基于dsp的无刷直流电机数字伺服控制系统设计

基于dsp的无刷直流电机数字伺服控制系统设计

1无刷直流电机新控制方案无刷直流电机具有体积小、质量轻、效率高、成本小等特点。它不仅广泛用于航空、航空航天、机械、汽车等行业的应用，也广泛应用于空调、冰箱、电动汽车等民用领域。然而,由于电机本身的换向问题,导致传统控制方法无法避免电磁转矩和电流脉动过大,控制精度也不高,导致无刷直流电机的应用受到极大限制。因此,研究无刷直流电机新控制方法十分重要。无刷直流电机控制方案有许多种,如基于单片机无刷电机控制系统、基于FPGA的伺服系统控制和采用数字信号处理器(digitalsignalprocessing,DSP)作为主控制器的控制系统。由于DSP的控制精度高、数据处理能力强、接口丰富,是当今十分流行的电机控制器。TMS320F28335是TI公司推出的一款32位浮点型DSP控制器;采用高性能静态CMOS技术,内核1.9V供电,I/O3.3V;主频高达150MHz,具有很强实时控制能力;3个SCI模块方便实现与上位机进行串行通信;18路PWM输出、6路150ps分辨率HRPWM、6路eCAP、2路eQEP。设计一个以TI公司TMS320F28335为核心控制器,以LMD18200T作为电机驱动芯片,采用增量式光电编码器采集转子位置信息,构成无刷直流电机控制系统,从而控制无刷直流电机速度、正反转、停止,同时可以对电机的速度进行自主预定和调节,而且可以与PC连接。2现数字或模拟信号输出控制对象为一台无刷直流电机,额定功率3kW,额定转速1500r/min。位置传感器为增量式光电编码器,供电电压5VDC,能够实现数字或模拟信号输出。无刷直流电机控制系统主要包括控制部分、驱动电路、位置检测部分。如图1所示。其中,位置传感器采样电机转子位置信息,被控制器捕捉。TMS320F28335为控制系统核心,负责算法处理、运动控制以及指令的输入和输出处理。驱动电路将控制电路输出的弱电信号功率放大,产生具有控制能力的强电信号。设计采用高性能光电编码器实现数字信号输出,无需设计模数转换电路,减小设计难度同时提高系统精度。3主要设备的电路设计3.1i公司tps高效供电电路TMS320F28335内核电压1.6V,I/O电压3.3V;驱动芯片LMD18200T工作电压高达55V;无刷直流电机的额定电压为27V。采用DC/DC模块和TI公司TPS767D318芯片相结合,设计实现仅需直流27V电压供电即可满足电机及控制系统供电需求。直流电机和LMD18200T由27V直流电源直接供电。电源模块将27V直流电转换成5V直流电,TPS767D318将5V电压转换成1.9V和3.3V直流电,向控制系统提供满足所有器件需要的电压。电源模块外围电路如图2所示。TPS767D318双路低压电源调制器,实现输入5V直流输出3.3V和1.8V2种电压,TMS320F28335专用供电芯片。TPS767D318外围电路如图3所示。3.2dsp电路原理图设计TMS320F28335作为控制系统核心,需要完成控制算法计算、捕捉光电编码器产生位置信号、向驱动芯片提供控制信号、连接仿真器、与上位机实现串口通信。因此,控制器DSP的外围电路需包括:复位电路、时钟电路、JTAG接口电路、串行通信接口电路。复位电路设计,任何一个处理器都需要一个上电复位,用于实现处理器内部关键状态的初始化,只有在完成初始化以后处理器才能进入正常运行状态。复位电路原理图如图3所示,TPS767D318上电以后,输出电压达到启动RESET的最小电压时,引脚RESET输出低电平,并且最少保持200ms,完成DSP状态复位。时钟电路设计,TMS320F28335时钟源可以使用无源晶振和有源晶振2种配置,设计使用有源晶振。图4为时钟电路采用外部振荡器的电路原理图。外部时钟输入频率范围应该20~35MHz,系统选用30MHz晶体振荡器。将外部时钟源直接输入X1引脚,XCLIN引脚接地,X2引脚悬空。JTAG仿真接口电路。