基于DSP電機控制方法研究設計

摘要 隨著 DSP 技術的發(fā)展， DSP 的應用范圍越來越廣，并且伴隨著數字化的發(fā)展，對電機的控制的精度要求越來越高， DSP 數字化處理能力也得到了質的飛躍。所以學會應用 DSP時非常重要的。 本文詳細討論了無刷直流伺服電機，并推述星形接法的數學模型，并設計了數字控制無刷直流伺服電機總體方案，本文采用 PID 控制方法來控制電機，詳細介紹了 PID 控制算法。 對 DSP 種類進行了簡單的介紹，并選擇以 TMS320F2812 為基準構建硬件平臺，設計了 DSP 供電電源設計，驅動電路的設計， PWM 光電耦合隔離電路的設計，電流的采樣電路的 設計，對 DSP 進行保護電路的保護電路的設計等。 在 CCS 環(huán)境下，對程序進行編輯，編寫 PID 控制算法程序，對系統(tǒng)的初始化，編碼器模塊初始化，捕捉模塊的初始化， SCI 模塊的初始化，以及對數字濾波進行編程。 關鍵詞： DSP； CCS； PWM；無刷直流伺服電機 Abstract With the development of DSP technology, DSP application scope is more and more wide. With the development of digital control is higher and higher, The ability of digital handle has own a qualitative leap.So learn to apply DSP is very important. This paper discusses the brushless DC servo motor in detail .The paper describes the mathematical model of the star connection. I designed the general planning of digital control the brushless DC servo motor, this paper adopts the PID control method to control the motor and introduces the PID control in detail. First the article introduces the DSP types simply and select the hardware platform what is based on TMS320F2812 .I designed the DSP power supply. I designed the drive circuit and the PWM photoelectric coupling isolation circuit.I also designed the sampling circuit and the current of protection .At last I designed the protection circuit. In the CCS environment, I edited the program and written in PID control algorithm.I also completed the initialization of system,the initialization of encoder module , the initialization of capture module ,the initialization of SCI module , and programming of the digital filter. Keywords: DSP； CCS； PWM； brushless DC servo motor 目 錄 摘要 . I Abstract . II 目 錄 . III 1 緒論 . 1 1.1 本課題的研究內容和意義 . 1 1.2 國內外的發(fā)展概況 . 1 1.3 本課題應達到的要求 . 2 2 電機的選擇及其結構 . 3 2.1 步進電機 . 3 2.3 選擇電機 . 5 2.4 本章小結 . 5 3 無刷直流電機的工作原理及數學模型 . 6 3.1 無刷直流電動機的結構 . 