摘要：本文在詳細(xì)介紹了基于DSP（TMS320F2812）和專用控制集成芯片（MC33035）的基礎(chǔ)上,綜合運(yùn)用了PID算法和濾波算法對無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究矢炼，并給出了該控制系統(tǒng)的實(shí)際硬件電路設(shè)計和軟件控制策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定毛底、控制算法合理东呻、控制精度高,有著很強(qiáng)的應(yīng)用推廣價值粉簇。
關(guān)鍵詞:無刷直流電機(jī),DSP,TMS320F2812,MC33035
引言
無刷直流電動機(jī)從上世紀(jì)70年代末開始引起了從事電機(jī)及驅(qū)動系統(tǒng)學(xué)者的重視侠仇。電機(jī)的驅(qū)動控制結(jié)構(gòu)有很多形式磕秤，近年來國外學(xué)者多集中于對直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動及其控制問題上進(jìn)行研究。以單片機(jī)為核心組成的數(shù)字控制電路調(diào)速控制能力強(qiáng)臭笆，但只能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的外環(huán)數(shù)字控制叙淌，而DSP則可以實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的控制。
TMS320C28x系列是TI公司最新推出的32位定點(diǎn)DSP芯片圾董，它既具有數(shù)字信號處理能力钱淳，又具有強(qiáng)大的時間管理能力和嵌入式控制功能桨挂，特別適用于大批量數(shù)據(jù)處理的測控場合[1]几谐。
在無刷直流機(jī)速度控制系統(tǒng)中，為使調(diào)試者實(shí)時了解系統(tǒng)的運(yùn)行信息布布，需實(shí)時采集電機(jī)轉(zhuǎn)速坊欢、電樞電流等信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和加工處理[2]鹃封∩椋控制過程復(fù)雜，控制算法計算量較大，因此本系統(tǒng)選擇了數(shù)據(jù)處理能力較強(qiáng)的DSP芯片TMS320F2812作為控制核心卑保，再結(jié)合MC33035專用控制集成芯片处冰，設(shè)計并制作了一個無刷直流電機(jī)調(diào)速器。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)針對的是高速無刷直流電機(jī)天俺，原則上本系統(tǒng)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的上限沒有限定赞辩，實(shí)驗(yàn)時使用的電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為5萬轉(zhuǎn)，電機(jī)功率為5kw授艰。
系統(tǒng)設(shè)計時為方便用戶操作設(shè)計了通信和JOG（手動）兩種模式辨嗽。通信模式使用戶在電腦前就可以方便地對電機(jī)進(jìn)行操作，設(shè)置電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速淮腾、加速度以及顯示電機(jī)當(dāng)前的實(shí)際轉(zhuǎn)速等;而在沒有電腦時糟需，用戶也可以通過JOG模式對電機(jī)進(jìn)行鍵盤操作，用以設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速谷朝。
資助基金：國家自然科學(xué)基金（70271001）
本系統(tǒng)設(shè)計控制的無刷直流電機(jī)采用霍爾元件作為位置反饋機(jī)制洲押，從反饋的脈沖信號中獲得位置信息和轉(zhuǎn)速情況≡不耍控制核心DSP根據(jù)采集到的實(shí)際轉(zhuǎn)速诅诱，修正控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制送朱。此外娘荡，系統(tǒng)從電機(jī)的驅(qū)動器件IGBT處獲得電流信息。通過綜合這三個信息驶沼，使得整個電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)安全炮沐、穩(wěn)定、可靠地工作佛缕。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
各部分之間信號線的連接通過光耦隔離碉伙，光耦兩端連接如圖3所示。這里采用的光耦是TLP521陈汇，它的隔離電壓是2500V真译。在本系統(tǒng)中，驅(qū)動部分的最高電壓是300V燕柠，2500V可以保證系統(tǒng)工作的絕對安全猬蚤。圖3中光耦是按正邏輯連接的，即輸入1尊慷，輸出也是1执寺。除TLP521外，在通信線的連接處使用了幾顆高速光耦6N127肖婴。
2.1控制部分
控制部分的核心器件是TMS320F2812洞惕，制作時使用了一塊ICETEK-2812-B板（帶有2812的DSP開發(fā)板）刑嚷，除帶DSP外，還有一顆電源管理芯片竟坛，將外接5V轉(zhuǎn)為3.3V為系統(tǒng)供電闽巩。
2812從電機(jī)處采集轉(zhuǎn)速、電流反饋信號和位置反饋信號担汤，DSP綜合這三個信號輸出對外的控制信號又官。從驅(qū)動部分反饋的過流信號是一個0、1信號漫试，DSP在工作時始終監(jiān)視這一信號六敬，一旦監(jiān)視到1，即表示電機(jī)過載驾荣，則立即給出一個讓電機(jī)停止轉(zhuǎn)動的信號外构，以免損壞電機(jī)和調(diào)速器。
DSP輸出的轉(zhuǎn)速控制信號是一個數(shù)字量播掷，用D/A將此數(shù)字量轉(zhuǎn)換成電壓量給MC33035用以調(diào)速审编。系統(tǒng)中選用了12位的串行D/A（TLV5616），后加一級放大（LM358）歧匈，使輸出電壓可根據(jù)不同電機(jī)的要求進(jìn)行放大垒酬。
TMS320F2812與PC間的通信是通過485總線完成的。在工業(yè)控制中嚎猛，485總線應(yīng)用非常普遍薛苫，傳輸距離遠(yuǎn)而且性能穩(wěn)定，所以本系統(tǒng)選擇485總線進(jìn)行傳輸拉鳄。
2.2驅(qū)動部分
