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基于DSP的无刷直流电动机控制系统的设计样本
基于DSP无刷直流电动机控制系统设计
摘要:
随着计算机技术、电力电子技术、微电子技术和当代控制理论飞速发展,直流电动机控制系统正逐渐向数字化、智能化方向发展。
在直流电动机控制系统中,老式模仿系统已经不适应这一趋势发展。
DSP技术引入不但解决了这一问题,并且同步大大提高了控制系统控制精度、实时性和可靠性;提高了系统效率,大大减轻了工作人员劳动强度。
论文简介了采用美国TI公司生产TM$320F2812型DSP芯片无刷直流电动机控制系统基本构造和工作原理,并详细简介了基于DSP技术无刷直流电动机控制系统硬件电路及软件设计。
核心词:
无刷直流电动机;TMS320F2812;电机控制系统;霍尔传感器;
DSP-basedBrushlessDCMotorControlSystemDesign
AbstractWithcomputertechnology,powerelectronicstechnology,microelectronictechnologyandmodecontroltheorytherapiddevelopmentofDCmotorcontrolsystemisgraduallytodigital,intelligentdirection.InDCmotorcontrolsystems,traditionalanalogsystemsarenotsuitedtothistrendofdevelopment.TheintroductionofDSPtechnologywillnotonlysolvetheproblem,butatthesametimegreatlyimprovethecontrolsystemsofcontrolprecision,real-timeandreliability;improvetheefficiencyofthesystem,greatlyreducesthelaborintensityofstaff.ThispaperintroducestheuseoftheUnitedStatesproducedbyTI-basedDSPchipTM$320F2812BrushlessDCMotorControlSystemofthebasicstructureandworkingprincipleandgavedetailsofDSP-basedbrushlessDCmotortechnology,controlsystemhardwareandsoftwaredesign.Keywords:
brushlessDCmotor;TM$320F2812;motorcontrolsystem;Digitalsignalprocessor
引言
过去,直流电动机大多采用电刷和滑环构成机械整流子进行机械换向,而这种机械换向方式具备噪声大、火花、无线电干扰、寿命短等缺陷。
当前,电子换向式电流无刷电动机不但克服了机械换向式缺陷,并且既具备交流电动机构造简朴、运营可靠、维护以便等一系列长处,还具备直流电动机运营效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多长处。
再加上近年来电力电子技术飞速发展、新材料和新型电力电子器件不断涌现,为直流无刷电动机推广应用打下了坚实基本。
直流无刷电动机在航空航天、机器人控制、医疗器械、仪器仪表、家用电器等诸多领域得到了广泛应用。
近年来。
随着DSP芯片制造和使用技术不断成熟,基于DSP无刷直流电动机控制系统研究越来越被人们所注重。
基于DSP无刷直流电动机控制正逐渐取代基于单片机无刷直流电动机控TMS320F2812是美国德州仪器公司(TI公司)专门为工业应用而设计新一代DSP解决器。
该芯片采用了高性能32位中央解决器、哈佛总线构造,高性能静态CMOS技术,主频最高可达150MHZ(时钟周期为6.67ns);具备外部存储器接口XINTF,可扩展多达1MB存储空问。
一、驱动控制工作原理
1.1系统交联关系
图l是系统交联关系框图,执行机构使用直流无刷电机作为驱动本体。
控制计算机给驱动控制系统发出控制信号,驱动控制系统把控制信号转换成相应功率信号驱动执行机构巾电机运动。
图1系统交联框图
