1  概述

　　本文采用TI公司推出的240XDSP作為無刷直流電機(jī)全數(shù)字控制，組成的伺服系統(tǒng)只需要很少的系統(tǒng)元件。數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，簡(jiǎn)稱DSP）是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號(hào)處理是一種通過使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實(shí)信號(hào)的方法，這些信號(hào)由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時(shí)間里，數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。德州儀器、Freescale等半導(dǎo)體廠商在這一領(lǐng)域擁有很強(qiáng)的實(shí)力。DSP（demensional stable polyester），也稱高模低收縮聚酯纖維，主要表現(xiàn)在為高強(qiáng)度，高模量，低收縮，低伸長(zhǎng)等物理指標(biāo)。尺寸穩(wěn)定性是聚酯骨架材料的一項(xiàng)重要特性，與輪胎的生產(chǎn)和成品質(zhì)量密切相關(guān)，早期的標(biāo)準(zhǔn)型聚酯簾線由于尺寸穩(wěn)定性差而使輪胎質(zhì)量不盡如人意。20世紀(jì)80年代開發(fā)成功的高模量低收縮型聚酯纖維在尺寸穩(wěn)定性方面有了質(zhì)的突破。近年來，國(guó)內(nèi)外的輪胎制造廠在使用尺寸穩(wěn)定型聚酯簾線（或稱HMLS聚酯簾線）作為輪胎胎體骨架材料后均發(fā)現(xiàn)，這種聚醋纖維對(duì)輪胎性能的提高及輪胎優(yōu)質(zhì)輕量化均發(fā)揮了很大作用。

　　2  硬件介紹

　　TMS320LF2407A的內(nèi)核是TMS320C2XX（圖1），內(nèi)部采用了哈佛結(jié)構(gòu)，流水線作業(yè)，在20MHz的時(shí)鐘頻率下，指令周期僅為50ns，且多數(shù)指令都能在一個(gè)指令周期內(nèi)完成。其中央算術(shù)邏輯部分包括32位中央算術(shù)邏輯單元（CALU），32位累加器，CALU的輸入/輸出數(shù)據(jù)定標(biāo)移位器，16位×16位乘法器，乘積定標(biāo)移位器，數(shù)據(jù)地址發(fā)生邏輯（包括8個(gè)輔助寄存器和1個(gè)輔助寄存器算術(shù)單元（ARAU），程序地址發(fā)生邏輯。當(dāng)處理器連續(xù)工作時(shí)，還能同時(shí)執(zhí)行：a、經(jīng)由串行口的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送；b、內(nèi)部定時(shí)器減數(shù)；c、產(chǎn)生三相脈寬調(diào)制（PWM）波形；d、采集4個(gè)模擬信號(hào)；e、看門狗定時(shí)器減數(shù)。它還包含有其它系列的ＤＳＰ芯片所沒有的雙10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、基于ＰＷＭ控制的管理器。脈沖寬度調(diào)制（PWM），是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單，靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會(huì)成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。

　　圖1 TMS320Lx240x系列DSP控制器總體結(jié)構(gòu)

　　3  DSP控制流程

　　圖2是用TMS320LF2407A實(shí)現(xiàn)三相無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的控制和驅(qū)動(dòng)電路。本設(shè)計(jì)采用TMS320LF2407A微控制器為系統(tǒng)控制器，以功率MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管為功率變換元件，任意時(shí)刻電機(jī)只有兩相導(dǎo)通來控制換流元件，采用PWM方式來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。在這里，三個(gè)位置間隔120O分布的霍爾傳感器H1，H2，H3經(jīng)整形隔離電路后分別與TMS320LF2407A的三個(gè)捕捉引腳CAP1，CAP2，CAP3相連，通過產(chǎn)生捕捉中斷來給出換相時(shí)刻，同時(shí)給出位置信息。

　　圖2 用TMS320LF2407A實(shí)現(xiàn)三相無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的控制和驅(qū)動(dòng)

　　從理論上來看，直流無刷電動(dòng)機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩控制主要依據(jù)如下的轉(zhuǎn)矩和反電動(dòng)勢(shì)工程計(jì)算方程

　　其中，N為直流無刷電動(dòng)機(jī)定子每相線圈數(shù)， 為轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)度，r為轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑，B為轉(zhuǎn)子的磁通密度，為電動(dòng)機(jī)的角速度，i為相電流，L為相感抗，為轉(zhuǎn)子的位置，R為相阻抗。

