基于DSP的網(wǎng)絡(luò)化無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)

1、基于DSP的網(wǎng)絡(luò)化無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng) 摘要：設(shè)計了一種基于DSP的無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)，對其中的轉(zhuǎn)子位置檢測電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路以及驅(qū)動器網(wǎng)絡(luò)控制等內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的討論，并給出了相應(yīng)的硬件電路。該設(shè)計方案電路簡單、可靠性強(qiáng)，具有較高的應(yīng)用價值。 關(guān)鍵詞：直流無刷電動機(jī) DSP 網(wǎng)絡(luò)伺服控制器眾所周期，直流電機(jī)具有最優(yōu)越的調(diào)速性能，主要表現(xiàn)在調(diào)速方便（可無級調(diào)速）、調(diào)速范圍寬、低速性能好（啟動轉(zhuǎn)矩大、啟動電流小）、運行平衡、噪音低、效率高等方面。目前無刷直流電機(jī)已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動、機(jī)器人的伺服驅(qū)動以及新一代家用電器的變速驅(qū)動中。 為進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的綜合性能，就無刷直流電

2、機(jī)控制系統(tǒng)的控制器而方，近幾年國外一些大公司紛紛推出較MCU性能更加優(yōu)越的DSP（數(shù)字信號處理器）單片電機(jī)控制器，如ADI公司的ADMC3xx系列，TI公司的TMS320C24系列及Motorola公司的DSP56F8xx系列。它們都是將一個以DSP為基礎(chǔ)的內(nèi)核，配以電機(jī)控制所需的外圍功能電路，集成在單一芯片內(nèi)，使價格大大降低且體積縮小、結(jié)構(gòu)緊湊、使用便捷、可靠性提高。其最大速度可達(dá)2040MIPS，指令執(zhí)行時間或完成一次動作的時間僅為幾十納秒，和普通的MCU相比，運算及處理能力增強(qiáng)1050倍，確保了系統(tǒng)有更優(yōu)越的控制性能。1 系統(tǒng)原理概述在本文設(shè)計的無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)中，采用TI公司的T

3、MS320LF240x芯片作為控制器。TMS320LF240x芯片作為DSP控制器24x系列的新成員，是TMS320C2000平臺下的一種定點DSP芯片。從結(jié)構(gòu)設(shè)計上講，240x系列DSP提供了低成本、低消耗、高性能的處理能力，對電機(jī)的數(shù)字化控制作用非常突出。在圖1所示的基于TMS320LF240x的無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)中，采用TMS320LF240 DSP作為控制器，處理采集到的數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令。TMS320LF240控制器首先通過三個I/O端口捕捉直流電機(jī)上的霍爾元件H1、H2、H3的高速脈沖信號，檢測轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置發(fā)出相應(yīng)的控制字來改變PWM信號的當(dāng)前值，從而改變地

4、直流電機(jī)驅(qū)動電路（全橋控制電路MOSFET）中功率管的導(dǎo)通順序，實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向的控制。電機(jī)的碼盤信號A、B通過DSP控制器的CAP1、CAP2端口進(jìn)行捕捉。捕捉到的數(shù)據(jù)存放到寄存器中，通過比較捕捉到的A、B兩相脈沖值可以確定當(dāng)前電機(jī)的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)以及轉(zhuǎn)速。在系統(tǒng)的運行過程中，驅(qū)動保護(hù)電路會檢測當(dāng)前系統(tǒng)的運行狀態(tài)。如果系統(tǒng)中出現(xiàn)過流或者欠壓情況，PWM信號驅(qū)動器IR2130會啟動內(nèi)部保護(hù)電路，鎖住后繼PWM信號的輸出，同時通過FAULT引腳拉低DSP控制器的PDPINT引腳電壓，啟動DSP控制器的電源驅(qū)動保護(hù)。這時所有的EV模塊輸出引腳將被硬件置為高阻態(tài)，實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的保護(hù)。該系統(tǒng)中設(shè)