驱动控制系统可以实现数字控制和速度控制。
数字控制是指控制系统只需给定目的位置,运营速度规划由驱动控制系统自动完毕;速度控制是指控制系统按周期规划好运动速度,驱动控制系统依照其指定速度进行运动,然后把位置信息反馈给控制计算机。
1.2驱动控制系统原理
图2、3分别是驱动控制框图和原理图。
驱动控制板与电机信号接口有三相功率信号接口、霍尔传感器换向接口、编码器角度位置反馈接口,驱动控制板对外接口有数字通信接口、速度控制模仿输入接口、位置反馈接口和报警检测接口等。
图2:
驱动控制原理框图
驱动控制系统由DSP控制子系统和功率放大器构成,DSP子系统根据位移、速度及加速度参数设定实现电机位置环、速度环和电流环控制,即实现数字化驱动,产生PWM驱动三相功率放大器,然后输出A、B、C信号驱动电机运转;电机内侧霍尔换向传感器信号决定当前那个功率管导通。
编码器发出两相相差900脉冲信
图3:
DSP和驱动原理
号,通过对脉冲数计数,可知电机当前角位移,即实现位置闭环控制。
驱动控制系统通过数据通信接口或模仿信号接口与上位机通信,交互电机运营状态信息和位置信息等。
二.系统硬件设计
2.1驱动控制系统构造设计
驱动控制系统由DSP控制板和功率驱动板构成,DSP控制板负责数据通信、控制算法和监控,功率驱动板涉及功率放大电路、电流检测电路、接口电路和电源变换电路等。
两块板连接形式如图4所示,采用背靠背连接,中间走两板之间信号,旁边为固定螺丝孔,这种构造牢固,模块化设计便于维修。
2.2控制板原理设计
2.2.1控制板硬件设计
控制板硬件原理框图如图5所示,涉及两个接口,即系统接口和功率驱动板接口。
由于采用集成度高器件,板上器件比较少,重要有DSP解决器、RAM、电源模块、信号隔离、通信电平转换接口、模仿信号接口、IO离散量转换接口,其中电源模块是把5V电源转换成为DSP解决器需要3.3V和1.8V电源;信号隔离是指DSP信号电平3.3V,而外部信号电平5V,若5V信号直接输入到DSP引脚会烧坏DSP解决器,因而需要在3.3V和5V加入信号隔离器件;通信接口是提供传播数据接口电平;IO离散量即转换成某军工控制系统需要信号电平。
2.2.2核心器件简介
TMS320F2812是TI公司为电机驱动控制研制专用控制芯片,该器件重要特点如下:
(1)32位定点CPU;
(2)150MHz时钟频率;
图4:
硬件构造示意图
(3)128K×16位片上FLASH存储器;
(4)18K×16位单周期片内RAM;
(5)4K×16位BOOTROM;
(6)两个事件管理器(EVMA、EVMB);
(7)两个UART接口模块(SCIA、SCIB);
(8)CAN2、OB接口模块;
(9)12位、16通道A/D模块,80ns转换时间,0—3V模仿电压范畴;
(10)3个32位CPU定期器;
(11)3个外部中断;
(12)56个通用I/O引脚。
图5:
控制板硬件原理框图
事件管理器EVM模块重要涉及:
(1)8通道16位PWM;
(2)死区产生和配备单元;
(3)正交脉冲编码接口QEP;
(4)3个捕获单元,捕获直流无刷霍尔换向信号;
(5)外部可屏蔽功率或驱动保护中断。
由于该款芯片具备事件管理器,特别适合于做电机驱动控制。
2.2.3通信接口设计
TMS320F2812具备双通道串口和CAN总线接口,在设计中运用既有通信接口来实现需要功能开发。
串口是最惯用通信方式,故系统设计中采用串行接口。
2.3功率驱动板原理设计
2.3.1功率驱动板硬件设计
功率驱动板硬件原理框图如图6所示,涉及功率驱动、电平转换接口和检测电路。
功率MOS模块和单相桥驱动芯片构成电机功率模块,驱动电机工作,其她电路用于保证电机可靠地运营。
2.3.2三相桥驱动芯片
IR2132可用来驱动工作在母电压不高于600V电路中功率MOS门器件,其可输出最大正向峰值驱动电流为250mA,而反向峰值驱动电流为500mA。
图6:
功率驱动板硬件原理框图
它内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁和批示网络,使顾客可以便用来保护被驱动MOS门功率管。
器件门极驱动信号产生互锁延时时间,可以防止同一桥臂上、下两个功率管同步导通。
它自身工作和电源电压范畴较宽(3—20V),在它内部还设计有与被驱动功率器件所通过电流成线性关系电流放大器,电路设计还保证了内部3个通道高压侧驱动器和低压侧驱动器可单独使用,亦可只用其内部3个低压侧驱动器,并且输入信号与TTL及COMS电平兼容。