　　從方程可以看到，反電動(dòng)勢(shì)與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成比例，而轉(zhuǎn)矩與相電流也幾乎勢(shì)成比例的。根據(jù)這些特點(diǎn)，在方案中采用了圖3所示的控制策略。給定轉(zhuǎn)速與速度反饋形成偏差，經(jīng)速度調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流參考量，它與電流反饋量的偏差經(jīng)電流調(diào)節(jié)后形成PWM占空比的控制量，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的速度控制。電流的反饋是通過檢測(cè)電阻上的壓降來實(shí)現(xiàn)的。

　　圖3  三相無刷直流電動(dòng)機(jī)的速度和電流控制

　　4 軟件控制

　　系統(tǒng)采用PWM控制算法，電機(jī)輸入直流電流且每一時(shí)刻只有兩個(gè)功率管導(dǎo)通，從2407來的PWM控制信號(hào)直接連至驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器的輸出再連至功率MOSFET管的控制極。2407的CPU時(shí)鐘頻率是20MHz，PWM頻率是20kHz。

　　4.1相電流檢測(cè)

　　TMS320LF2407A接受到電阻上放大的壓降信號(hào)后，經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換后得到電流信號(hào)。在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，A/D模塊向CPU發(fā)送一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，等待CPU處理。每隔50us，DSP控制器對(duì)相電流進(jìn)行采樣，從而實(shí)現(xiàn)20kHz的電流調(diào)節(jié)環(huán)。

　　4.2轉(zhuǎn)子位置和速度檢測(cè)

　　掌握好恰當(dāng)?shù)膿Q相時(shí)刻，可以減小轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。位置檢測(cè)不但用于換相控制，而且還用于產(chǎn)生速度控制量。

　　位置信號(hào)是通過3個(gè)霍爾傳感器得到的。他們的輸出信號(hào)相差1200。每個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)有6次換相，通過將DSP設(shè)置為雙沿觸發(fā)捕捉中斷功能，可以獲得正確的換相時(shí)刻。

　　位置信號(hào)還可以用于產(chǎn)生速度控制量。只要測(cè)得兩次換相的時(shí)間間隔 ，就可以根據(jù)下式計(jì)算出兩次換相時(shí)間的平均角速度。

　　兩次換相的時(shí)間間隔可以通過捕捉中斷發(fā)生時(shí)讀定時(shí)器2的T2CNT寄存器的值來獲得。

　　4.3電流和速度調(diào)節(jié)

　　相電流的調(diào)節(jié)可以通過調(diào)節(jié)載頻為20kHz的PWM信號(hào)的脈沖寬度來實(shí)現(xiàn)。

　　Ierror="Iref" － Imea

　　cyclenew=cycleold+IerrorK

　　如果cyclenew>=Timer_period, 那么cyclenew=Timer_period

　　如果cyclenew>Timer_period，那么cyclenew＝0

　　其中Iref—用戶想要的參考電流；

　　Imea——實(shí)際測(cè)得的相電流；

　　Ierror——要調(diào)節(jié)的相電流誤差；

　　速度調(diào)節(jié)采用PI算法，以獲得的動(dòng)態(tài)效果。計(jì)算公式如下：

　　式中Iref－速度調(diào)節(jié)輸出；

　　ek   －第k次速度偏差；

　　Kp  －速度比例系數(shù)；

　　Ki  －速度積分系數(shù)；

　　T  －速度調(diào)節(jié)周期；

　　試驗(yàn)證明能產(chǎn)生很好的三相PWM控制波形。圖5為產(chǎn)生的PWM波形。

　　圖5  利用DSP控制三相無刷直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的PWM波形

　　前面所敘述的系統(tǒng)初始化、位置信號(hào)檢測(cè)、PWM信號(hào)輸出等軟件模塊，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本的具有位置傳感器的三相直流無刷電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)。然而為了建立一個(gè)更完善的系統(tǒng)，還需要增加一些功能模塊，如調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制模塊、保存系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)記錄模塊等，TMS320LF2407與pc機(jī)之間采用的通訊是采用RS－485進(jìn)行半雙工的接口電路。

　　5 結(jié)束語

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：將工業(yè)控制中普遍使用的PI算法在DSP上實(shí)現(xiàn)PWM波形輸出，由于單片機(jī)自身性能的限制，已難以滿足高速度，高的電機(jī)控制要求，而用DSP則很好的實(shí)現(xiàn)用于直流無刷電機(jī)控制的PWM波形輸出。DSP（digital signal processor）是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號(hào)來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號(hào)。再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是值得稱道的兩大特色。