5、計的保護(hù)電路主要用于保護(hù)DSP控制器和電機(jī)的驅(qū)動電路。 隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，光電管間歇接收從光源發(fā)出的光，不斷導(dǎo)通和截止，從而產(chǎn)生一系列“0”、“1”信號。這些脈沖信號通過I/O口傳輸給DSP，DSP讀取霍爾元件的狀態(tài)值，確定轉(zhuǎn)子當(dāng)前的位置，通過改變PWM信號輸出的高有效或低效來控制驅(qū)動電路，改變MOSFET管的導(dǎo)通順序，很好地實現(xiàn)電機(jī)換相的控制；同時改變PWM信號占空比，來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電動機(jī)驅(qū)動電路控制橋功率管的導(dǎo)通順序為Q1Q2、Q2Q3、Q3Q4、Q4Q5、Q5Q6、Q6Q1，為兩兩通電方式。電機(jī)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈，霍爾元件H1、H2、H3會出現(xiàn)六種狀態(tài)，DSP對每一種狀態(tài)發(fā)出相應(yīng)的控制字

6、，改變電機(jī)的通電相序，實現(xiàn)電機(jī)的連續(xù)運行。電機(jī)驅(qū)動電路控制原理圖和電機(jī)正轉(zhuǎn)換相表如圖2和表1所示。表1 電機(jī)正轉(zhuǎn)換相表PWM6PWM5PWM4PWM3PWM2PWM1H1H2H3ACTRQ12Q0011111111101010X03FEQ2Q30011111011111000X03EFQ3Q41111111000111100X0FE3Q4Q%1110111100110100X0FE3Q%Q61110001111110110X0E3FQ6Q11111001111100010X0F3E2.2 霍爾元件信號處理電動機(jī)上的霍爾元件信號發(fā)生時序如圖3所示。直流電機(jī)產(chǎn)生的霍爾元件信號通常高低電平相互覆蓋。

7、而對電機(jī)驅(qū)動橋路的控制需要根據(jù)檢測到的三個霍爾元件的每一次跳變，來觸發(fā)控制器進(jìn)入中斷響應(yīng)，同時還要記錄霍爾元件的狀態(tài)。因此在設(shè)計中對三個霍爾元件做兩步處理：首先把三個霍爾元件的信號接到TMS320LF240的三個I/O引腳上，記錄當(dāng)前的狀態(tài)；然后把霍爾元件信號作為三路輸入接到CPLD的I/O口，通過編程實現(xiàn)一路連續(xù)的窄脈沖輸出，接到TMS320LF240的CAP3引腳上。每一個脈沖觸發(fā)一次中斷，控制驅(qū)動橋路的導(dǎo)通順序，并根據(jù)當(dāng)前的霍爾元件狀態(tài)信息對電機(jī)的轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。3 驅(qū)動電路電機(jī)控制的驅(qū)動器采用IR2130芯片。IR2130/IR2132（J）（S）是一種高電壓、高速度的功率MOS

8、FET和IGBT驅(qū)動器，工作電壓為1020V，分別有三個獨立的高端和低端輸出通道。邏輯輸入與CMOS或LSTTL輸出兼容，最小可以達(dá)到2.5V邏輯電壓。外圍電路中的參考地運行放大器通過外部的電流檢測電位器來提供全橋電路電流的模擬反饋值，如果超出設(shè)定或調(diào)整的參考電流值。IR2130驅(qū)動器的內(nèi)部電流保護(hù)電路就啟動關(guān)斷輸出通道，實現(xiàn)電流保護(hù)的作用。IR2130驅(qū)動器反映高脈沖電流緩沖器的狀態(tài)，傳輸延遲和高頻放大器相匹配，浮動通道能夠用來驅(qū)動N溝道功率MOSFET和IGBT，最高電壓可達(dá)到600V。IR2130芯片可同時控制六個大功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷順序，通過輸出HO1，2，3分別控制三相全橋驅(qū)動電路的

9、上半橋Q1、Q3、Q5的導(dǎo)通關(guān)斷，而IR2130的輸出LO1，2，3分別控制三相全橋驅(qū)動電路的下半橋Q4、Q6、Q2的導(dǎo)通關(guān)斷，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)的目的。 IR2130的典型電路 IR2130芯片內(nèi)部有電流比較電路，可以進(jìn)行電機(jī)比較電流的設(shè)定。設(shè)定值可以作為軟件保護(hù)電路的參考值，這樣可以使電路能夠適用于對不同功率的電機(jī)的控制。IR2130的典型電路如圖4所示。4 系統(tǒng)保護(hù)電路在無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)中，保護(hù)電路占據(jù)著很重要的地位，主要作用是保護(hù)控制系統(tǒng)的核心部件DSP免受高電壓、過電流沖擊，同時也保護(hù)電機(jī)的驅(qū)動電路免受損壞。整個系統(tǒng)的保護(hù)電路主要由三部分組成：電路隔離電路、信號隔離電

