基于DSP的无刷直流电机控制系统软件设计外文翻译资料

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2013年第五届智能人机系统与控制论国际会议

基于DSP的无刷直流电机控制系统软件设计

Fazhen Song, Yu Wang, Haiqing Cao

自动化学院，北京工业大学，中国

e-mail: 446536530@qq.com, wangyu@bit.edu.cn, cxy8888@bit.edu.cn

摘要：无刷直流电动机近年来得到了越来越广泛的应用。本文设计了一种基于TMS320F2808 DSP的无刷直流电机驱动器控制系统，实现了电流、速度和位置的闭环控制。用户可以通过PC机对不同负载设置不同的工作模式和参数。文章详细讨论了初始化、AD采样、霍尔换相、RS232通信模块等主要模块，此外，我们采用了抗积分饱和的PID控制算法，而不是传统的PID控制算法。实验结果表明，该系统具有良好的动态性能和静态性能。

关键词：无刷直流；DSP;抗积分饱和PID

1 引言

众所周知，直流电机具有良好的转矩特性，易于控制，但由于机械换相的存在，换相火花会引起电磁干扰和噪声。这些问题降低了直流电机系统的可靠性，增加了维护成本。因此，采用电子换相的永磁无刷直流电机克服了机械换相带来的缺点，无刷直流电机以其结构简单、体积小、运行可靠、维护方便等优点引起了人们的广泛关注[1]。随着电力电子技术与微电子技术的发展，无刷直流电机控制系统已越来越多地应用于伺服控制、数控机床、机器人等领域。随着高性能DSP的出现，使得一系列复杂的高精度电机控制算法得以实现，TI公司的TMS320F2808便是一款专业的高性能电机控制DSP。

该无刷直流电机驱动控制系统由位置、速度和电流三个闭环组成。驱动系统可分别对三个回路进行控制，并且系统可以通过RS232与PC机通讯，允许用户根据负载和工作环境调整系统的工作方式，设置PID控制参数。软件包括换相模块、初始化模块、主控模块和RS232通信模块。在无刷直流电机的启动问题中，本文提出了一种捕获模式的电动机起动方法，使程序简单且实用。对于传统的三回路控制，采用传统的PID控制方法，发现积分饱和现象会影响控制系统的动态性能，因此我们采用了抗积分饱和的措施，提高了PID控制算法的性能[2]、[3]。

2 系统硬件

无刷直流电机驱动控制系统硬件如图1所示，由驱动板和DSP控制板两部分组成。驱动板包括三相逆变器驱动电路、功率保护电路、电流电压检测放大电路。DSP板由霍尔信号采集处理电路、编码器信号处理电路、EEPROM存储器电路和RS232串行通信电路组成。两块板通过接口互相传递 5V电源信号、PWM信号、保护信号和电流电压采样信号。

图1 系统硬件结构

3系统软件

主要功能流程图如图2所示。首先，初始化系统硬件的驱动，获取运行时所需要的驱动控制参数，然后系统进入待机状态，用户可以通过串口向驱动器发送命令，驱动器执行命令后进入设定的工作状态。主控程序运行完成后进行电流AD转换，AD转换可触发中断，无刷直流电机通过捕获中断来实时换相。同时，为了保护驱动器，防止驱动器硬件因电流过大损坏，我们还设计了保护电路和保护程序，当驱动器电流超过用户预先设定的驱动器最大电流时，系统会立即切断PWM信号输出，保证驱动器系统的安全。

图2 主功能流程图

3.1 初始化模块

初始化模块包括控制器硬件初始化和系统参数初始化两部分。DSP硬件初始化，包括GPIO、定时器初始化、内部闪存初始化和中断初始化设置。电机控制模块初始化包括ePWM模块、ADC模块、霍尔换相控制模块、用于速度和位置计算的eQEP模块、使用SCI接口的RS232通信模块和使用SPI接口的EEPROM通信模块。我们还要在运行时初始化系统的控制参数，每次驱动上电时，软件都会从EEPROM中读取用户上次设置的参数或出厂默认参数，这些参数决定了运行模式。初始化后，系统进入一个保持待机状态的循环，等待接收用户通过串口发出的命令，然后采取相应的动作。

3.2 捕获换相模块

无刷直流电机采用电子换相方式，通过检测转子的位置来激励相应的相绕组。程序需要连续检测三个霍尔信号以确定逆变功率管的导通状态。无刷直流电机旋转时，霍尔信号根据霍尔传感器的空间位置，输出脉冲宽度为180°的方波，三相霍尔信号输出相位差为120°或60°方波，如图3所示。每转有6个上升或下降边沿，对应于6个换相瞬间。我们将DSP管脚捕获工作模式设置为双边捕获，当DSP捕获到一个边沿时，触发中断，然后将eCAP1~3管脚设置为gpio，检测三个管脚上的电平状态，然后查询电机换相表控制逆变器换相。

