王　偉　西安石油大學(xué)　710065

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基于DSPIC30F4011的直流減速電機(jī)控制研究

王偉西安石油大學(xué)710065

【文章摘要】

介紹了DSPIC30F4011芯片的性能和優(yōu)點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了芯片QEI模塊的原理及功能。設(shè)計了由DSPIC30F4011為處理器的直流減速電機(jī)速度及位置的檢測與控制，利用由芯片QEI模塊的正交編碼器接口電路以及光電編碼器可以方便的檢測電機(jī)的速度與位置。設(shè)計了相應(yīng)的軟件程序?qū)崿F(xiàn)控制。

【關(guān)鍵詞】

電機(jī)控制；DSPIC30F4011；QEI；光電編碼器

0　引言

隨著嵌入式系統(tǒng)和單片機(jī)芯片的不斷發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在航天航空，機(jī)器人控制，醫(yī)療機(jī)械控制等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。美國微芯科技公司（Microchip Technology）推出的DSPIC數(shù)字信號控制器擁有數(shù)字信號處理器（DSP）的計算能力以及高數(shù)據(jù)處理能力，其運(yùn)算速度最高可達(dá)30MIPS，并能在工業(yè)級溫度范圍內(nèi)工作。以16位單片機(jī)為核心的DSPIC30F4011有強(qiáng)大功能的外圍設(shè)備和優(yōu)秀的中斷處理能力，是嵌入式設(shè)計的最佳解決方案。這些性能使其成為需要更高精度、更高轉(zhuǎn)速的電機(jī)控制應(yīng)用領(lǐng)域的理想解決方案。除此之外，芯片還可以應(yīng)用在傳感器控制、汽車電子、網(wǎng)絡(luò)連接等領(lǐng)域。

1　DSPIC30F4011功能簡介及QEI模塊原理

1.1DSPIC30F4011芯片功能簡介

Dspic30f4011采用改進(jìn)的哈佛架構(gòu)，擁有24位指令字，工作寄存器由16個16位寄存器構(gòu)成，可以存儲數(shù)據(jù)、地址等。DSP引擎由一個高速17X17位乘法器、40位算術(shù)邏輯單元以及一個40位雙向桶行移位寄存器和兩個40位飽和累加器組成，顯著提高了內(nèi)核運(yùn)算能力和吞吐量。芯片具有2KB數(shù)據(jù)RAM，48KB程序FLASH，除此之外，還包括10位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊，6路PWM可改寫輸出模塊、可用于帶霍爾傳感器電機(jī)的輸入捕捉模塊，以及正交編碼器模塊接口和通用異步收發(fā)器模塊等，使得DSPIC30F4011芯片具有操作簡單，準(zhǔn)確等特性。

1.2QEI模塊原理

光電編碼器用于檢測旋轉(zhuǎn)運(yùn)動系統(tǒng)的位置和速度，可以對多種電機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。典型的觀點(diǎn)編碼器有三路脈沖輸出，分別為A相輸出，B相輸出和索引（INDEX）脈沖相輸出。處理器芯片DSPIC30F4011帶有正交編碼器接口暨QEI（Quadrature Encoder Interface）模塊，QEI模塊有與位置編碼器三相相對應(yīng)的接口。如果A相超前于B相表示電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之表示反轉(zhuǎn)。

QEI模塊主要包括了3路輸入引腳（QEA,QEB,INDEX相）；可編程數(shù)字噪聲濾波器；正交解碼器；16位向上、向下的計數(shù)器等。電機(jī)帶動編碼器旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生相對持續(xù)穩(wěn)定的A相,B相和索引脈沖信號，且A相與B相相差1/2T個脈沖。信號通過QEI模塊的正交解碼邏輯，每有一個A相或者B相的上升沿，便使得16位計數(shù)器POSCNT加1或者減1，索引信號用來復(fù)位計數(shù)器的數(shù)值。100脈沖的正交編碼器轉(zhuǎn)一周對應(yīng)的計數(shù)器個數(shù)為0 到399，即計數(shù)器的個數(shù)與電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度成比例。所以通過讀取計數(shù)器的數(shù)值，可讀取電機(jī)的角度位置。