DSP提供JTAG接口是相比于传统单片机一大优势,大大降低硬件调试难度。设计符合IEEE1148.1标准TMS320F28335仿真接口,开发软件能够对TMS320F28335芯片全部内部资源进行读取,其电路原理图设计如图5所示。仿真接口引脚数为14个,各引脚排列方式比较特殊,从上到下,左右交替。通过JTAG接口可以在线控制TMS320F28335内部数据存储器、控制寄存器和程序存储器也可以进行程序单步运行与跟踪以及断点设置、外部中断计数。串行通信接口。TMS320F28335可以通过SCI模块实现DSP与上位机通信,如图6所示。设计采用MAX3232进行串口通信,MAX3232是符合RS232标准的驱动芯片,具有2个收发通道。通过标准DB9实现控制系统与计算机连接。3.3转子位置检测DSP通过在单位时间内对无刷直流电机换向点的计数,得到当前电机旋转速度的反馈。无刷直流电机采用电子换向,避免一般有刷电机因机械换向产生噪声很大电磁干扰,转子位置是电子换向依据,因此转子位置检测电路对于控制无刷直流电机运转十分关键。设计采用体积小、高精度的增量式光电编码器。编码器产生A+、A-、B+、B-、I+、I-3对差分信号,通过差分电路接收器整合成单向信号,提供给控制器DSP的eQEP模块。编码器是5V供电,接口为TTL电平。DSP芯片I/O3.3V供电,接口为CMOS电平。因此在2种电平之间需要进行电平转换。位置检测电路原理图,如图7所示。3.4电机驱动电路DSP接收到编码器提供的位置信号后,经过控制器算法处理向电机驱动发送PWM信号,达到电机运转状态调整的目的。设计使用美国国家半导体公司推出的专用于运动控制的功率集成芯片LMD18200T,如图8所示。4数据处理设计控制系统具体的控制任务是需要软件来完成,因此软件设计对于控制系统性能十分关键。控制系统软件设计需要遵循以下原则:首先,控制软件必须有快速的实时性。电机控制系统必须在规定时间内,完成一系列数据处理过程。包括,反馈信号采样、计算以及逻辑判断,信号输出和故障处理。同时在软件设计过程中,需要考虑到所有可能发生意外事件以提高系统可靠性。其次,软件开发时也要考虑到软件易修改性。设计采用CCS3.3作为软件开发平台。利用模块化方式,将控制器软件设计分成3块分别进行编译、调试。设计按功能将控制器分为位置监测数据处理模块、转动状态判定模块、电机转动控制模块,如图9所示。位置监测模块处理编码器采样信号,获得电机转子当前位置、计算出当前运行速度。转动状态判定模块根据当前运行转台与预定运行状态相比较,运用PID算法对影响占空比信号进行调整。根据占空比,电机转动控制模块输出2路PWM信号,一路Brake信号和一路包含方向、幅值的PWM信号,控制无刷直流电机运转。PID算法处理代码如下:设计硬件和软件平台搭建完成后,经调试,无刷直流电机控制系统具有较高精确度、稳定性以及可靠性,同时也可以稳定的进行电机转子转速的控制。5电机转速变化曲线为验证系统设计方案可行性,根据上述软件、硬件设计,制作电路板并向控制器中下载控制程序,进行无刷直流电机控制实验。图10为设计控制系统实物。实验主要对电机从零速启动到目标转速反应时间、电机目标转速下转动平稳性以及电机转向改变时系统的稳定性和机动性。电机在额定电压27V,额定转速时1500r/min,利用控制系统将电机目标转速设定为10deg/s,如图11为电机启动时转速变化曲线图。根据转速变化曲线图可知,电机从0时刻开始启动,电机在0.3s左右以后可以在目标转速下平稳旋转。为验证控制系统在电机需要瞬间反向旋转时的机动性。实验设计电机在10deg/s平稳旋转时,通过控制系统软件促使电机以10deg/s反方向旋转。图12为电机反向转动转速变化曲线。根据转速变化曲线可知,在控制系统作用下电机在0.4s内实现转速有10deg/s变为反方向的10deg/s平稳转动。6电机驱动模块设计以TI公司浮点型数字信号处理器TMS320F28335作为核心控制器的无刷直流电机控制系统。选用体积小、精度高、能