山西电子技术 2009 年第 6 期 0025 02 应用实践 　 文章编号 :1674 4578 (2009) 06 基于 DSP 的无刷直流电机伺服系统设计 2 孙 　颖 , 胡军辉 , 裴建岗 , 金卫东 (兰州交通大学 ,甘肃 兰州 730070) 摘 　要 :设计了以 TMS320F2812DSP 芯片为核心的无刷直流电机伺服控制系统 。采用电流环 ,速度环 ,位置 环三闭环控制 ,对位置环采用积分分离的 PID 算法 ,以减小电机在运行过程中积分校正对系统动态性能的影响 。 为加快系统响应速度 ,减轻 DSP 负担 ,电流环采用模拟方法实现 。实际应用表明该系统具有精度高 ,响应快 ,稳定 性好等优点 。 关键词 :伺服系统 ; TMS320F2812DSP ; 三闭环控制 ; PID 算法 中图分类号 : TP273 　　文献标识码 :A 0 　引言 无刷直流电机 (简称 BLDCM) 是一种用电子换向器取 代机械电刷和机械换向器的新型直流电动机 ,具有结构简 单 ,调速 性 好 , 效 率 高 等 优 点 , 目 前 已 经 得 到 广 泛 应 用 。 TMS320F2812 数字信号处理器是 TI 公司最新推出的 32 位 定点 DSP 控制器 ,器件上集成了多种先进的外设 ,具有灵活 可靠的控制和通信模块 ,完全可以实现电机系统的控制和通 信功能 ,为电机伺服系统的实现提供了良好的平台 [1 ] 。本文 设计了以高性能 TMS320 F2812DSP 芯片为核心的无刷直流 电机伺服控制系统 。 1 　伺服控制系统硬件构成及其工作原理 系统硬件框图如图 1 所示 。 图 1 　系统硬件框图 1. 1 　控制电路 控制电路是以 F2812 为核心 ,另外还包括位置编码 、数 据采集 、数据通信等功能模块和部分外围电路及数据接口 , 其主要功能是实现对被控对象位置信息的采集和处理 ,速度 反馈信息的接收和处理 ,位置 、速度的闭环控制 。F2812 片 内具有 12 位的 AD 转换器 ,但为提高伺服系统运动的精度 , 在 DSP 外围扩展了两片 6 路 16 位的 AD 转换芯片 ,用来采 集反馈信号以及输入的运动指令信号 。 系统设计同时采用 DSP 和 CPLD 以提高电路的可行 性 。DSP 所起到的作用主要是根据反馈的位置 ,速度信号 , 结合电机的运动方向和运动速度 ,利用 F2812 片上的电机控 制专用外设 EVA ,通过数字 I/ O 口输出 1 路与电机运动相 对应的 PWM 波 。CPLD 根据输入的 PWM 信号 ,控制信号 和数字信号组成的换相时序信息输出对应大小和对应时序 的相电压 ,从而驱动电机做相应的运动 。 1. 2 　信号采集以及调理电路 该电路对各种传感器信号及电流电压信号进行采集并 处理 。包括采样的电流电压反馈信号 ,给定的控制信号等模 拟量信号 ,以及霍尔传感器的输出等开关量信号 ,经调理电 路处理后 ,使其幅值及电平可以满足 DSP 控制器的要求 。 本系统使用 AD7656 对采集来的模拟信号进行模数转 换 。F2812 的 GPIOA0 口与 74AC16373 的使能端相连 ,用 于使能锁存器 , GPIOA1 与 CONVSTX 相连 ,用来启动 6 路 A/ D 的同时转换 。GPIOA2 连接 BUS Y 信号 ,AD7656 转换 结束后 ,BU SY 信号变低 , DSP 以查询方式接收 AD 数据 。 74AC16373 用于锁存 AD 转换后的 16 位数据 ,74L S138 用 于将 DSP 地址线译码与 AD7656 的片选信号相连 。 1. 3 　驱动电路 电机的驱动电路由驱动芯片 IR2130 和三相全逆变电路 构成 。功率驱动电路采用 + 15 V 供电 ,驱动芯片 IR2130 内 置了 2. 5μs 的死区时间 ,防止统一桥臂的上下两个 MOS FET 同时导通 。当系统出现欠压 ,过流时 , IR2130 启动内置 的保护电路锁住后面的 PWM 输出 ,保护系统电路 。IR2130 的输入信号是由 CPLD 解算而得的 6 路 PWM 波 ,经过光耦 隔离后送入 IR2130 ,输出信号送 MOSFET 驱动无刷直流电 机 。在三相逆变电路中 ,六个功率器件起绕组开关作用 ,采 用两两通电 ,三相六状态方式 ,每一个瞬间有两个功率管导 通 ,每隔 1/ 6 周期 (60°电角度) 换相一次 ,每次换相一个功率 管 ,每个功率管一次导通 120°电角度 。 2 　伺服系统的控制策略 本系统是通过电流 、速度 、位置三闭环结构实现系统控 收稿日期 :2009 - 09 - 22 作者简介 :孙颖 (1981 ) ,女 ,甘肃兰州人 ,硕士研究生 ,研究方向为数字信号处理 、DSP 开发与应用 。 

62 山 　西 　电 　子 　技 　术 　　　　　　　　　　　　　2009 年 　 制的 ,其中电流环和速度环是内环 ,位置环是外环 。 图 2 是无刷直流电机控制系统框图 ,在系统中设置了速 度 PI 调节器和电流 PI 调节器 ,分别调节电机的转速和电 流 ,两者之间是串级连接 。给定的位置信号 U 与反馈的位 置信号 position 经过位置 PID 调节后得到速度的参考值 SDref 。根据两次捕获的时间可以计算出电机运行的速度 speed ,此速度作为速度参考值的反馈量 ,经过速度 PI 调节 后可以得到参考电流 Iref ,通过电流检测电路可以得到电流 的反馈量 I ,再经过电流 PI 调节 ,最后得到的调节量用来控 制 PWM 的占空比 ,即把速度调节器的输出当做电流调节器 的输入 ,再以电流调节器的输出去控制 PWM 装置 。 的时间间隔就能计算出电机的速度 。 2. 3 　位置环控制 位置环是通过安装在电机转轴上的电位器实现闭环的 控制环路 ,位置环路的控制对象是电流环和传动机构 。由电 位器测得的电压信号经过信号解调和 AD 转换得到位置反 馈信号 。