1 引言

　　無刷直流電機(jī)利用電子換向器取代了傳統(tǒng)直流電機(jī)中的機(jī)械電刷和機(jī)械換向器，因此不僅保留了直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率高和調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)，又具有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。由于不受機(jī)械換向限制，易于做到大容量、高轉(zhuǎn)速，目前在航天、、數(shù)控、冶金、醫(yī)療器械等領(lǐng)域已得到大量應(yīng)用。TMSF2812 DSP是TI公司新推出的基于TMS320C2xx內(nèi)核的定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器。器件上集成了多種先進(jìn)的外設(shè)，具有靈活、可靠的控制和通信模塊，完全可以采用單芯片實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制系統(tǒng)的控制和通信功能，使得電機(jī)控制系統(tǒng)簡單化、模塊化，為電機(jī)及其他運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)提供了良好的平臺(tái)。本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于TI公司TMS320F2812 DSP芯片的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，功能完善。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用三相Y型永磁方波無刷電機(jī)PWM控制方案，通電方式為兩兩通電。圖1給出控制系統(tǒng)原理框圖。它采用全數(shù)字三閉環(huán)控制。其中，電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，速度環(huán)采用遇限削弱積分的積分分離PID控制算法，它的輸出極性決定了正反轉(zhuǎn)方向，從而可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行。位置環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器。逆變器采用全橋型PWM調(diào)制。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　TMS320F2812是控制電路的，為一款的電機(jī)控制專用DSP芯片，它是TI公司在TMS320C2000平臺(tái)上使用32位內(nèi)核的DSP，運(yùn)行速度可達(dá)150MIPS，實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)，能應(yīng)用于很多復(fù)雜的控制算法；高性能低功率，采用1.8V內(nèi)核電壓和3.3V外圍接口電壓；片上有128kFlash和1 8k內(nèi)部Saram，可外擴(kuò)1M的統(tǒng)一編址存儲(chǔ)器，應(yīng)用起來更加靈活方便、快速；兩個(gè)事件管理模塊為電機(jī)控制提供了良好的控制功能；另外還有16路12bitA／D可靈活設(shè)置采樣方式；擁有兩個(gè)SCI口和一個(gè)SPI口，增加了數(shù)據(jù)緩存能力，傳輸頻率可達(dá)MHz量級(jí)；串行通訊模塊還包括增強(qiáng)的eCAN總線和新增的McBSP，能滿足多種通訊的需要，這些可省去復(fù)雜的外圍電路，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性。

　　圖2給出基于TMS320F2812的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。采用TMS320F2812作為控制器，用于處理采集到的數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令。TMS320F2812控制器首先通過3個(gè)I／0端口捕捉直流電機(jī)上霍爾元件H1，H2，H3的高速脈沖信號(hào)，檢測(cè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，進(jìn)而改變直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中功率管的導(dǎo)通順序，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制。在系統(tǒng)運(yùn)行中，驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路檢測(cè)當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如果系統(tǒng)中出現(xiàn)過流或欠壓狀況，鎖存后繼PWM信號(hào)輸出，同時(shí)通過FAULT引腳拉低TMS320F2812控制器的PDPINTA引腳電壓，啟動(dòng)DSP控制器的電源驅(qū)動(dòng)保護(hù)。這時(shí)所有EV模塊的輸出引腳將被硬件置為高阻態(tài)，從而保護(hù)控制系統(tǒng)。以下主要介紹系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路、相電流檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路、系統(tǒng)保護(hù)電路等。

　　3.1 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路

　　控制無刷直流電機(jī)時(shí)，DSP控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子的當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)位置，發(fā)送相應(yīng)的控制字，通過改變PWM脈沖信號(hào)的占空比控制電機(jī)。無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置是由位置傳感器來檢測(cè)的。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了3個(gè)光電式位置傳感器（霍爾元件），它們是利用光電效應(yīng)制成的，由跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光板和固定不動(dòng)的光源及光電管等部件組成。

　　隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，光電管間歇接收從光源發(fā)出的光，不斷導(dǎo)通和截止，從而產(chǎn)生一系列“0”和“l(fā)”的信號(hào)。這些脈沖信號(hào)通過I／0端口傳輸給DSP，DSP讀取霍爾元件的狀態(tài)值，以確定轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置。再通過改變PWM信號(hào)的占空比控制驅(qū)動(dòng)電路，改變IGBT的導(dǎo)通順序，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的換相控制。并調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈，H1，H2，H3將出現(xiàn)10l→100→110→010→011→00l的6種狀態(tài)，DSP對(duì)每一種狀態(tài)發(fā)送相應(yīng)的控制字。改變電機(jī)的通電相序，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行。圖3給出電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制原理圖。