3　直流減速電機(jī)控制硬件電路設(shè)計

根據(jù)DSPIC30F4011芯片QEI模塊的功能，結(jié)合芯片自帶的PWM模塊，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)位置與速度的精準(zhǔn)控制。選用12V,60RPM配有減速箱的直流減速電機(jī)，100脈沖的光電編碼器，采用L239B芯片和典型的橋式電路作為電機(jī)的驅(qū)動電路，采用MAX7219芯片顯示電機(jī)當(dāng)前的位置與速度，MAX7219芯片具有8位數(shù)字7段LED顯示功能。

DSPIC30F4011芯片作為核心處理器，QEI模塊的三個輸入引腳與光電編碼器側(cè)面引出的三相A,B,INDEX分別連接。由于芯片的標(biāo)準(zhǔn)電壓是5V，所以光電編碼器的輸出方式采用集電極開路輸出，光電編碼器與直流電機(jī)同軸相連，用聯(lián)軸器緊固。電機(jī)的尾端通過L239B芯片連入PWM模塊，構(gòu)成主要的控制回路。其中核心處理器的QEA，QEB，INDEX引腳作為輸入檢測光電編碼器的脈沖信號，PWMH1、PWML1引腳作為輸出分別與L239B芯片的2號引腳與7號引腳連接，給電機(jī)提供高低電頻并控制電機(jī)的速度。RC1，RC2，RC3端口作為輸出控制MAX7219芯片顯示速度和角度。通過軟件程序調(diào)試，使MAX7219前4位顯示速度，后四位顯示角度，并且實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

4　軟件調(diào)試

DSPIC30F4011芯片通過單片機(jī)燒寫器ICD2.5連接到PC端。使用軟件MPLAB IDE V8.70軟件對芯片對程序進(jìn)行燒寫。程序首先初始化QEI模塊和MAX7219芯片，隨后計算電機(jī)的位置和速度，用POSCNST計數(shù)器的值判斷電機(jī)是否達(dá)到預(yù)設(shè)的角度，當(dāng)電機(jī)達(dá)到預(yù)設(shè)角度后停轉(zhuǎn)并顯示角度和速度。通過此程序，可以使電機(jī)以預(yù)定的速度轉(zhuǎn)過預(yù)定的角度。

在初始化QEI模塊中，首先配置QEI的引腳為數(shù)字輸入。設(shè)置索引脈沖復(fù)位位置計數(shù)器即索引脈沖使POSCNT計數(shù)器清0，并設(shè)置工作模式為X4模式，X4模式每遇到一個A相和B相的信號邊沿使POSCNT計數(shù)器加1或者減1，這樣可以獲得更好的分辨率，以及更精確的位置控制。QEI模塊的使能數(shù)字濾波器能過濾光電編碼器上可能出現(xiàn)的干擾，通過計算光電編碼器的最小脈沖寬度（MIN_PULSE）可以求得濾波分頻配置（FILTER_DIV），最小脈沖寬度是由電機(jī)的最大速度確定的，由于采用直流減速電機(jī)的最大速度較小，所以這里采用了最大的256分頻數(shù)。

角位置應(yīng)把位置計數(shù)器的結(jié)果轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的角度，根據(jù)QEI模塊的配置信息和光電編碼器的線程數(shù)可以得到分辨率，100脈沖的光電編碼器的分辨率為360°/399=0.9°，根據(jù)這個分辨率，位置計數(shù)器需要從0~399變化成對應(yīng)的角度 ，即POSCNT計數(shù)器的值與角度 的比例系數(shù)為0.9。速度是一個固定時間周期的增量數(shù)，通過周期中斷產(chǎn)生。中斷間隔小于最大速度下產(chǎn)生半轉(zhuǎn)所需要的最小時間，通過中斷間隔可以測得電機(jī)的速度。

5　結(jié)論

由直流減速電機(jī)位置與速度控制實(shí)驗(yàn)可以看出DSPIC30F4011芯片功能強(qiáng)大，應(yīng)用簡單，不需要復(fù)雜的電路和程序便可以完成控制。由DSPCI30F系列芯片的嵌入式控制可以應(yīng)用于各個領(lǐng)域的精準(zhǔn)控制，直流減速電機(jī)的位置與速度控制已經(jīng)應(yīng)用于機(jī)器人手臂的控制，以及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井穩(wěn)定平臺的控制等。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]彭志剛,胡邦南.基于dsPIC30F6010的無傳感器無刷直流電機(jī)控制[J].自動化與儀器儀表.2011(02)

王偉（1987-），男(漢族) ，陜西省戶縣人，碩士研究生，主要研究方向調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井，直流電機(jī)位置控制。

【作者簡介】