由于位置环具有很大的不确定性 ,加之被控对象的 非线性以及系统参数的时变性等 ,为了减小电机在运行过程 中积分校正对系统动态性能的影响 ,本系统对位置环采用积 分分离的 PID 算法 。如图 4 所示 ,积分分离法是在误差量较 大时 ,不进行积分 ,直至误差达到一定值之后 ,才在控制量的 计算中加入积分累积 [4 ] 。算法为 : u( k) = Kpe ( k) + KI ∑ KIe ( j) + KD ( e( k) - e( k - 1) ) . k j = 0 图 2 　三闭环控制系统框图 2. 1 　电流环控制 电流环是通过电流反馈控制使电机电枢电流线性受控 , 可达到电机输出力矩的线性控制 ,并使其动态范围响应快 , 安全性提高 。 在实际应用中 ,为加快系统响应速度 ,减轻 DSP 负担 , 采用模拟实现方法 。将电阻串联在电枢回路上 ,同时起到一 个功率变换电路的过电流保护作用 。通过电流反馈控制使 电机电枢电流线性受控 ,可达到电机输出力矩的线性控制 , 并使其动态范围响应快 ,安全性提高 。 电流环设计中 ,电流调节器选用 PI 调节器 ;限幅器可以 和电流调节器做在一起 ,限幅值由 PWM 功放输入范围确 定 ; PWM 功放选用专用集成电路 ;滤波保护网络采用 L C 网 络提高 EMC 水平 ,二极管网络保护 PWM 功放选 ;电流调节 器选用 PI 调节器 ;采样电阻选用 0. 1 Ω ,如果所选 PWM 功 放具有电流测量端子 ,也可以直接读出电机电流值 。 图 3 　电流环控制框图 图 3 为电流环控制框图 , R —电机电枢电阻 , T m —电机 时常数 , Ks —功率放大器电压放大系数 。电流环设计的参 数 : PI 调节器 ,一阶无静差 ;输出最大电流 ≥0. 63 A ,反馈系 数为 15. 873 ;带宽 ≥30 Hz ;τi选为电机等效时常数 。 2. 2 　速度环控制 速度环是位置环的重要内环路 ,速度闭环可改善控制对 象的线性度 ,提高速度控制精度 ,改善电网电压等对电机转 速的影响 ,提高抗干扰能力 ,改善系统性能 。 转子旋转一周的时间内 ,霍尔传感器输出 3 路 180°的交 叠信号 ,电动机每转动 60°就有一次换相 ,只要检测两次换相 其中 , K1 = 1 ,当 e( k) ≤ζ时 >ζ时 0 ,当 e( k) 　　　ζ为门限值 (1) 图 4 　位置环控制算法示意图 3 　系统软件实现 伺服控制系统的软件采用模块化设计 ,使软件组织灵活 有序 ,便于调整 、修改和移植 。DSP 程序主要由主程序 ,信号 采集与输出程序 ,PID 算法程序 ,串口通信程序 ,滤波程序等 组成 。主程序首先是 DSP 的初始化 ,包括设置系统时钟 、定 时器 、系统状态寄存器 、设置 IO 端口 。然后初始化中断设 置 ,确定系统所需要用到的中断类别及中断子程序 ,再设置 事件管理器 ,产生 PWM 波 [5 ] 。图 5 为积分分离的 PID 程序 流程图 ,用积分分离的改进算法效果较好 ,程序简单 。 图 5 　积分分离 PID 程序流程图 (下转第 38 页) 

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 83 山 　西 　电 　子 　技 　术 　　　　　　　　　　　　　2009 年 　 on Intelligent Information Hiding and Multimedia Sig nal Processing ,2008 :442 - 445. [4 ] 　陈跃庭 ,李奇 ,许东辉 ,等. 投影算法与块匹配结合的实 时数字稳像方法[J ]. 浙江大学学报 ,2007 ,9 (47) :1537 - 1541. [5 ] 　Urhan O , Erturk S. Single Sub image Matching Based Low Complexity Motion Estimation for Digital Image Stabilization U sing Constrained One bit Transform[J ]. IEEE Trans on Consumer Electronics , 2006 , 11 ( 52) : 1275 - 1279. ltiple Bit Plane Matching a Simple and Efficient Matc hing Criterion for Electronic Digital Image Stabilizer Application [ G ]. International Conference on Signal Processing ,2002 ,2 :957 - 690. [7 ] 　Vella F , Castorina A , Mancuso M , et al. Messina Digital Image Stabilization by Adaptive Block Motion Vectors Filtering [J ]. IEEE Trans on Consumer Elec tronics ,2002 ,48 :796 - 801. [8 ] 　姚志军 ,王延杰 ,刘微 ,等. 基于 TMS320C6416 的电子 稳像的实现[J ]. 