(guān)管為例，其所需的實際控制的PWM波形如圖1(b)所示，為避免因開關(guān)管的截止延遲導(dǎo)致Z1和Z2的瞬時導(dǎo)通的情況出現(xiàn)，Z1_PWM需要延遲一個死區(qū)時間導(dǎo)通，且提前一個死區(qū)時間截止.在6路PWM脈沖的控制下，開關(guān)管按照一定的順序?qū)?，即可?qū)動直流電機(jī).

2 基于DSP2407光電編碼器測速方法

2.1 DSP2407簡介

TMS320LF2407A是TI設(shè)計的一款專用于電機(jī)控制的數(shù)字信號處理芯片，除了采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)及多級流水線技術(shù)之外，其指令執(zhí)行速度為40MIPS，絕大多數(shù)指令都能在25 ns的單周期內(nèi)執(zhí)行完畢.內(nèi)部資源有[3-5]：片內(nèi)32K×16位的Flash程序存儲器，以及224K字×16位的最大可尋址存儲器空間，544字×16位的雙端口數(shù)據(jù)/程序DARAM， 2K字×16位的單端口SARAM.外設(shè)10位、500 ns轉(zhuǎn)換速度、16/8可選通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)模塊為插入高速動態(tài)光電探測器(QD)的外反饋信號輸入提供了可能.串行通信接口(SCI)為系統(tǒng)初始給定值的輸入、超前掃描步長的動態(tài)控制、CPU的初始化與跟蹤模塊的通信，從而完成掃描控制系統(tǒng)的外反饋輸入提供了外部控制的通信方法.特別是2個通用定時器、8路脈寬調(diào)制(PWM)通道、4個正交編碼器脈沖接口的事件管理器A和B外設(shè)，可以實現(xiàn)對掃描控制系統(tǒng)中垂直和水平兩方向的步進(jìn)電動機(jī)的速度和位置控制.同時具有看門狗定時器、CAN接口和SPI同步串行端口等外設(shè)，為擴(kuò)展系統(tǒng)功能及保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行提供了保障.

2.2 光電編碼器的測速方法

光電編碼器又稱為光電角位置傳感器，是一種集光、機(jī)、電為一體的數(shù)字測角裝置.它將輸入給軸的角度量，利用光電轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量，具有體積小、精度高、工作可靠、接口數(shù)字化等優(yōu)點[6-7].目前基于光電編碼器的脈沖測速主要采用M/T法，其測速原理如圖2所示.

在M/T法中，光電脈沖計數(shù)值M1本身就是整個光電脈沖，它的變化并不導(dǎo)致誤差，而僅僅引起實際采樣時間的變化.時鐘脈沖計數(shù)M2有多1少1個脈沖的誤差，但由于時鐘脈沖的頻率遠(yuǎn)高于光電脈沖的頻率，所以由其引起的誤差很小，從而使測量精度大為提高.轉(zhuǎn)角計算公式如式(1)所示.

圖2 M/T法的測速原理

(1)

式(1)中，δ=f(t2)-f(t1)+N·0xFFFFh

Δt=t2-t1

PN為每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，f(t2)、f(t1)分別為定時器計數(shù)值.

習(xí)慣上常以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)來表示，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速可表示為：

(2)

實現(xiàn)方法是：當(dāng)程序進(jìn)入到TC的周期測速中斷時，將捕獲單元打開，一旦捕捉到碼盤脈沖的上升沿，立即開啟高頻脈沖計數(shù)器和光電編碼器輸出脈沖計數(shù)器，然后關(guān)閉捕獲使能.與此同時，系統(tǒng)啟動比較中斷，當(dāng)TC結(jié)束后，打開捕獲單元.當(dāng)再次捕獲到碼盤脈沖的上升沿時，讀取兩個計數(shù)器的數(shù)值并關(guān)閉計數(shù)器.這樣可由一個捕獲單元實現(xiàn)兩個計數(shù)器的同時開啟與關(guān)閉，提高了測速精度.

3 無刷直流力矩電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

系統(tǒng)控制組成框圖如圖3所示，DSP2407作為為整個系統(tǒng)的控制核心，其芯片外圍外擴(kuò)展了FALSH，SRAM等存儲芯片，同時配置了仿真下載的JTAG接口.PC機(jī)作為上位機(jī)，通過RS232串口將控制命令發(fā)送給DSP2407，同時接收由2407反饋回的相關(guān)信息，并在用戶界面中顯示.下位機(jī)DSP2407通過內(nèi)部外設(shè)事件管理器(EV)產(chǎn)生所需的PWM脈沖，送給力矩電機(jī)的驅(qū)動電路，進(jìn)而驅(qū)動電機(jī)；同時測速傳感器(光電編碼器)采集電機(jī)的速度信息，經(jīng)DSP2407內(nèi)部外設(shè)EV的QEP電路捕捉光電編碼器的輸入脈沖，根據(jù)一定的測速算法，計算出電機(jī)轉(zhuǎn)速，并通過RS232串口將處理后的位置及速度信息發(fā)送給PC機(jī)用于顯示.

圖3 系統(tǒng)控制組成框圖

3.2 下位機(jī)DSP2407軟件設(shè)計

DSP2407的主要作用有以下兩點：接收上位機(jī)PC的命令信息，并根據(jù)該信息產(chǎn)生對電機(jī)的控制動作；捕獲光電編碼器的輸入脈沖并進(jìn)行計算，將得到的速度轉(zhuǎn)角信息通過SCI傳遞給PC機(jī)顯示.其程序流程如圖4所示，上電進(jìn)行相關(guān)初始化后，DSP進(jìn)入等待狀態(tài).如果有EV中斷產(chǎn)生，則進(jìn)入光電編碼器轉(zhuǎn)角計算服務(wù)子程序；如果是SCI中斷，接收到了PC機(jī)命令信息，根據(jù)實際命令進(jìn)行相關(guān)動作，否則，將速度信息反饋給PC顯示.

圖4 下位機(jī)軟件執(zhí)行流程

3.3 上位機(jī)用戶界面設(shè)計

上位機(jī)用戶界面采用Visual C++編制，如圖5所示，界面主要由速度實時顯示、命令信息監(jiān)測、命令信息發(fā)送區(qū)域、串口參數(shù)設(shè)置、固定參數(shù)更新等區(qū)域組成.

圖5 上位機(jī)用戶界面設(shè)計(部分)

4 結(jié) 語

經(jīng)VC界面通過串口與下位機(jī)DSP2407進(jìn)行聯(lián)調(diào)實驗證實：在PC機(jī)的命令控制下，DSP2407能實時的控制無刷直流力矩電機(jī)，并將由光電編碼器采集到速度轉(zhuǎn)角信息通過串口發(fā)送給上位機(jī)PC進(jìn)行顯示，程序設(shè)計時還提供了定向的參數(shù)更新窗口，方便了項目的實際調(diào)試過程.

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