基于DSP的永磁无刷直流电动机控制系统的设计与研究

杨 瑞 张云云

（集宁师范学院计算机系，内蒙古 乌兰察布 012000)

1 引言

永磁无刷直流电动机是利用电子换向器取代机械电刷，将电子线路与电机融为一体，用无接触式的转子位置传感器代替基于接触导电的电刷.转子为永磁体，通过控制定子绕组的电流来进一步控制电动机的电磁转矩，实现电动机的平稳运转.已被广泛应用于汽车、军事、航空航天、家用电器等领域，受到人们的青睐.

2 硬件系统

硬件系统是由功率板、DSP控制器、键盘显示板、永磁无刷直流电机构成.功率驱动板包括功率放大电路、电流检测电路、接口电路和电源变换电路等，它可保证驱动板电压的稳定，实现过流保护.DSP控制器采用TI公司的TMS320LF2812芯片，它不仅数字信号处理能力强，还具有强大的事件管理能力，适用于需要处理大量数据的各种测控系统，负责数据通信、控制算法和监控.键盘显示板通过串口控制，按下显示板上的按钮，向DSP板发送电机启停、转速等控制信号，控制电机按照设定的方式和状态运行.电机采用三相Y型全控桥电路，磁极对数为3.

3 软件系统

软件系统实现系统的控制任务，采用模块化的编程思想，在CCS3.3调试仿真软件中使用C语言对TMS320LF2812进行编程.本系统采用速度、电流双闭环的复合控制方式，内环为电流环，使电流跟随给定电流而变化，保证起动时电机能获得允许的最大电流，提高系统的动态性能，采用时不变PI控制.外环为速度环，使转速跟随给定速度变化，实现转速稳态无静差，采用时变PI控制.控制原理如图1所示：

图1 系统控制原理图

软件系统主要包含主程序、中断子程序、斜坡子程序、PID调节子程序、PWM脉宽调制程序.

3.1 主程序

对项目整体进行了详细的需求分析的基础上，确定了软件系统的整体流程如图2所示：

在主程序中首先初始化变量和DSP，电机转起来之后，循环等待定时器周期中断和键盘输入并及时更新显示.在定时器中断处理程序中完成A/D转换和实时速度的计算，并进行速度和电流的PID调节.

图2 软件系统流程图

3.2 初始化模块

设置系统控制寄存器PLLCR的值为10，HISPCP、LOSPCP的值分别为 0和 2，这样，在外部晶振为 30MHz的情况下，SYSCLKOUT=30 MHz×10/2=150 MHz，高速、低速外设时钟分别为SYSCLKOT/1和 SYSCLKOUT/4.通过对 PCLKCR赋值，使事件管理器EV、模数转换器ADC、串行通信接口SCI等外设时钟.设置SCI模块的通信数据格式为波特率9600，数据位为8位，无极性校验，停止位1位，使能SCIA和SCIB的发送中断、接收中断和I/O引脚.初始化事件管理器EVA，设置中断类型为定时器2周期中断，周期为50us，计数模式为连续增计数模式.初始化ADC模块，设置ADC的内核时钟为HSPCLK/12，允许EVA触发启动SEQ1,顺序采样，自动转换序列中完成的最大转换通道数为4，采样频率为 20KHZ， 采样的通道顺序为 0、1、2、3.定义并初始化了用于HALL信号处理、速度计算等整型变量，声明用于PID控制的PIDREG3类型变量，用于换相控制的PWMGEN类型变量，用于电流采集的ADCVALS类型变量，用于缓冲调节的RMPCNTL 类 型 变 量 .PIDREG3、PWMGEN、ADCVALS、RMPCNTL等都为头文件中声明的结构体类型.

3.3 定时器中断子程序（主中断程序）

当定时器2发生周期中断时，执行主中断程序.定时器2每发生一次周期中断就启动一次ADC进行电流采集并将转换结果累加到静态局部变量中，连续采样18次，去掉最大值和最小值，最后求16次采样的平均值，即为当前电流值，赋给system.I_DC.

三相Y型绕组全控桥式结构的永磁无刷电动机在任意时刻有两相绕组导通，第三相绕组处于悬空状态.功率管有6种触发状态，每隔1/6周期（1/6圈）换相一次，即HALL信号每变化一次，电机转过 1/6圈.用一个变量hall_change_time_ave统计转过1/6圈所用的周期数，每个周期的时间为50us，将微秒转化为秒 ， 电 机 的 转 速 可 表 示 为 ：（1/6）转/（50*hall_change_time_ave*10-6/60）分 ， 即200000/hall_change_time_ave 转/分.

求出实际转速和当前电流后，调用速度环和电流环程序.电机的实际转速和速度参考值进行速度PID调节，得到电流参考值，与当前采样到的实际电流值一并输入电流PID调节器，输出调节电流，进行PWM脉冲调制，达到对电机速度控制的目的.

3.4 电流环程序

电流环采用时不变PID调节，具体采用增量式PID控制算法，可实现快速调节和无静差调节.公式为：

u(t)=u(t-1)+△u(t)，其中 kp为比例系数，ki为积分系数，e(t)为第t时刻的偏差信号，u(t)为第t时刻的控制量，△u(t)为第t时刻的控制调节增量.电流调节参数赋值如下：

为速度输出，即电流参考值

为当前实际电流

3.5 速度环程序

速度调节采用时变PID调节，计算公式如下：Ireft=Ireft-1+kp（e(t)-e(t-1)）+kiTe(t)其中，kp为比例系数，ki为积分系数，T为速度调节周期，值为12.8ms，即255个PWM周期（每个PWM周期为50us）.kp和ki的值不是固定的，而是随e(t)的变化而变化，kp和ki的表达式如下：

在速度调节程序中，使用if条件语句对e（t）的绝对值进行判断，进而灵活地确定kp和ki的值.

3.6 斜坡程序

通过显示板设定输出占空比，从而改变输出电压的大小，最终改变电机运转速度.为了避免电压剧烈的变化引起电机的振动，占空比信号首先输入给RMPCNTL模块，此模块将产生一个斜坡函数，按照一定的延迟率在一定时间内线性加大或减小，逐步达到输入，这样便可以消除输入突变产生的振动.

3.7 PWM脉宽调制程序

通过改变PWM脉宽达到转速调节的目的.此处采用全桥调制方式，即在任意时刻，对功率逆变电路的T1-T6进行脉宽调制.将电流调节的输出pid1_idc.Out作为PWM调节的输入.代码如下：

PWM脉宽调制程序代码如下：

4实验结果及分析

在完成控制系统的设计后，进行了实验调试，通过串口SCI将电机的转速输出到串口调试助手中，然后利用EXCEL根据收集到的转速数据绘制了转速变化曲线图：

图3 转速=1000转/分的转速变化曲线图

由实验结果可见，采用复合控制的永磁无刷直流电机精密伺服系统响应快，运行平稳，具有较好的静、动态特性，跟踪性能优于传统PI控制下的伺服系统，取得了较为满意的效果，具有较好的实用价值.

图4 转速=2000转/分的转速变化曲线图

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