基于DSP的无刷直流电机速度控制系统

永磁无刷直流电机(Brushless DC Motor，BLDCM)既具有同步电机的优点，又有直流电机优良的调速性能，在工业领域，尤其是调速和伺服系统中得到了广泛的应用。高速数字信号处理器(DSP)在伺服系统中的应用，大大简化了控制系统结构，提高了系统性能，使无刷直流电机的优点更加突出。

本文主要研究采用TI公司的TMS320LF2407A DSP作为控制器的无刷直流电机全数字化控制系统。

1控制系统硬件框图设计

由直流电动机的运动方程可知：加速度与电动机的转矩成正比，而转矩又与电动机的电流成正比，因此，要实现电机的高精度高动态性能控制，就需要同时对电机的速度、电流及位置进行检测和控制。图1是无刷直流电机控制系统框图，在系统中设置了速度调节器和电流调节器，分别调节电机的转速和电流，两者之间实行串级连接，把速度调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制PWM装置。

如图1所示，整个系统控制单元可分为两大部分：虚线框内的功能由TMS320LF2407A DSP组成的最小系统实现，他包括DSP和片外存储器，另一部分则为反馈信号采集部分。电流反馈信号由霍尔元件测得，通过F2407的A／D模块转化为数字量，转子位置信号则用于产生正确的转子换向，光电编码器检测电机的转动方向及转角并反馈回DSP系统，形成闭环控制。系统位置给定由上位机发出。三相交流输入经整流、稳压后为逆变电路提供直流电源，逆变电路的触发信号由上位机提供，其目的是输出占空比可调的PWM信号，通过调整PWM信号宽度以控制功率管的开、关时间，从而实现对无刷电机的控制。

2控制策略

本系统通过三闭环(即位置环、速度环、电流环)结构实现电机的伺服控制。如图2所示。

当电机处于运行状态时，给定的位置信号Ua与反馈位置信号Ub的偏差经过(位置环)PID调节得到速度的参考值Vg，控制器根据测出的反馈位置信息计算出当前转速ωs，Vg与ωs在DSP中进行PI计算(速度环)得到电流的给定电压参考值Uig，电机绕组电流反馈信号经过电流传感器的检测从A／D口送入DSP，经转换得到当前主回路的电流反馈电压值Uif将Uif与Uig进行PI计算，得到的电流调节器的输出去调节占空比，进而控制功率开关管的导通与关断，从而实现对无刷直流电动机位置、转速、电流或转矩的控制。

在三闭环控制系统中，电流环和速度环均为内环，位置环为外环。电流环的作用是提高系统的快速性，抑制电流环内部干扰，限制最大电流保障系统安全运行，电流环采用PI调节器。速度环的作用是增加系统抗负载扰动的能力，抑制速度波动，速度环采用PI调节器。位置环的作用是保证系统静态精度和动态跟踪的性能。位置环采用积分分离的PID控制，即在开始跟踪被控量时，先取消积分作用，使比例项迅速跟踪偏差的变化，当被控量接近新的设定值时再将积分作用加入。这样既可以避免超调又可缩短达到稳态的时间，起到了积分校正的作用。图3为位置阶跃响应曲线和位置阶跃式跟踪结果。

由试验结果可以看出，位置环采用积分分离的PID控制器调节以后，控制效果有很大改善，动态响应曲线具有良好的跟踪性能和较小的超调。

3系统控制方案的实现

在本系统控制方案中，以TMS320LF2407A微控制器为控制系统核心，以功率MOSFET管构成逆变器，功率器件的排列顺序采用上桥臂V1，V3，V5，下桥臂V2，V4，V6的顺序，按照一定的逻辑关系打开6个功率器件。根据磁极位置传感器的信息组合，有6种状态，一一对应于桥臂的开关组合：V1V6，V6V3，V3V2，V2V5，V5V4，V4V1，V1V6……这样转子每转过一对N-S极，V1～V6功率管即按固定组合成6种状态依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场沿轴线转动电角度60°，如此循环，无刷直流电机将产生连续转矩，拖动负载作连续转动，反过来即可实现反转。