光学技术 ,2005 ,31 (3) :424 - 427. [6 ] 　Pourreza H R , Rahmati M , Behazin F. Weighted Mu Realization of Digital Image Stabilization System Based on Interlaced Gray Pei Jian gang , Yan Xin , Yan Wen coded Bit xiu plane ( S chool of Elect ronic an d I n f orm ation Engi neeri n g , L anz hou J i aotong Uni versit y , L anz hou Gansu 730070 , Chi na) Abstract :In order to realize the real planes are extracted for motion estimation , the stability and real based on DM642 DSP chip is designed. In this system , interlaced gray coded bit hardware and software is introduced. Simulation experiment s show that interlaced gray tion speed of the arithmetic software , thus image real time stabilization is realized. time and practicability of digital image stabilization , a digital image stabilization system plane matching algorithm is used , four gray time are imp roved in this algorithm , the design of plane can accelerate the execu coded bit coded bit Key words :DM642 ; digital image stabilization ; interlaced gray coded bit plane ; motion estimation (上接第 26 页) 4 　结束语 本文设计了一种基于 TMS320F2812DSP 的无刷直流电 机伺服控制系统 ,采用积分分离的 PID 控制算法 ,根据偏差 , 对不同情况进行不同的 PID 控制 ,并对系统的硬件设计以 及控制算法进行了研究 。试验结果表明 ,系统响应快 ,性能 稳定 ,能较好的满足伺服系统的控制性能要求 。 参考文献 [1 ] 　苏奎峰 ,吕强 ,耿庆锋 ,等. TMS320F2812 原理与开发 [ M ]. 北京 :电子工业出版社 ,2005. [2 ] 　王晓明 ,王玲. 电动机的 DSP 控制 [ M ]. 北京 :北京航 空航天大学出版社 ,2004. [3 ] 　胡楷 ,潘孟春 ,张忠怀. 全数字化无刷直流电机伺服系 统[J ]. 电产品开发与创新 ,2006 ,19 (2) :121 - 123. [4 ] 　羊彦 ,景占荣 ,毕强. 无刷直流电动机数字 PID 控制的 研究[J ]. 电机与控制学报 ,2004 ,7 (4) :299 - 302. [5 ] 　苏奎峰 ,吕强 ,常天庆 ,等. TMS320x281xDSP 原理及 C 程序开发[ M ]. 北京 :北京航空航天大学出版社 ,2008. [6 ] 　韩志永 ,穆学桢 ,孙艳华. 基于 DSP 的无刷直流电机控 制系统[J ]. 测控技术 ,2008 ,27 (4) :44 - 46. [7 ] 　王澍 ,林辉. 基于 TMS320 F2812 的无刷直流电机伺服 系统设计[J ]. 微电机 ,2008 ,41 (6) :44 - 47. [8 ] 　ZHAN G X J , C H EN B S , ZHU P P , et al. A New Method to Minimize the Commutation Torque Ripples in Trapezoidal BLDC Motors with Sensor Less Dive , IPEMC’2000 :621 - 625. The Design of Brushless DC Motor Servo system Based on DSP Sun Ying , Hu J un hui , Pei Jian gang , Jin Wei dong ( S chool of Elect ronic an d I n f orm ation Engi neeri n g , L anz hou J i aotong Uni versit y , L anz hou Gansu 730070 , Chi na) Abstract : The article expounds the design and implementation of brushless DC motor system based on TMS320F2812DSP. It uses three loop control including current loop , velocity loop and position loop to control the sys tem , and adopt s PID algorithm with integral separation for po sition loop to reduce the influence of integral correction point s on system dynamic performance during the motor’s running. The current loop releases the burden with the simulation method to make the response ability faster. The result s show that the system has many advantages such as terrific control capability , fast response ability and good stability performance. servo close Key words :servo system ; TMS320 F2812DSP ; three close loop control ; PID algorithm