基于TMS320LF2407A的永磁无刷直流电动机伺服控制系统设计.docx

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1、基于TMS320LF2407A的永磁无刷直流电动机伺服控制系统设计基于TMS320LF2407A的永磁无刷直流电动机伺服控制系统设计dujing导语：本文首先介绍了永磁无刷直流电动机的特点，然后给出了基于TMS320LF2407ADSP的伺服控制系统的总体设计方案摘要：本文首先介绍了永磁无刷直流电动机的特点，然后给出了基于TMS320LF2407ADSP的伺服控制系统的总体设计方案，同时给出了硬件系统设计思想和软件系统设计流程及系统抗干扰方案，并进展了仿真，结果说明该方案大到了很好的控制效果。关键词：永磁无刷直流电动机；伺服控制；DSP；仿真DesignofPermanentMagnetBLD

2、CMotorServoControlSystemBasedonTMS320LF2407A永磁无刷直流电动机是一种新型电机，其构成的控制系统具有体积小、效率高、经济性好等众多优点，有宏大的开展潜力。TI公司消费的数字信号处理用具有精度高、可靠性强等优点，TMS320LF2407ADSP可以实现完好的无刷直流电机控制功能。并可大幅简化控制电路，降低本钱及增加系统可靠度。采用DSP作为主控制单元的电机控制系统的硬件设计简单。本文介绍的就是基于数字信号处理器TMS320LF2407A永磁无刷直流电动机控制系统。1总体方案设计本系统中利用DSP实现永磁无刷直流电动机的全数字双闭环控制。给定转速与速度反应

3、量形成偏向，经速度调节后产生电流参考量，它与电流反应量的偏向经电流调节后形成PWM占空比的控制量，实现电动机的速度控制。电流的反应是通过检测电阻R上的压降来实现的。速度反应那么是通过霍尔位置传感器输出的位置量，经过计算得到的，同时位置传感器输出的位置量还用于换相控制。系统的原理框图如图1所示。2硬件系统设计在本系统中，控制器是其核心部件，它不仅要完成外部信号的处理，电机驱动信号的给定，更重要的是完成整个系统的控制策略。本系统以TMS320LF2407A器件为控制核心，充分利用TMS320LF2407A的高速信号处理才能和电机控制优化的外围电路，具有控制精度高，抗干扰才能强且本钱较低等优点，可以

4、为高性能传动控制提供可靠高效的信号处理与硬件控制。基于DSP的控制系统框图如图2所示。align=center图2基于DSP的控制系统框图/align2.1电流检测电流传感器是伺服系统中的一个重要元件。它的精度和动态性能直接影响着系统的低速性能和快速性。电流检测的方法有电阻检测，光耦检测等，本系统采用磁平衡原理实现的霍尔元件检测电流的方法。所用器件为霍尔效应磁场补偿式电流传感器。它是国际上推荐为电力电子线路中的关键电流检测器件。它把互感器、磁放大器、霍尔元件和电子线路的思想集成一体。具有测量、反应、保护三重功能。它实际上是有源电流互感器，它的优点是“磁场补偿，被测量的原边磁场同测量绕组里的测量

5、磁势，实时补偿为零，也就是讲，铁芯里实际上没有磁通，因此其体积可以做得很小，而不怕有铁芯饱和，不用担忧频率、谐波影响。之所以二者的磁势能被充分补偿，是由于霍尔效应的作用。一旦二者不平衡，霍尔元件上就会有霍尔电动势产生。它就作为以15V供电的差分放大器输入信号，放大器的输出电流即为传感器的测量电流，自动迅速地恢复磁势平衡，即霍尔输出总保持为零。这样电流的波形忠实的反映原边被测电流的波形，只是一个匝比的关系。2.2位置检测本系统中，位置信号是通过三个霍尔传感器得到的。每个霍尔传感器都会产生180脉宽的输出信号，如图3所示。三个霍尔传感器的输出信号互差120相位差。这样它们在每个机械转中共有6个上升

6、沿或者下降沿，正好对应着6个换相时刻。通过将TMS320LF2407A设置为双沿触发捕捉中断功能，就可以获得这6个时刻。需要留意的是，只有换相时刻还不能正确换相，还需要知道应该换哪一相。通过将TMS320LF2407A的捕捉口CAP1CAP3设置为I/O口，并检测该口的电平状态，就可以知道哪一个霍尔传感器的什么沿触发的捕捉中断。2.3速度计算利用光电编码器的检测信号，由DSP计算出电机转速。可以根据DSP的CAP/QEP引脚捕捉的A相和B相的信号，根据任意一相信号的上升沿及下降沿所对应的时间值可以方便的计算出速度值。也可以根据检测到的在固定时间内的脉冲数，与固定时间之比即为电机的速度值。速度计

