第 18 卷增刊 2 系 统 仿 真 学 报© Vol. 18 Suppl.2 2006 年 8 月 Journal of System Simulation Aug., 2006 DSP 在无刷直流电机控制系统仿真中的应用 张庆荣，刘 平，杨春帆 (北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院, 北京 100083) 摘 要：给出了一种应用于无刷直流电机控制系统的数字信号处理器(DSP)的模型。根据实际 DSP 应用中各种重要的硬件功能、控制方法，以及各种环境干扰和非线性因素，在 Simulink 环境中构 建了整个 DSP 模型，包括 CAP 模块、AD 采样模块、PWM 产生模块和控制模块。通过使用 Simulink 模型优化技术，如 C MEX S-函数和子系统封装技术，提高了 DSP 模型的仿真精度和速度。结合 无刷直流电机模型和三相逆变桥模型仿真所得到的结果表明，该模型能够较为准确地描述出无刷直 流电机用 DSP 控制器的工作特性，对无刷直流电机的 DSP 数字控制系统的设计和实现均具有重要 的实用价值。 关键词：数字信号处理器(DSP)；无刷直流电机(BLDC)；仿真建模 中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2006) S2-0817-04 Application of DSP in Simulation of BLDC Control System ZHANG Qing-rong, LIU Ping, YANG Chun-fan (School of Instrumentation and Opto-electrics Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China) Abstract: A novel digital signal processor (DSP) model for simulation of BLDC motor control system was proposed. According to various hardware functions, control methods and environment disturbances and non-linearity in real DSP control system, the whole model was constructed in Simulink, which consists of CAP block, AD sampling block, PWM generation block and control block. Besides, several Simulink optimizational technologies, such as C MEX S-function and SubSystem Mask, were applied to improve the simulation speed and precision of DSP system model. By associating DSP control model with BLDC model and three-phase inverter model, the simulation results show that the proposed model can describe the working conditions of control system exactly and has important practical effectiveness for design and realization of DSP digital control system for BLDC motor. Key words: Digital Signal Processor (DSP); Brushless DC motor (BLDC); simulation and modeling 引 言1 随着电力电子、集成电路、电机控制理论和永磁材料的 快速发展，无刷直流电机(BLDC)在工业控制、精密仪器制 造和航天航空等领域得以迅速推广。由于数字控制处理芯片 的运算能力和可靠性得到很大提高，以单片机为控制核的全 数字化 BLDC 控制系统已逐步取代传统的模拟器件控制系 统。以数字信号处理器(DSP)为控制器构成的 BLDC 控制系 统相对于单片机或微机具有更高的精度和速度，而且存储量 大，具有逻辑控制功能和各种中断处理功能，丰富的数字输 入输出口、通信口、专用电机控制 PWM 输出口，各种控制 硬件集成在同一芯片中。