6 3.2 無刷直流伺服電動機的位置檢測裝置 . 6 3.2.1 霍爾傳感器 . 7 3.2.2 定子繞組連接方式 . 7 3.2.3 開關管控制方法 . 9 3.3 無刷直流電機的暫態(tài)數學模型 . 10 3.4 本章小結 . 11 4 控制方案的總體設計 . 12 4.1 控制方案的框圖簡介 . 12 4.2 無刷直流伺服電動機實現控制的方法 . 12 4.2.1 數字 PID 控制算法 . 13 4.2.2 數字控制器設計的方法 . 14 4.2.3 工程設計調節(jié)器的步驟 . 14 4.3 PWM 信號產生技術 . 14 4.4 編碼器 . 15 4.5 電機相電流檢測技術 . 17 4.6 本章小結 . 17 5 DSP 的選擇及相應的硬件設計 . 17 5.1 DSP 芯片 TMS320F2812 的特點 . 18 5.2 控制硬件的設計 . 18 5.3 DSP 外圍電路的設計 . 19 5.3.1 電源的設計 . 19 5.3.2 DSP 的晶體振蕩器接口電路 . 19 5.3.3 時鐘電路的設計 . 20 5.3.4 JTAG 電路的設計 . 20 5.3.5 異步串行接口（ SCI）硬件 的設計 . 21 5.3.6 CAN 總線接口硬件設計 . 22 5.4 功率驅動逆變電路的設計 . 22 5.4.1 IR2130 芯片具有以下一些特點 . 22 5.4.2 IR2130 結構原理圖 . 23 5.5 電機驅動的設計 . 24 5.5.1 自舉電容的選擇和計算 . 25 5.5.2 PWM 驅動信號隔離電路 . 25 5.6 霍爾傳感器信號電路 . 27 5.7 正交編碼脈沖信號電路 . 28 5.8 控制器保護電路設計 . 28 5.9 本章小結 . 30 6 控制系統(tǒng)的設計 . 31 6.1 控制系統(tǒng)設計的基本原則 . 31 6.2 軟件的設計 . 31 6.3 DSP 集成開發(fā)環(huán)境 CCS . 31 6.4 主程序的設計 . 32 6.4.1 系統(tǒng)初始化模塊 . 37 6.4.2 事件管理器模塊 . 38 6.4.3 捕捉模塊（ cap） . 39 6.4.4 QEP 正交編碼器脈沖電路 . 40 6.4.5 ADC 模數轉換模塊 . 41 6.4.6 SCI 模塊 . 42 6.4.7 PID 算法流程圖如所示 . 44 6.4.8 電流采樣數字濾波 . 45 6.5 本章小結 . 46 7 結論與展望 . 47 7.1 結論 . 47 7.2 不足之處及未來展望 . 47 致 謝 . 47 參考文獻 . 48 1 緒論 1.1 本課題的研究內容和意義 隨著科學技術的不斷進步，現代機電系統(tǒng)的運動狀態(tài)越來越復雜，系統(tǒng)控制的要求也越來越高。電動機控制越來越 多的應用電動機控制技術，電動機計算機控制具有數值運算，邏輯判斷及信號處理功能。 DSP 有為實現某一具體特定功能設計的不可編程 DSP，如 FFT 變換器；還有可以通過實現編程實現不同的信號處理功能，具有通用性和靈活性的可編程 DSP。 可編程 DSP 作為面向信號處理任務和計算型任務器件，既可以單獨應用，又可以和其他的處理器或多個 DSP 一起，構成多處理器系統(tǒng)，使用靈活，適應性強。 DSP 系統(tǒng)設計結構簡單。 DSP 控制電機有以下優(yōu)點：靈活性好，實時性好，存儲能力強，邏輯運算能力強，精度高，穩(wěn)定性好，可靠性高，具有自診斷能力 ，抗干擾性強，功能多。 DSP 控制無刷直流伺服電動機。隨著電子技術的發(fā)展，微型處理器的發(fā)展，其運算速度及信息量的處理及可靠性和穩(wěn)定性有了很大的提高，單片機以數字控制能力強為特點，但只能處理簡單的系統(tǒng)。 DSP 以運算速度快為顯著特點。如今電機控制對控制器要求有強大的 I/O 控制功能，又要求控制器有高效的數字信號處理能力以實現實時控制的目的。如今 DSP 價格不斷降低且開發(fā)工具不斷的簡化，易于開發(fā)者使用。使得如今在實現控制高要求的同時，其使用成本也不斷降低。 1.2 國內外的發(fā)展概況 DSP 芯片誕生于 20 世紀 70 年代末 ，至今已經得到了突飛猛進的發(fā)展，目前經歷了三個發(fā)展階段。 第一階段， DSP 的產生階段（ 20 世紀）。 