2.3.3电流检测电路
一方面,电流检测是用分压电阻R来实现,经运算放大电路放大后送人DSPADC输入端,A/D转换最大转换电压为3V,每一次PWM周期对电流采样一次,PWM周期设为50µs,即电流采样频率为20KHz。
另一方面,要拟定何时对电流采样。
直流无刷电机采用全桥双极性驱动,即两个对角开关管上、下桥臂开关管都采用PWM控制,开关管在PWM周期“开”瞬间,电流上升并不稳定,也不适当采样,因此电流采样时刻在PWM周期“开”期间中部,如图7所示,对V1、V6开关管控制波形。
电流检测电路设计重要是分压电阻参数、电压跟随等设计,由于采用直流无刷三相电机,故需要有三个电流通道。
图7:
PWM控制时电阻压降波形
2.3.4霍尔换相电路
为了保证得到恒定转矩,必要要对三相直流无刷电机进行换相。
掌握好恰当换相时刻,可以减少转矩波动。
电机换相信号是通过三个霍尔传感器得到。
每个霍尔传感器产生180。
脉宽输出信号,如图8所示三个霍尔传感器输出信号互相差120。
相位,在每个机械旋转中共有六个上升或下降沿,正好相应六个换相时刻。
只是懂得换相时刻还不能对的换相,还需要懂得应当换哪一相。
TMS320F2812捕获端口设立为I/O口,并检测该口电平状态,就可以懂得哪一种霍尔传感器什么沿触发捕获中断。
捕获端口电平状态称为换相控制字,换相控制字和换相相应关系参照软件没计。
霍尔换相电路就是对从霍尔传感器输出信号进行滤波,电平转换电路。
2.5软件设计方案
2.5.1软件设计规定
采用c语言编制和模块化设计。
2.5.2软件总体功能
软件系统工作重要完毕驱动控制系统功能选取模式、运营参数没置、电机控制算法、数据通信、模仿量采集、运营监视和其她故障诊断工作。
电机控制算法是软件开发重点和难点,控制算法根据给定参数和电机实时反馈数据进行对电机实时控制,该模块性能直接影响到驱动控制系统性能;另一种工作软件冗余度设计和故障逻辑解决,重要用途是保证系统丁作可靠性和执行机构安全性。
三.核心技术
3.1数字化驱动控制系统设计
数字化驱动控制系统是指驱动控制系统接受某控制系统位置信息,驱动控制系统自动规划电机运动控制速度、位置检测,同步实时反馈当前电机工作状态和位置信息。
采用数字化驱动控制系统,可提高整个系统可靠性及控制精度。
为了保证此项核心技术实现,采用了如下办法和办法:
(1)采用集成度高、频率高DSP芯片,选用TMS320F2812器件其工作频率可达150MHz;
(2)电机三环控制由软件实现,t环为位置环、速度环、电流环,避免了模仿电路中模仿元器件由于受环境因素影响而发生时漂、温漂,影响控制精度;
(3)驱动控制系统采用串口/CAN总线进行数据交互;
(4)速度规划采用直线加降速算法保证运营稳定;
(5)轨迹点预先持续规划,某军工自动控制系统给定是离散位置点,驱动控制系统通过轨迹拟合算法,使各个位置点平滑过渡,避免r电机频繁停止启动,有助于提高电机寿命和运营平稳性。
3.2双通道设计
双通道是指一种控制板有两个驱动电机电气通道,一种通道控制一种电机,每个通道都可以独记工作。
若检测到功率驱动硬件异常,及时启动另一通道工作。
双通道设计即驱动控制系统引入冗余设计思想,提高驱动控制系统安全性、可靠性。
为了保证此项核心技术实现,采用如下办法和环节:
(1)在硬件电路设计中,引入功率驱动自检电路,通过自检电路可以拟定是电机故障、功率驱动电路故障、软件故障;
(2)在发生故障时,一方面进行软件自检测。
(3)在软件设计中,引入冗余没计,对DSP两个EVM事件管理器进行分别控制,同步实时监视通道中硬件工作状态;
(4)软件复位,并告知工业控制计算机当前故障因素。
四.总结
本文对直流无刷电动机特点及新型DSP芯片TMS320F2812性能等作.r详细简介,并对基于DSP无刷直流电动机控制系统设计作了认真分析和简介,并将该设计应用于某军工控制系统,获得r非常好效果,为DSP芯片TMS320F2812在直流无刷电机控制系统中开发、利JH,作了较好摸索,具备一定理论和实践价值。
本文作者创新点:
采用成熟技术,减少研制风险;采用集成化、模块化,提高可靠性和维修性;采用数字化设计,提高数据传播可靠性;采用双通道设计,提高系统安全性。
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