驅(qū)動部分的控制核心是MC33035排貌，驅(qū)動器件是IR2183和IRGP50B60PD1。MC33035作為驅(qū)動部分的控制核心凳福，根據(jù)電機(jī)霍爾反饋的位置信號投谅，分辨出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，以控制IGBT的開關(guān)则钩。
雖然IGBT具有優(yōu)越的通態(tài)特性蘑劲，但要將IGBT瞬間完全關(guān)斷仍不容易。調(diào)試時發(fā)現(xiàn)檀巡，IGBT關(guān)斷時的一點(diǎn)點(diǎn)毛刺似魄，就會導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱甚至燒壞。這就要求在電路設(shè)計上采取相應(yīng)的措施班聂，如在IR2183輸出端與IGBT連接的地方串接一電阻等;在PCB布板走線時更要嚴(yán)格注意竿靠，布局要對稱适肠。
電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)是MC33035的11腳（誤差信號放大器同向輸入端）接受控制部分給出的控制電壓霍衫，根據(jù)此電壓的不同候引，內(nèi)部產(chǎn)生脈寬調(diào)制（PWM）信號，控制3個下側(cè)驅(qū)動輸出敦跌，通過改變輸出脈沖寬度來改變IGBT導(dǎo)通時間的長短澄干，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
2.3顯示部分
顯示部分的主控元件是AT89C51柠傍，顯示部分與驅(qū)動部分之間通過AT89C51和2812的串行口（即用通信方式）傳遞指令麸俘。同時顯示部分所需的5V電源由控制部分提供。
這里轉(zhuǎn)速的采集是用AT89C51的計數(shù)端去采集霍爾輸出的脈沖信號惧笛，將此信號換算成頻率后送七段數(shù)碼管顯示从媚，在此AT89C51擔(dān)當(dāng)了一個頻率計的功能。
系統(tǒng)讓用戶通過鍵盤輸入轉(zhuǎn)速患整，而不是通過電位器調(diào)節(jié)拜效。因?yàn)殡娢黄鬏敵龅氖且粋�模擬量，通過2812內(nèi)部集成的A/D來采集這個電壓量時并不穩(wěn)定各谚，會略微地漂移紧憾，這種略微的漂移會導(dǎo)致轉(zhuǎn)速較大的波動。為了避免這種波動甥鼠，本系統(tǒng)使用了全數(shù)字量的鍵盤块生，AT89C51從鍵盤讀入數(shù)字量，然后將此量通過通信口傳給2812岭笔，以實(shí)現(xiàn)全數(shù)字無級調(diào)速控制廓蒜。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計思想是通過不斷采集電機(jī)轉(zhuǎn)速，與給出的速度指令相比較后钻国，利用PID算法漓蜗，同時綜合濾波算法，不斷修正速度誤差节立，直到采集到的電機(jī)轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)給定的轉(zhuǎn)速相同螃恕，程序就認(rèn)為系統(tǒng)已經(jīng)入鎖了。系統(tǒng)控制時始終監(jiān)視電機(jī)電流和位置反饋患并，一旦出現(xiàn)異常膳几，就啟動相應(yīng)的報警機(jī)制，并讓電機(jī)停止轉(zhuǎn)動破溺。
實(shí)際速度的測量是程序每隔20ms從霍爾元件反饋處讀脈沖启疙，讀到一個脈沖就記一轉(zhuǎn)，共采樣10次記一個周期裕循，即程序統(tǒng)計200ms內(nèi)的脈沖數(shù)來計算電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速臣嚣。
按照這種計算方法，系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差是75轉(zhuǎn)/分剥哑，已完全滿足高速電機(jī)的誤差要求硅则。
為了電機(jī)工作安全淹父，系統(tǒng)除了設(shè)置過流保護(hù)外，還為用戶設(shè)置了電機(jī)最大速度越限報警怎虫，系統(tǒng)程序在工作時暑认，會不斷與這個最大速度比較，一旦檢測到電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速超過用戶給定的最大轉(zhuǎn)速大审，立刻會超速報警蘸际，同時讓電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。
控制部分與PC以及顯示部分的通信都采用以下的通信協(xié)議：
19200bps,8bit,1start,1stop,無奇偶校驗(yàn)
此外徒扶，對于電機(jī)的冷卻裝置粮彤，系統(tǒng)預(yù)留了相應(yīng)的信號接口，可根據(jù)實(shí)際需要姜骡，外接相應(yīng)冷卻裝置逛径，用以提高電機(jī)的安全性能。
4 系統(tǒng)操作界面
操作界面根據(jù)實(shí)際的操作需要濒垫，進(jìn)行了人性化設(shè)計匕憋，并設(shè)計了速度監(jiān)測曲線，方便用戶觀察電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度久泞。此外族帅，用戶通過操作界面可以方便地進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和更改。
5 結(jié)論
本電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際測試淡藻，控制精度高廊睹、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，帶載時的控制精度也在75轉(zhuǎn)偏差內(nèi)缔沐，與理論值接近贤疆，實(shí)際調(diào)試時進(jìn)行過載及超速等實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)反應(yīng)靈敏尊陪，控制過程安全可靠枫演。本系統(tǒng)使用了功能強(qiáng)大的DSP（TMS320F2812）芯片，系統(tǒng)擴(kuò)展空間大段物，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要進(jìn)行擴(kuò)展酵熙。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：①本調(diào)速系統(tǒng)綜合了TMS32F812和MC33035;②電機(jī)轉(zhuǎn)速的人工輸入使用了全數(shù)字量的鍵盤;③控制系統(tǒng)用485總線與PC進(jìn)行通信;④所有信號線的連接處用光耦完全隔離，使各部分之間不相互影響驰坊，保證工作的絕對安全匾二。