图3 三相霍尔信号

每台电机都有一个独特的换相表，所谓的电机换相表是三相霍尔状态与电机导通相位之间的对应关系，如表1所示。电机正反向换相表的相位相差180°。

表1 相霍换相表

当电机还没有旋转时，3个霍尔信号没有边沿变化，使程序不能进入中断来实现换相。为了实现电机的启动，本文介绍了一种好方法。我们强制捕获模块的中断触发标志在一开始就为1，以确保程序能进入中断，然后就能成功启动电机。

3.3 主控制模块

主控制中断是控制系统的核心。PWM波为对称波形，周期为25us。为了提高电流采样的精度，我们在PWM周期开通期间对电流进行采样，同时采用过采样的方法来提高采样结果的分辨率，如图4所示，以开关管Q1和Q4为例，当Q1、Q4接通时，电流开始缓慢上升，系统是不稳定的，因此，不应在该时间内进行采样，采样时间应选择在PWM周期的传输过程中。

图4 电流采样时间

ePWM模块的计时器设置为连续上升下降模式，我们可以使用循环匹配事件启动ADC转换[4]。考虑到程序的简单性和可行性，逆变桥使用H-PWM-L-ON PWM调制[5]。

大多数论文是在定时器中断时控制电流、速度或位置，这种方法的缺点是电流采样与实时控制不同步，为了克服这一缺点，保持电流采样与实时控制的同步，本文提出了一种新的方法，我们在电流采样中断中完成了实时控制任务，保证每次控制程序总能得到最新的电流反馈值。

图5显示了系统的主控制中断流程图。

图5 主控制程序

经典的PID控制算法适用于单输入单输出系统，对复杂的非线性系统可能需要进行补偿。传统的PID算法存在着积分饱和现象，当系统中存在一个方向误差时，由于积分效应，控制器输出将不断增加，这可能导致控制器输出达到执行机构的阈值。如果误差方向发生变化，控制器输出逐渐减小，控制器输出将退出饱和区，执行机构将在阈值范围内工作；如果误差方向没有改变，控制输出继续增加，但执行机构仍保持在阈值范围内工作。在这种情况下，控制器输出进入饱和区，饱和区越深，退出饱和区所需时间越长。在饱和区内执行机构在阈值范围内工作，如果错误的信号突然反转，执行机构不会立即响应，控制器输出逐渐减小，当退出饱和区，执行机构才发生反应。这将为系统的动态响应和整体性能带来恶化。

本文采用在超过限额时削弱积分的方法，实现了抗积分饱和PID算法。

图6 抗积分饱和PID算法

图6显示了流程图。在计算u（k）时，我们首先确定最后一次控制器输出u（k-1）是否超过限额。如果u（k-1）gt;umax，我们只累积负误差；如果u（k-1）lt;umin，我们只累积正误差。这样可以避免控制器输出长期处于饱和区，进而提高控制系统的动态响应。

3.4 RS232通信模块

F2808的SCI模块在发送和接收数据时使用一个16字节的FIFO寄存器，保证了小于16字节的数据通信不会占用CPU时间，提高了串行通信的效率。串行通信模块用来实现驱动器与PC机之间的控制参数和控制命令的传输任务，其通信协议是基于Modbus协议，以保证通信过程的可靠性。串行通信程序流程图如图7所示，驱动器在中断里接收数据，当串行端口接收到完整的数据帧时，它将解析该帧，首先分析该数据帧，然后根据不同的功能码将数据传输到PC或者直接执行相应的命令。

图7 RS232通信流程图

4 实验结果

本文介绍了无刷直流电机驱动器控制程序的各个模块，并在实际硬件平台上成功运行。让驱动程序跟踪正弦波，我们可以在PC接口上看到它的性能，结果如图8所示。实验结果表明，该驱动器能在空载情况下跟踪方波、三角波和正弦波，具有良好的性能，同时证明了抗积分饱和PID算法优于传统PID算法。当驱动器运行在一定负载下时，我们可以通过观察PC接口上的响应曲线，来调整在该负载下的PID参数直到我们满意为止，这样驱动器就可以胜任多种环境。

图8 跟踪正弦波响应曲线

参考文献

1. Zhang Chen The principle and application of Brushless DC motor 2nd ed Beijing: China Machine Press 2004
2. Fang Hongwei Xia Changliang Analysis of Windup in Brushless DC Motor Speed Regulation System and its Control http://www.paper.edu.cn/releasepaper/ content/200707-204
3. Da Zhang Hui Li Emmanuel G. Collins Digital Anti-Windup PI Controllers for Variable-Speed Motor Drives Using FPGA and Stochastic Theory IEEE Trans. On Power Electronics 2006 21(5): 1496-1501.
4. TMS320x280x 2801x 2804x Enhanced Pulse Width Modulator (ePWM) Module Texas Instruments October 2007.
5. Zhang Xiangjun Chen Boshi The different influences of four PWM modes on commutation torque ripples in brushless DC motor control system. ELECTRIC MACHINES AND CONTROL. Vol. 7 No. 2 June 2003.

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