7、算和速度调节所使用的参数存放在数据区300H开场的6个单元中，AR2作为数据的地址指针。各单元存放的变量如表1所列。align=center表1300H开场的6个单元中存放的变量/align3软件系统设计整个控制系统软件采用模块化设计思想，符合当前自上而下的主流设计思想。本系统中，CPU时钟频率为20MHz，PWM频率为20kHz。通过定时器1周期匹配事件启动ADC转换，使每个PWM周期都对电流进展一次采样，并在A/D转换中断处理程序中对电流进展调节，来控制PWM输出。转子每转过60机械角都触发一次捕捉中断，进展换相操纵和速度计算。系统的主程序流程图如图4所示。4系统的抗干扰设计要到达良好的系

8、统控制效果需要在系统设计中非常留意它的抗干扰性和可靠性。本系统由于采用高速DSP作为核心处理器，它的高频信号不仅轻易受到干扰，而且也会成为系统的干扰源，因此有必要对整个系统，十分是DSP局部的抗干扰及保护做更多的处理。硬件局部，控制系统的电源及功率驱动局部抗干扰措檀越要就是从防和抗两方面入手。其总原那么是：抑制或者消除干扰源；切断干扰对系统的耦合通道；降低系统对干扰信号的敏感性。抗干扰设计的详细措施包括：隔离、接地、屏蔽、滤波等常用方法。软件局部，本系统的软件主要采用了以下几种软件抗干扰设计：1软件陷阱法测试系统在碰到外界干扰时，往往会导致运行程序进入程序存储器的空白区即无指令区，这种现象叫做

9、程序“跑飞。于是在各子程序之间、各功能模块之间和所有空白处，都写上连续3个空操纵指令nop，后接一无条件转移指令，一旦程序跑飞到这些区域，就会自动返回执行正常程序。2程序的冗余设计在程序存储器的空白区域，写入一些重要的数据表和程序作为备份，以便系统程序被破坏时仍有备份参数和程序维持系统正常工作。由于TMS320LF2407A的数据存储以数据页为基准，假如对不同数据页的数据进展操纵而不指定相应的数据页，会导致程序跑飞。因此需要对程序未使用满的数据页进展填充，防止数据页混乱导致的系统误操纵.3软件看门狗设计TMS320LF2407A片内带有的软件看门狗可以监视软件的操纵，并提供可编程间隔的中断，在

10、CPU异常时实现系统的复位。正常情况下，DSP的主程序运行时，应该在不到看门狗定时器溢出时就执行喂狗逻辑，即向WDKEY中写入正确的值的组合来去除WD的计数器。当WDKEY没有在看门狗溢出前被喂狗，定时器通过提供系统复位来解除系统软件错误和CPU崩溃，然后软件再通过一次喂狗逻辑来去除WD的计数器WDCNTR。5实验结果本文在完成系统的硬件与软件设计的同时，为了防止了实际调试的盲目性，利用了数字仿真和计算机辅助设计CAD通过人机对话的方式来改变控制器的参数，采用MATLAB作为仿真软件，完成了无刷直流电动机基于N-PI神经网络PI控制系统的仿真。仿真结果如图5所示。图5左图为普通PI细实线控制和

11、N-PI粗实线控制下的直流无刷电动机的额定状态的运行经过的仿真曲线，可以看出，使用N-PI控制的超调量小，电动机能较快到达稳定状态。图5中图是在直流无刷电动机稳定运行后，把给定转速由1000r/min变成1100r/min时N-PI控制和普通PI控制仿真曲线的比拟，从图中可以看出N-PI比普通PI的调整时间短，N-PI可以迅速到达稳定，跟踪性能比拟好。图5右图是直流无刷电动机稳定运行之后，在0.06s时给直流无刷电动机突加负载的普通PI控制和N-PI控制仿真曲线的比拟，从图中可以看出N-PI控制比普通PI控制所受的影响要小得多，N-PI控制的鲁棒性比拟强。6完毕语由仿真结果可以看出，系统的响应

12、速度快，静态误差小，具有很好的静态和动态性能。另外，由于TMS320LF2407A的片上资源非常丰富，系统还可根据需要进展扩展，因此具有很强的实用性。参考文献：1王晓明，王玲.电动机的DSP控制TI公司DSP应用M.北京：北京航空航天大学出版社.20042秦继荣，沈安俊.当代直流伺服控制技术及其系统设计M.北京：机械工业出版社.19993刘和平，严利平，张学锋等.TMS320LF240xDSP构造、原理及应用M.北京：北京航空航天大学出版社.20024孙剑波，龚世缨，董亚晖.永磁无刷直流电机调速系统的仿真研究J.微电机，2001.2，25-285张深.直流无刷电动机原理及应用M.北京:机械工业出版社，19966张豫，陈静薇，梁振鸿.基于DSP的永磁同步电机全数字化矢量控制J.伺服技术，2001.3，48-50作者简介：尹艳清1978-，男，湖南衡阳人，助教，主要研究方向：自动控制与单片机技术。EMAIL：99021626163联络：0734-6098825通讯地址：湖南省衡阳市雷公塘14#电气与信息工程系邮政编码：4210080