DSP 芯片出現之前，數字信號的處理是依靠通用微處理器（ MPU）來完成。由于通用微處理器的處理速度較低，難以滿足實時高速處理的要求。由于具有內部單周期的乘法器，使得芯片的運算速度與數據處理能力及運算精度受到了很大的限制。 TI 公司的第一代 DSP 芯片 TNS32010，它通過改進哈佛結構，允許程序存儲空間與數據存儲空間之間的數據相互傳輸，大大提高了運算速度和編程的靈活性。 第二階段， DSP 的成熟階段（ 20 世紀 90 年代） ，這個時期，國際上許多著名集成電路公司都相繼推出了自己的產品。如 TI 公司的 TMS320C20， 30， 40 系列 ,AT&T 公司的 DSP32等。 DSP 成熟階段的 DSP 器件在硬件結構上相比于 DSP 雛形階段更加適合對數字信號處理，新加了進行硬件乘法功能，硬件傅里葉變換功能和單指令濾波處理功能，單指令的周期是 80-100ns。如 TI 公司的 TMS320C20，它是該公司推出的第二代 DSP 處理器，采用了CMOS 的制造工藝，使得 DSP 的的運算能力和速度，以及他的儲存能力都得到成倍的提高，為未來語音的處理和圖像的硬件處理技術發(fā) 展奠定了基礎。 第三階段， DSP 完善階段（ 21 世紀后）。 DSP 不僅信號處理能力不斷的到加強和完善， 而且系統(tǒng)開發(fā)的更加實用，容易被用戶所應用、 DSP 程序的編輯更加的靈活，調試也越來越方便、應用 DSP 所需要的成本相比從前不斷下降。隨著技術的發(fā)展使得各種通用外設集成到片上，從而大大的提高了數字信號處理能力。目前， DSP 芯片已經廣泛應用到自動控制、圖像處理、網絡設備和儀器儀表等領域中，為數字信號處理打下了高效而可靠的硬件基礎。 目前，我國的 DSP 產品主要來自于海外。 1983 年 TI 公司的第一代產品 TMS32010 最先 進入中國市場，以后 TI 公司通過提供 DSP 培訓課程，使該公司 DSP 產品的市場份額不斷擴大?，F在 TI 公司的 DSP 產品約占國內市場的 90%。 相對于國外應用開發(fā)的情況，我國還存在著相當大的差距。近年來，在國內一些 DSP專業(yè)用戶的推動下， DSP 的應用在我國日漸普及。除此之外，國內許多高校相繼建立了DSP 實驗室，開設了相關的課程，這對 DSP 在我國的發(fā)展期了關鍵作用。 進入 21 世紀以后，中國新興的數字消費類電子產品進入增長期，市場呈高增長姿態(tài)，普及率提高，從而帶動了 DSP 吃長的高速發(fā)展。 未來的 10 年，全球的 DSP 產品 將向著高性能，低功耗，加強融合和拓展多種應用的趨勢發(fā)展， DSP 芯片將越來越多的滲透到各個電子產品當中的，成為各種產品尤其是通訊類電子產品技術的核心 1。 (1)DSP 的內核結構將進一步改善； (2)DSP 和微處理器的融合； (3)DSP 和高檔 CPU 融合； (4)DSP 和 FPGA 的融合； (5)DSP 的并行處理； (6)功耗越來越低。 1.3 本課題應達到的要求 (1)熟悉 DSP 的發(fā)展歷程； (2)熟練掌握 DSP 的原理以及硬件結構； (3)熟練掌握 DSP 根據設計要求設 計相應的外圍電路； (4)掌握 DSP 集成開發(fā)環(huán)境 CCS； (5)能夠熟練使用 C 語言進行編程； (6)熟練使用 CCS 開發(fā)軟件。 2 電機的選擇及其結構 每一個傳動控制系統(tǒng)，都必須有控制電機基本元件，主要是用于完成控制信號的傳遞與變換。控制電機可以做為執(zhí)行元件或是測量元件?，F在市場主要有步進電機和伺服電機。 2.1 步 進電機 步進電機又可以叫電脈沖馬達。步進電機是將電脈沖控制信號轉換成電機轉子角位移的執(zhí)行元件。每當電機繞組接受一個電脈沖，轉子就會轉過一個相應的步距角。它每接受一個脈沖，其轉子轉過一個相應的步距腳。轉子的角位移的大小及轉速分別與輸入的電脈沖數及其頻率成正比，并在時間上與輸入脈沖同步，只要控制輸入電脈沖的數量、頻率以及電機繞組通電相序即可獲得所需的轉角、轉速及轉向，很容易用微機實現數字控制 2。 步進電機應滿足以下基本要求 :在電脈沖的控制下，步進電機能迅速啟動，正反轉，制動和停車，調速范圍寬，步進電機的步距 角要小，步距精度要高，不丟步，不越步，工作頻率高，相應速度快 2。 步進電機的矩角特性，即控制繞組通電狀態(tài)不變時，電磁轉矩與轉子偏轉角的關系。 )(fT （ 2.1） e靜 穩(wěn) 定 區(qū)02穩(wěn) 定 平 衡 點Ts m2T 圖 2.1 步進電機矩角特性 步進電機的最大動態(tài)轉矩頻率的關系成為矩頻特性。如下圖所示，在一定的控制范圍內，隨著頻率的升高，步進電機的功率和轉速都相應的 提高，超出范圍則隨頻率升高轉矩下降，步進電機帶負載的能力逐步下降，知道帶不動。 f0T d m 圖 2.2 步進電機矩頻特性 2.2 伺服電機 伺服電機又稱執(zhí)行電機，在控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，其功能是將電信號轉換為軸上的角位移或角速度輸出，以帶動控制對象。通過改變電壓的大小和極性，就可以控制伺服電動機的轉速，轉向，啟動和停止 2。 伺服電機中又可分為直流伺服電機和交流伺服電機。 直流伺服電機的基本結構和工作直流他勵電動機。通常分為電磁式和永磁式兩種。 T enU a 3U a 2U a 1U a 1 U a 2 U a 30 圖 2.3 直流伺服電機的機械特性 T s死 區(qū)0U an 圖 2.4 直流伺服電機的調節(jié)特性曲線 直流伺服電機具有良好的線調節(jié)特性和時間響應。機械特性硬。 2.3 選擇電機 直流伺服電機的機械特性和調節(jié)性能都是線性的，機械特性硬，而交流的是非線性的。直流伺服電機的動態(tài)響應會比交流伺服電機的快。直流伺服電機不會產生自轉，但是交流伺服電機可能會產生自轉現象，故本文選擇直流伺服電機。 2.4 本章小結 熟悉市場上所擁有的電機，并對 它們大概進行了了解，并對步進電機和交流伺服電機進行比較，然后對伺服電機進行詳細介紹，并對直流和交流伺服電機進行詳細的比較。擇無刷直流伺服電動機作為控制電機。 3 無刷直流電機的工作原理及數學模型 3.1 無刷直流電動機的結構 一種用電子換向的小功率直流電機。又可稱為無整流子直流電機、無換向器電機。它是用功率開關管取代普通直流電動機中的機械換向器，從而構成無換向器的直流伺服電動 機。這種無刷直流伺服電動機的結構簡單，運行可靠，沒有火花，電磁噪聲比較低，廣泛應用于現代生產設備 1。 無刷直流伺服電動機由于沒有電刷和換向器彌補了以前機械換向器穩(wěn)定性問題以及對通訊設備的干擾問題。它主要有電動機轉體，轉子位置傳感器和功率電子開關電路組成電器原理圖如下圖所示： 直 流 電 源 控 制 和 驅 動 電 路 電 機 負 載位 置 傳 感 器 圖 3.1 直流伺服電機原理圖 無刷直流伺服電動機將電樞放在定子上，把轉子做成永磁體，一直產生穩(wěn)定的磁場，通過上述的辦法可以減去機械換向器，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，無刷直流伺服電機的結構與普通直流伺服電動機的結構相反；如果定子 上的電樞通上電流時，由于電壓不會改變，所以定子電樞上的只會產生穩(wěn)定不變的磁場，由于轉子也是產生不變的磁場，所以電機最多只會旋轉 90 度。為了使電動機轉起來，必須讓定子電樞產生一個能穩(wěn)定變化的磁場，這樣轉子才能跟著變化的磁場旋轉，可以講定子變化的磁場與轉子永磁磁場始終保持一定的角度，并產生穩(wěn)定的轉矩是電機不斷的旋轉起來。 綜上所述，組成直流無刷電機各主要部件包含： (1)電機主體：主定子、主轉子； (2)電子開關線路：功率邏輯開關、位置信號處理； (3)位置傳感器：傳感器定子、傳感器轉子。 無刷直流電機 是永磁同步電機的一種。它產生的反電勢是方形波。英文簡稱 BLDC。無刷直流電動機算是在交流伺服電動機的范疇。 3.2 無刷直流伺服電動機的位置檢測裝置 無刷直流電機要實現正反轉，要根據轉子位置信號確定電樞繞組的正確換向，是的定子電樞繞組所產生的磁場與轉子的旋轉磁場始終保持在 90 度的范圍內。 位置傳感器可分為兩種，直線和角位移式。常用的直線位移傳感器有直線位移定位器等，它的特點是工作原理簡單、測量精度高和可靠性強；角位移傳感器式具有可靠性高、成本低。角位移器還可使用增式光電編碼器。 如今轉子位置傳感器主要分為： 敏感式、耦合式、諧振式、接近式。 (1)敏感式：利用敏感元件來檢測轉子的位置信息，并用輸出電信號來控制各相的導通；常用的敏感元件有光敏式位置傳感器，例如光電二極管和光電三極管和磁敏式位置傳感器，例如霍爾元件，磁敏二極管和磁敏三極管； (2)耦合式：變壓器耦合和高頻空心線圈耦合等； (3)諧振式：諧振電路是電感和電容等元件組成的，如果和諧振相等時，共振現象輸出最強，以達到控制電樞通斷的能力； (4)接近式：主要有接近開關。 