基于以上的优点，目前 DSP 广泛 应用于 BLDC 的控制中[1]。 没有对DSP进行模块化，这使得BLDC控制系统模型不准确， 仿真时和DSP相关的各种参数需要分开设置。另外，在实际 电机系统中，是利用霍尔位置信号测量电机速度，因此采样 周期是变化的，低速时采样周期要长，会影响速度调节器的 输出。而目前BLDC控制系统模型中，对速度信号的获取普 遍是直接将机械运动方程计算出的速度值作为数字控制输 入，这会造成仿真结果与真实结果的误差。 本文在Simulink环境中构建了DSP模型, 考虑了实际系 统中存在的各种扰动和非线性因素，结合无刷直流电机等模 型构成BLDC数字控制系统模型，通过对仿真结果进行分 析，验证了DSP仿真模型的正确性和有效性。 1 DSP 硬件结构及电机控制系统 在Simulink中对无刷直流电机控制系统进行仿真建模， 国内外已进行了广泛的研究。在文献[2-4]中提出将无刷直流 电机和数字控制系统模块分开，实现了电机控制系统模型。 本文基于 TI 公司 DSPTMS320LF2407 的运动控制专用 芯片，建立仿真模型。建模过程中需要关注 DSP 的以下一 些特点： 以上这些文献中，是将电机电流和转速的控制功能、电机位 置信号的获取功能、PWM信号的输出功能给分离开来，而 收稿日期：2006-04-05 修回日期：2006-06-09 作者简介：张庆荣(1950-), 男, 山东济南人, 副教授, 研究方向为测试计 量技术与仪器; 刘平(1982-), 男, 江西南昌人, 硕士生, 研究方向为电机 控制、仪器测试计量; 杨春帆(1982-), 男, 内蒙古通辽人, 硕士生, 研究 方向为电机控制、仪器测试计量。 (1) 极高的工作频率。40MIPS 的执行速度使得指令周 期缩短到 25ns，从而大大提高了控制器的实时控制能力。 (2) 两个事件管理器模块 EVA 和 EVB，每个包括：两 个 16 位通用定时器；12 个 16 位的脉宽调制（PWM）通道。 它们能够实现三相反相器控制、对称和非对称的 PWM 波形； 六个 CAP 捕获单元；16 通道 A/D 转换器。事件管理器模块 ·817· 

第 18 卷增刊 2 Vol. 18 Suppl.2 2006 年 8 月 系 统 仿 真 学 报 Aug., 2006 尤其适用于控制无刷直流电机及其逆变器。 (3) 10 位 A/D 转换器最小转换时间为 500ns。 实际的 DSP 电机数字控制系统实现采用 TI 公司的 DSP TMS320LF2407 作为主控制器，IR2130 作为三相逆变桥的 驱动芯片，MOSFET 管 IRF3710 组成三相逆变桥。系统框 图如图 1 所示。 稳恒 直流 电源 + - P W M 3 P W M 4 P W M 5 P W M 6 电流 传感器 P W M 1 P W M 2 母 线 电 流 检 测 滤波 电路 功率驱动 模块 六路PWM AD采样 HA HB HC DSP 图 1 DSP 无刷直流电机控制系统框图 图 2 DSP 系统结构仿真模型 定的时间S-函数将电机转速值转化为DSP中的内存值后输 出给控制模块，作为速度调节环的输入。使用C MEX S-函 数[6]实现以上功能，不仅执行速度加快，而且由于结合了C 语言的优势，使得模块的功能更容易实现。 在C MEX文件中，使用宏函数 static void mdlInitialize Sizes(SimStruct *S)进行初始化，定义一个SimStruct数据结 构。然后再使用宏函数对输入输出进行设置。初始化中定义 有1个信号输入，1个转速输出，通过ssSetInputPortWidth和 ssSetOutputPortWidth等宏函数来实现。在static void mdlOut puts(SimStruct *S, int_T tid)子函数中，输出不同时刻的反电 动势信号，以及霍尔和使能信号。CAP模块如图3所示。 BLDC 三个 霍尔 位置 信号 DSP控制系统采用转速、电流双闭环数字串级控制。主 环为速度环，副环为电流环。DSP根据霍尔信号计算出电机 速度反馈值,与给定的转速值进行比较后，进行PI增量式调 节，输出电流环的给定值。为避免输出参考电流值过大,应 对最大值进行限制。 使用DSP中的一路AD通道对电源输出电流进行采样 后，进入电流环进行PI增量式调节，改变DSP输出的PWM 占空比,以达到调节电流的目的。为防止电机绕组中电流过 大，要设置一个PWM占空比的最大值。 DSP输出的六路PWM信号经功率放大后，输出至三相 逆变桥，用于无刷直流电机的换相和控制。三个霍尔位置信 号经电平转换后，直接输入DSP事件管理器中的三个捕获 CAP端口， DSP根据霍尔位置信号的跳变沿进入程序中断， 进行BLDC的换相和计算当前转速。 