10、路、驅(qū)動保護(hù)電路。電路隔離電路選用內(nèi)部帶有隔離變壓器的電壓模塊，把電機(jī)驅(qū)動電壓控制部分的電壓隔離開，分成兩套供電系統(tǒng)：5V供電系統(tǒng)和24V供電系統(tǒng)。這樣當(dāng)驅(qū)動電路部分發(fā)生異常情況時，不會從電源部分影響到控制電路，實現(xiàn)控制電路的保護(hù)作用。信號隔離電路主要是把控制電路和驅(qū)動電路之間的控制和驅(qū)動信號通過光電隔離器進(jìn)行信號隔離，實現(xiàn)不同電壓之間的信號傳輸。由于本系統(tǒng)中的PWM脈沖信號的輸出頻率比較高，為了避免信號損失和失真，這里采用6N137光電隔離器。系統(tǒng)的驅(qū)動電路保護(hù)作用主要是由IR2130驅(qū)動器來實現(xiàn)的。IR2130驅(qū)動器保護(hù)電路主要有兩部分：自保護(hù)電路和過電流欠電壓保護(hù)電路。自保護(hù)電路如圖5所

11、示。外圍電路中的參考地運算放大器通過引腳VsO的設(shè)定值與流入CA-引腳的電流在反饋電阻上產(chǎn)生的電壓相比較，如果超出設(shè)定或調(diào)整的VsO參考值，IR2130驅(qū)動器的內(nèi)部電流保護(hù)電路啟動關(guān)斷輸出通道，實現(xiàn)電流保護(hù)的作用。IR2130芯片內(nèi)部也有硬件保護(hù)電路。如果負(fù)載或驅(qū)動電路出現(xiàn)過電流或欠電壓的情況，IR2130驅(qū)動器的FAULT引腳會輸出制動信號，通常這個輸出信號接到DSP的PDPINT引腳上，拉低PDPINT引腳的輸入電平，關(guān)斷DSP的所有輸出并置為高阻狀態(tài)，實現(xiàn)整個控制電路的保護(hù)作用。5 網(wǎng)絡(luò)化接口設(shè)計原理為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的要求，必然要求微處理器控制設(shè)備提供各種網(wǎng)絡(luò)通信接口。傳統(tǒng)的單片機(jī)對于網(wǎng)

12、絡(luò)支持不足，而新一代的微處理器已經(jīng)開始內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)接口，除了支持TCP/IP協(xié)議外，有的還支持USB、CAN、BLUETOOTH等通信接口，同時也提供相應(yīng)的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅(qū)動軟件。通過網(wǎng)絡(luò)控制無刷直流電動機(jī)的運行可以說是該控制系統(tǒng)的一個特色。通常是無刷直流電動機(jī)的控制系統(tǒng)都是單機(jī)控制或采用雙控制器進(jìn)行控制，很少通過網(wǎng)絡(luò)來控制。本控制系統(tǒng)采用RS485通訊接口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)傳輸。主要的網(wǎng)絡(luò)傳輸示意圖如圖6所示。上位機(jī)或PC機(jī)為每個控制模塊軟件分配地址，發(fā)送數(shù)據(jù)給每個模塊，而主機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)時主要是通過分配給每個模塊的地址識別發(fā)送對象。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上電后，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化之前，除了主機(jī)的組地址和地址可以確定外，所有驅(qū)動器模塊組地址和地址都是0xFF，表示該驅(qū)動器模塊只在0xFF這個全體組內(nèi)，且地址沒有初始化。由硬件的連接方式?jīng)Q定，此時網(wǎng)絡(luò)的下一個驅(qū)動器模塊處于等待網(wǎng)絡(luò)初始化指令狀態(tài)，主機(jī)應(yīng)當(dāng)發(fā)送一個地址分配指令對該驅(qū)動器模塊進(jìn)行地址分配。一旦該驅(qū)動器模塊地址分配成功，它便通過硬件向下一個驅(qū)動器模塊傳遞信息，表示自身已經(jīng)分配完畢。然后主機(jī)的下一個地址分配指令將作用于下一個驅(qū)動器模塊。這個過程將一直持續(xù)下去，直到主機(jī)在發(fā)送地址分配指令后收到分配成功的反饋信