3.2.1 霍爾傳感器 由于無刷直流伺服電動機的轉子采用的是永磁體，因此常用磁敏式霍爾 傳感器來檢轉子的位置。每相繞組都有一個霍爾傳感器?；魻栁恢脗鞲衅鬏敵龅倪壿嬓盘柦涍^邏輯處理后，可以實現功率控制器上的開關通斷順序控制。 霍爾效應：將矩形半導體薄片置于磁場中，在薄片兩端通以控制電流 I，則在薄片的另外兩側就會產生一個電勢 E，這就是霍爾效應。 霍爾電勢與控制電流的關系： BldRE H (3.1) 霍爾常數HR 當磁感應強度與霍爾元件的平面法線方向成一定角度 時 ： cosBldRE H (3.2) 霍爾電勢很小，霍爾元件傳感器是將霍爾元件與放大電路結合起來制成霍爾集成放大電路 霍 爾 元 件放 大 裝置U oG N DU c c輸 出功 率 放 大 圖 3.2 霍爾集成電路內部原理圖 3.2.2 定子繞組連接方式 (1)非橋式（半橋式） 半控型： 磁場方向的厚度d CBAU s 圖 3.3 三相半橋主電路 CBAU sD 圖 3.4 四相半橋主電路 (2)橋式 全控型： U sABCV T 1 V D 1 V T 3V D 3V T 5V D 5V T 2V D 2V D 6V T 6V D 4V T 4 圖 3.5 星形連接三相橋式主電路 U sABCV T 1 V D 1 V T 3V D 3V T 5V D 5V T 2V D 2V D 6V T 6V D 4V T 4 圖 3.6 三角形聯(lián)結三相橋式主電路 3.2.3 開關管控制方法 位置檢測器的三個輸出信號通過邏輯電路控制這些開關管的導通和截止，其控制方式有兩種：二二導通方式和三三導通方式。 二二導通方式：開關管的導通順序決定共有 6 種導通狀態(tài)，間隔 60電角度改變一次導通狀態(tài)，每改變一次狀態(tài)更換一個開關管，每個開關管導通 120電角度，每相繞組導通 240 當 V1 ,V2 導通時，電流的線路為：電源 V1 A 相繞 組 C 相繞組 V2 地 。 其中 A 相繞組和 C 相繞組相當于串聯(lián) .這種連接方式。比半橋方式繞組的利用率增加了，輸出轉矩也增加了。 三三導通方式：開關管的導通順序決定共有 6 種導通狀態(tài)，間隔 60電角度改變一次導通狀態(tài)，每改變一次狀態(tài)更換一個開關管，每個開關管導通 180電角度，導通的時間增加了。 當 V1 ,V2， V3 導通時，電流的線路為：電源 V1V3 A 相繞組和 B 相繞組 C相繞組 V2 地 ，其中 A 相繞組和 B 相繞組相當于并聯(lián)，在與 C 相串聯(lián) .因為三相同時通電，產生的轉矩分量互有抵消，所以總的轉矩并不比 二二導通方式大。 半橋與全橋驅動之間的比較： (1)繞組的利用率 斷續(xù)通電是無刷直流電動機的繞組的通電方式，適當提高繞組的通電率可以提高效率。四相比我三相差，無相比四相差，半橋比全橋差。 (2)轉矩波動 相數越多，轉矩波動越小，全橋的轉矩波動比半橋的小。 (3)電路成本 相數越多所需要的開關管越多，所需要的成本就越高。半橋結構和成本都比全橋低。 目前市場上，星形聯(lián)結三相全橋應用就廣泛。 兩兩導通方式：電機旋轉一周共有六次繞組換相，相鄰兩次換相時刻轉矩夾角 60。按照規(guī)定順序旋轉下去，電機就可 以旋轉下去，無刷直流電機轉矩是脈動的，輸出轉矩是一個平均轉矩。 圖 3.7 無刷直流電動機的轉矩圖 3.3 無刷直流電機的暫態(tài)數學模型 由于稀土永磁無刷直流電動機的氣隙磁場、反電 勢以及電流是非正弦的，因此不能采用直、交鈾 坐標變換的分析方法。通常，直接利用電動機本 身的相變量來建立數學模型。 當繞組是星形接法時，且沒有中性線，則： 0 cba iii 且： acb MiMiMi 帶入模型，有： cbacbacbacbaeeeiiiPMLMLMLiiiRRRuuu000000000000 (3.3) 其中： cca iii , 是定子相電壓； M 兩相繞組互感； L 兩相繞組自感； E 相感應電動勢； P 微分算子。 電磁轉矩： )( ccbbaa ieieieT (3.4) 2EIT (3.5) 電磁功率為 ： )( ccbbaae ieieieP (3.6) 即 EIP 2 (3.7) E