2 DSP 仿真模型 在 Simlink 环境中采用子系统封装技术构建了 DSP 模 型。模型包括 CAP 模块，用于捕获三个霍尔信号跳变沿， 并计算电机转速；AD 采样模块，用于对电源输出电流进行 采样；控制模块，用于实现转速、电流双环控制；PWM 产 生模块，用于输出六路 PWM 信号。整个 DSP 仿真模型如 图 2 所示。 2.1 CAP 模块 CAP 模块对 BLDC 模型输出的三个霍尔位置信号进行 处理。将三个霍尔信号直接输出作为 PWM 产生模块的换相 逻辑信号。并将一路霍尔信号作为 S-函数的输入。每隔一 图 3 CAP 模块 2.2 AD 采样模块 AD 采样模块如图 4 所示。DSP 对电源输出电流进行 AD 采样，与电流参考值比较后经电流调节器对输出的 PWM 占空比进行调制。而电源输出电流会由于 PWM 的调制作用 产生纹波，如直接进行采样会影响 DSP 中电流数字调节器 的控制效果，因此必须在 DSP 中对 AD 采样电流值进行数 字平均滤波，以消除纹波对电流控制的影响。仿真模块中同 时考虑了电流随机噪声对 AD 采样的影响，并把采样结果转 换为 DSP 中存放 AD 结果的寄存器值。 图 4 AD 采样模块 ·818· 

第 18 卷增刊 2 Vol. 18 Suppl.2 2006 年 8 月 张庆荣, 等：DSP 在无刷直流电机控制系统仿真中的应用 Aug., 2006 2.3 控制模块 根据 BLDC 数字控制方法，构建出的控制模块如图 5 所示。根据图 1 中系统模型，实现了电流转速双闭环数字控 制。模块采用 Simulink 中的 DISCRETE PI CONTROLED 模 块。仿真前通过子系统封装对话框设定转速和电流数字调节 周期、PI 系数和最大饱和输出值等，并将各种参数设定为 DSP 中相应的内存值或寄存器值。如图 6 所示。另外，除本 文中双闭环 PI 数字控制模块外，如要实现诸如模糊控制、 自适应等控制、或构建速度观测器，可以采用 S-函数的方法 实现控制模块。 图 7 PWM 产生模块 三相逆变桥模型直接采用 MOSFET 模块和直流电源模 块，输出 BLDC 的三相电压信号。并采用电流测量模块输 出电源电流给 DSP 控制模块。由 DSP 模块和 BLDC 模块构 成的控制系统模型如图 8 所示。并对系统进行了仿真，DSP 模块和 BLDC 模块各个仿真参数如表 1 所示。仿真时对 A 相电流进行了观测，结果如图 9(a)所示，DSP 模块输出 PWM 逻辑信号如图 9(b)所示。仿真结果证明了本文所提出的 DSP 仿真模型的正确性和有效性。 图 5 控制模块 图 6 DSP 参数设置对话框 2.4 PWM 产生模块 根据 CAP 模块输出的三个换相逻辑信号，以及控制模 块输出的 PWM 占空比信号，PWM 产生模块输出六个 PWM 信号用于 BLDC 的换相和控制。采样上侧功率管调制的方 式，其中 PWM1、PWM3 和 PWM5 用于上侧功率管的调制， PWM2、PWM4 和 PWM6 用于控制下侧功率管的通断。构 建出的 PWM 产生模块，如图 7 所示。 3 BLDC 控制系统仿真 采用文献[5]提出的建模方法，并使用 Simulink 的子系 统封装技术，实现了 BLDC 模型。并使模型中输出反电动 势和三相绕组电流的 S-函数能根据电机位置输出三个霍尔 位置信号 HA、HB 和 HC。 图 8 DSP 无刷直流电机控制系统模型 表 1 无刷直流电机模型仿真参数 电机参数 极对数 相电感 相电阻 8 0.002 mH 0.4 Ω 反电动势系数 0.0023V/rpm 2.87e-5N·m·s 0.0956 kg·m2 阻尼系数 转动惯量 PWM 频率 20KHz 控制参数 速度比例 速度积分 电流比例 电流积分 速度参考 速度环周期 电流环周期 4 16 1 6 5000 rpm 0.10485 s 2e-4 s 4 结论 本文提出了一种基于 DSP 仿真模块的，无刷直流电机数 字控制系统模型。仿真结果表明：DSP 模块工作情况与实际 情况非常吻合，能较准确地反映出采用 DSP 控制 BLDC 时的 工作特性，在仿真环境中具体化了 DSP 各个功能模块，并能 灵活地设置系统仿真参数，为将 DSP 更好地应用于 BLDC 的 控制提供了一个良好的仿真平台。 ·819· 