　　3.2 相電流檢測(cè)電路

　　電流反饋通道由霍爾元件、運(yùn)算放大器和A／D轉(zhuǎn)換器組成。電流反饋采用變比為1：1 000的磁平衡式霍爾元件，該元件的輸出為電流信號(hào)，并且信號(hào)較弱，必須經(jīng)過精密電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再經(jīng)過放大處理，得到電流的雙極性信號(hào)。因?yàn)镈SP中A／D轉(zhuǎn)換單元的輸入范圍是0～3.3 V（單極性），需要設(shè)計(jì)將雙極性信號(hào)變?yōu)閱螛O性的電路，再送到A／D轉(zhuǎn)換器。圖4給出電路原理圖。

　　3.3 驅(qū)動(dòng)電路

　　電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)電路采用IR2131（見圖5）。IR2131／IR2132是一種采用高壓、高速功率MOSFlET和IGBT的驅(qū)動(dòng)器。IR2131可同時(shí)控制6個(gè)功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷。通過輸出端口H01，H02，H03分別控制三相全橋驅(qū)動(dòng)電路中上半橋VQ1、VQ5、VQ5的導(dǎo)通和關(guān)斷，通過輸出端口L0l、L02、L03分別控制三相全橋驅(qū)動(dòng)電路中下半橋VQ4、VQ6、VQ2的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)。

　　3.4 系統(tǒng)保護(hù)電路

　　在無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，保護(hù)電路具有重要作用，可保護(hù)控制系統(tǒng)的器件DSP免受高壓、過電流的沖擊，同時(shí)也保護(hù)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路免遭損壞。整個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)電路主要由電路隔離、信號(hào)隔離和驅(qū)動(dòng)保護(hù)3部分組成。

　　3.4.1 隔離電路

　　信號(hào)隔離電路是把控制電路與驅(qū)動(dòng)電路之間的控制信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過光電隔離器進(jìn)行信號(hào)隔離，實(shí)現(xiàn)不同電壓之間的信號(hào)傳輸，如圖6所示。該隔離電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP的6路PWM輸出信號(hào)與IGBT的光電隔離，并實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和電平轉(zhuǎn)換功能。

　　3.4.2 保護(hù)電路

　　為保證系統(tǒng)中功率轉(zhuǎn)換電路及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路安全可靠工作，TMS320F2812還提供了PDPINT輸入信號(hào)，利用它可方便地實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的各種保護(hù)功能。圖7給出具體實(shí)現(xiàn)電路。各種故障信號(hào)由CD8128綜合后，經(jīng)光電隔離輸入到PDPINT引腳。有任何故障狀態(tài)出現(xiàn)時(shí)CD8128輸出低電平，PDPINT引腳也被拉為低電平。此時(shí)，DSP內(nèi)的定時(shí)器立即停止計(jì)數(shù)，所有PWM輸出引腳全部呈高阻狀態(tài)。同時(shí)產(chǎn)生中斷信號(hào)，通知CPU有異常情況發(fā)生。整個(gè)過程不需程序干預(yù)，全部自動(dòng)完成，這對(duì)實(shí)現(xiàn)各種故障狀態(tài)的快速處理非常有用。

　　4 系統(tǒng)與上位機(jī)的通訊

　　系統(tǒng)采用SCI接口完成與上位機(jī)的通訊功能，采用RS－232通信，通過上位機(jī)給定位置量。同時(shí)控制過程中電機(jī)的速度、電流、位置反饋量等參數(shù)，以實(shí)時(shí)發(fā)送上位機(jī)顯示；SPI接口完成串行驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示功能。通過數(shù)字I／O擴(kuò)展的鍵盤設(shè)定位置給定量，由數(shù)碼管顯示。

　　5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　在硬件電路的基礎(chǔ)上，通過軟件編程得到圖8所示的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中，圖8（a）為系統(tǒng)在常規(guī)PID控制下的系統(tǒng)跟蹤特性曲線；圖8（b）為系統(tǒng)在模糊PID系統(tǒng)跟蹤特性下的試驗(yàn)曲線。

　　6 結(jié)語

　　采用TMS320F2812為設(shè)計(jì)的數(shù)字伺服系統(tǒng)，解決了伺服系統(tǒng)中PWM信號(hào)的生成、電機(jī)速度反饋及電機(jī)電流反饋問題，方便地實(shí)現(xiàn)了保護(hù)功能，極大地簡化了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性，減小了伺服系統(tǒng)的體積。降低了成本（降低約20％）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。

參考文獻(xiàn):

[1]. TMS320F2812 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/TMS320F2812_1116432.html.
[2]. IR2131 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/IR2131_406772.html.
[3]. IR2132 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/IR2132_760988.html.