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基于DSP的无刷直流电机控制系统的研究

作者：郭晋 王保松

来源：《硅谷》2011年第12期

摘要： 提出基于DSP芯片TMS320LF2407A的永磁无刷直流电动机的速度控制系统设计方案。首先建立无刷直流电动机的数学模型，根据其调速原理确定系统的控制结构、控制技术、控制策略及控制芯片；最后以TI公司的TMS3 20LF2407A为控制核心，完成系统硬件和软件设计。

关键词： DSP；无刷直流电动机；研究

中图分类号：TM33文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0620094－01 0 前言

无刷直流电机（Brushless Direct Current Motor-BLDCM）是以电子换向器代替传统的机械换向器，并且随着电力电子器件迅速发展而成熟起来的机电一体化电机产品。无刷直流电机因没有电刷而不需要定期维护，具有较高的可靠性，并且没有机械换向装置使之具有较高的转速和优良的调速性能。目前，无刷直流电机已经在机器人、电动车辆、医疗设备等众多领域取得了广泛的应用。 1 控制系统方案设计 1.1 控制结构

因为本系统的主要是控制无刷直流电机的速度，需要根据转子的位置信号确定换相操作，所以采用三环控制结构：电流环、速度环和位置环。 1.2 控制技术

由无刷直流电机的调速原理可以知道，该电机的转速是通过改变直流电压 来实现的，而直流电压的改变可采用PWM技术即调节PWM波的占空比。也就是说，在直流电源恒定供电的情况下，通过调节PWM波的脉宽来改变直流电压 ，实现对电机转速的控制。

PWM技术可分为单极性PWM控制和双极性PWM控制。采用单极性PWM控制的电流波动最大值只有采用双极性PWM控制的电流波动最大值的一半，因此为了减小电流脉动和功率管的开关损耗，本电机控制系统采用单极性的PWM控制技术。 1.3 控制策略

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由于无刷直流电动机控制系统转速静差率的存在，采用开环控制技术不能消除静差率，不能满足控制系统稳、准、快的三个基本要求，故在实际工程应用中的无刷直流电动机控制系统都是采用闭环控制技术来实现的。

在本系统的转速环调节器及电流环调节器都采用增量式控制算法。速度调节采用最通用的PID算法，以获得最佳的动态效果，转速环的输出为电流环的输入，由反馈的速度信号和给定的速度信号相减得到速度误差

。通过PID控制算法得到新的参考电流：

1.4 控制芯片

基于DSP控制器构成的电动机控制系统实际上是一个单片系统，因为整个电动机控制控制所需的各种功能都可由DSP控制器来实现。因此，可大幅度缩小目标系统的体积，减少外部元器件的个数，增加系统的可靠性。另外，由于各种功能都通过软件编程来实现，因此，目标系统升级容易、扩展性、维护性都很好。同时，DSP控制器的高性能使最终系统既可以满足那些对系统性能和精度要求较高的场合的需要，更可以满足那些要求比较低的系统。 综合本系统对控制芯片的要求和控制芯片之间的对比分析，本系统选择TMS320LF2407A作为无刷直流电动机的控制器的控制芯片。 1.5 位置传感器

位置传感器在直流无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。目前在直流无刷电动机中常用的位置传感器有以下几种形式：电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置传感器。本系统采用霍尔位置传感器作为位置检侧基准，这种检测方式不但对位置检测提供了很好的保障，而且位置信号和DSP之间都提供了非常方便的接口，从而达到了对电子开关高可靠性的控制。 2 系统硬件设计

基于用简单的硬件保证系统既定功能实现这一点，该控制器使用TI公司TMS320LF2407A电机专用控制DSP芯片作为主控芯片， 图1为控制系统框图。该控制器采用了PWM方式实现对无刷直流电机的控制。其基本原理DSP的PWNI输出端口经驱动芯片驱动六个功率场效应管，由其组成的三相全桥驱动电路对电机进行控制，位置检测和电流检测形成负反馈，位置检测的同时可以计算出电机转速参数，因此可以对电机进行位置环、速度环和电流环的三闭环控制。位置参数由无刷直流电动机自带的霍尔元件测出，并由TMS320LF2407A的CAP端口进行捕捉定位，反馈的电流量是通过检测旁路电阻上的压降来实现的，由DSP自带的A/D进

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行采样。位置信号用于控制换相，由位置参数计算出电机转速，和给定转速信号进行比较，修正偏差产生电流参考量，再与电流反馈量进行比较，其偏差经电流调节后形成PWM 占空比的控制量，实现电动机的速度与电流控制。

图1无刷直流电动机控制系统框图 3 系统软件设计

无刷直流电动机控制系统软件设计要求根据输入的转子霍尔位置信号和反馈电流信号对电机进行换相，实现PWM脉宽调制，达到对电机进行速度控制的目的。根据定义的功能，软件分为以下几个模块：初始化模块，电机启动模块，霍尔信号捕捉模块，换相模块，A/D转换模块。软件主体采用顺序结构，霍尔信号捕捉模块和A/D转换模块采用中断控制方式，图2为系统软件主程序的流程图，主要实现系统初始化以及电机启动，然后循环调用中断服务子程序。系统初始化完成对DSP系统寄存器、I/O端口、ADC单元、系统中断以及软件变量的设置，电机启动是根据读入CAPI.CAP2.CAP3

（电机启动时此三个端口设置成IO口功能）的霍尔传感位置信号导通相应的开关管对来完成的。在软件中霍尔信号捕捉模块和A/D转换模块都采用了中断控制的方式。 4 结语

电动机控制系统可以改善电机的性能，还可以达到节电的目的。本文以无刷直流电动机控制系统为研究对象，首先建立了无刷直流电动机的数学模型，以TI公司的TMS320LF2407A为控制核心，完成了系统硬件电路的设计和软件设计。研究表明，基于TMS320LF2407A的无刷直流电动机控制系统，遵循上述控制策略对无刷直流电动机进行控制，可以得到良好的控制性能及动态特性，具有比较广阔的应用价值和推广前景。

参考文献：

[1l张琛，直流无刷电动机原理及应用[M].北京：机械工业出版社，1996.

[2]陈璟华、汪锐、李日隆，基于TMS320C240芯片的永磁无刷直流电机控制器[J].中小型电机，2000.6.