3.1相电流的检测

在该设计方案中，功率电子主回路采用两两通电方式，在任意时刻，电流仅仅流人三相绕组中的两相，因此从另一角度看，只需控制一个电流，亦即只需要一个相电流检测传感器。在本系统中，使用一个旁路电阻检测各项的电流。该电阻位于三相全控功率变换电路的下端功率桥臂与地之间，同时起到一个功率变换电路的过电流保护作用。电阻上的压降信号经过放大以后，送到TMS320F240片上的某一路A／D转换通道，经过A／D转换以后，得到合适的电流信号。在A／D转换结束以后，A／D转换模块向CPU发出一个中断请求信号，等待CPU对该电流信号的检测。每隔50μs，DSP对相电流进行采样，从而实现了频率为20 kHz的电流调节环。根据电流误差，PID控制器在每个PWM周期开始时，对PWM脉冲的占空比进行调节。

3.2磁极的位置检测

采用DSP控制电机时，无需再设计专门的PWM调制电路，因此选用TMS320LF2407A DSP来实现三相无刷直流电机调速的控制和驱动电路。本设计方案中，使用了3个位置间隔120°分布的霍尔传感器，由霍尔器件所输出的转子位置信号送到功率变换电路后，直接送至TMS320LF2407A的捕获单元进行处理，每个霍尔传感器的输出与捕获单元的一个输入引脚相连。通过产生捕捉中断来给出换相时刻，同时给出位置信息，实现定频PWM和换相控制。3个霍尔传感器输出3个180°的交叠信号，每个输出信号的上升沿和下降沿都被检测到，从而产生6个强制换向信号，每2个换向信号之间相差60°。在本方案中，片内通用定时器2用作捕获单元的时基，定时器2设为连续计数模式，其周期寄存器(T2PER)被设定为0FFFEH，预定标因子被设定为128；当CPUCLK=20 MHz时，定时器的这种设置使得电动机的最小可调整转速为24 r／min。

3.3 速度检测

根据位置传感器的输出信号，可以计算得到电动机的转动速度。转子旋转一周的时间内，霍尔器件共产生6个换向信号。在2个换向信号之间存在60°机械角度，当前的转速可通过下式计算得到：

n=△θ／△T

式中，θ为机械角度；T为转子转过θ所花费的时间。

捕获单元对每个霍尔器件输出信号的两个边沿都进行检测，当上升沿被捕获到时，捕获单元设置相应的中断标志。在中断服务子程序中，CPU首先判断所检测到的是上升沿还是下降沿，然后计算从上次边沿被检测到以来所经过的时间T，根据该时间实现绕组电流的换向。由于霍尔传感器相对于电动机转子而言位置是固定的，2个换向信号之间的轴偏移是常数θ。

4系统软件设计

主程序主要是初始化DSP所需要用到的控制寄存器(包括设定系统时钟、系统状态寄存器等)、初始化I／O端口(包括设定LF2407A片内多路复用的I／O口功能及其极性)、初始化中断设置(确定系统所需要用到的中断类别及中断源)、检测电机的初始位置以及初始化需用到的控制变量等。

中断程序主要包括调节子程序、ADC转换中断子程序(位置调节子程序，速度调节子程序，电流调节子程序)，如图4和图5所示。

图6为积分分离式PID控制算法流程图，在位置环控制时采用此算法。通过DSP检测出给定位置信号和实际反馈位置信号的偏差e(k)，根据实际情况，认为设定阈值ε>0；当∣e(k)∣>ε时，采用PD控制，可避免产生较大的超调，又使系统有较快的响应；当∣e(k)∣≤ε时，采用PID控制，保证系统的控制精度。

5结语

本文应用TI公司的TMS320LF2407A DSP设计了一个基于位置、速度、电流三闭环结构的直流无刷电机控制系统，并对直流无刷电机的原理及其控制算法进行了研究。经分析，该系统不仅成本低，易于实现并且性能稳定，方便扩展，无论是对工程实践还是对电机调速方面的研究都有重要意义.