第 18 卷增刊 2 Vol. 18 Suppl.2 2006 年 8 月 系 统 仿 真 学 报 Aug., 2006 ） A （ 流 电 相 A 时间(S) (a) BLDC 模型 A 相绕组换相电流波形 (b) DSP 模型输出的 PWM 逻辑信号 图 9 DSP 模型结合 BLDC 模型的仿真结果 (上接第 816 页) 参考文献： [1] 谢宝昌, 任永德. 电机的 DSP 控制技术及其应用 [M]. 北京: 北 京航空航天大学出版社, 2005. [2] 沈艳霞, 薛花, 纪志成. 基于 C MEX S-函数直流无刷电机控制系 统仿真建模研究 [J]. 中小型微电机, 2004, 1(6): 13-17. [3] 纪志成, 陈娅冰, 周冶平. 基于 SG/Simulink 无刷直流电机混合建 模 与 仿 真 研 究 [J]. 系 统 仿 真 学 报 , 2005, 17(3): 525-528(JI Zhi-cheng, CHEN ya-bing, ZHOU Zhi-ping. Research on Hybrid Modeling and Simulation of Brushless DC Motor Based on System Generator/Simulink [J]. Journal of System Simulation (S1004-731X), 2005, 17(3): 525-528.) [4] 杨向宇, 杨进, 邹利平. 直流无刷电机控制系统的建模与仿真 [J]. 华南理工大学学报, 2005, 33(8): 28-32. [5] 纪志成, 沈艳霞, 姜建国. 基于 Matlab 无刷直流电机系统仿真建 模 的 新 方 法 [J]. 系 统 仿 真 学 报 , 2003, 15(12):1745-1749.(JI Zhi-cheng, SHEN Yan-xia, JIANG Jian-guo. A Novel Method for Modeling and Simulation of BLDC System Based on Matlab [J]. Journal of System Simulation (S1004-731X), 2003, 15(12): 745-1749.) [6] 姚俊, 马松辉. Simulink 建模与仿真 [M]. 西安: 西安电子科技大 学出版社, 2003. 参考文献： [1] 孙明玮, 陈增强, 等.飞航导弹高精度自适应预测控制设计 [J]. 中国工程科学, 2005, 7(10): 23-27. [2] 查旭, 崔平远, 等. 导弹飞行非线性 H∞与 PD 复合控制 [J]. 宇航 学报, 2004, 25(4): 401-406. [3] 周锐. 基于进化策略的导弹模糊制导律设计 [J]. 宇航学报, 2004, 25(4): 449-452. [4] 孙赵根. 最优非线性控制技术在导弹控制中的研究与应用 [J]. 航天控制, 2005, 1: 41-44. 图 4 俯仰角 4 结论 仿真结果说明： (1) 在高速采样条件下，连续广义预测控制(CGPC)能够 在全空间范围内实现对导弹纵向飞行通道的高精度控制，并 且控制量比较平稳，有效地克服了离散控制方法在高速采样 条件下出现的控制抖动问题。 (2) 对于临界最小相位系统，采用增量 CGPC 能够实现 有效的控制。 (3) 在全空间大空域、参数变化范围大的情况下，根据 高度采用模型切换控制具有较高的鲁棒性。 [5] 刘根旺, 许化龙. 导弹姿态控制伺服系统的变结构控制 [J]. 上海 [6] 航天, 2004, 6: 15-17. Clarke D W, Mohtadi C, Tuffs P S. Generalized predictive control- Part 1 Basic algorithm [J]. Automatica (S0005-1098), 1987a, 23(1): 137-148. [7] Demircioglu H, Gawthrop P J. Continuous-time Generalized Predictive Control (CGPC) [J]. Automatica (S) 1991, 27: 55-74. [8] Demircioglu H, Karasu E. Generalized predictive control. A practical application and comparison of discrete- and continuous-time versions [J]. IEEE Control System Magazine (S0272-1708), 2000, 20(5): 36-47. [9] 王伟. 广义预测控制理论及其应用[M]. 北京: 科学出版社, 1998. [10] 钱杏芳, 张鸿端, 林端雄. 导弹飞行力学 [M]. 北京: 北京工业学 院出版社, 1987. [11] 张有济. 战术导弹飞行力学设计 [M]. 北京: 宇航出版社, 1998. ·820·