维普资讯 http://www.cqvip.com 第２１卷第５期 ２００８年９月 Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ 机电产品开崖与钏崭 ＶＯＩ．２１．ＮＯ．５ Ｓｅｐ．，２００８ 基于ＤＳＰ的无刷直流电动机控制系统 马宏革，张晓晖，宋飞燕 （包头轻工职业技术学院，内蒙古包头０１４０３５） 摘要：无刷直流电动机是以电子换向线路取代了传统直流电动机，由换向器和电刷组成的机械换向结 构．文章提出了一种基于ＴＭＳ３２０Ｌ Ｆ２４０７Ａ的三相无刷直流电动机控制系统的总体设计方案， 给出了该系统的硬件设计和软件设计。 关键词：无刷；直流电动机；控制系统；ＤＳＰ 中图分类号：ＴＮ９１９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—６６７３（２００８）０５－１６５－０３ ｝ 装有一个位置传感器用来检测主转子在运行过程中的位 ０引言 ． 由于无刷直流电动机是伴随着数字控制技术而产生 ｌ 机械换向装置。直流无刷电动机由下列三大部分组成：①电动机主体一带有电枢绕组的定子和永磁转子；②位 和发展起来的，由于无刷直流电动机既具备交流电动机 １置．它与电子换向器线路一起代替了有刷直流电动机的 Ｉ 的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又保 Ｊ 置传感器；③电子换向线路。２直流无刷电动机的工作原理圆 持了传统直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调 Ｉ １．速性能好等诸多优点，故其应用越来越广泛。 ：当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁 随着应用的深入，对无刷直流电动机的数字控制不 Ｉ 钢的磁极所产生的磁场互相作用而产生转矩，驱动转子 但要求控制器有强大的Ｉ／０控制功能，又要求控制器有 ｝ 旋转。再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，高速的信号处理能力以实现实时控制。在这种要求下， ｌ 去控制电子开关线路，从而使定子各绕组按一定次序导 世界上各大ＤＳＰ生产厂商将ＤＳＰ的高运算速度与单片 ： 通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换 机的高控制能力相结合开发出了电动机控制的专用 ｆ 相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步 ＤＳＰ。这种ＤＳＰ集成了电动机控制所必须的可增加死区 ｊ 的，因而起到了机械换向器的换向作用。因此，所谓无 且灵活多变的多路ＰＷＭ信号发生器、高速度、高精度 ｌ 刷直流电动机，就其基本结构而言．可以认为是一台由 ＡＤＣ．以及用于电动机速度和位置反馈的编码器接口等 电子开关线路 永磁同步电动机以及位置传感器三者组 电路。因此采用ＤＳＰ为主的无刷直流电动机控制的时代 ｆ 成的电动机系统。已经来临。 １ 无刷直流电机开关线路是用来控制电机定子上各相 Ｉ １直流无刷电动机的结构及工作原理 ： 置传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻辑开关单 绕组通电的顺序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位 １．１直流无刷电动机的结构 ｆ 元是控制电路的核心．其功能是将电源的功率以一定的 众所周知，有刷直流电动机具有旋转的电枢和固定 ｊ 逻辑关系分配给无刷直流电机定子上各绕组．以便使电 的磁场ｉｔ］。因此，有刷直流电动机必须有一个滑动的接 ： 机产生持续不断的转矩。而各相绕组导通的顺序和时间 触结构一电刷和换向器，通过它们向转动着的电枢供电。 ｌ 主要取决于来自位置传感器的信号。ｌ 直流无刷电动机却与前者相反，它具有旋转的磁场和固 ｆ 定的电枢。这样，电子换向线路中的功率开关元件，如晶 Ｉ 体管或可控硅等可直接与电枢绕组连接。在电动机内， —— ２无刷直流电动机控制系统的软硬件设计 ２．１总体控制方案 图１是三相无刷直流电动机用软件实现数字双闭环 控制框图。给定转速与速度反馈量形成偏差，经速度调 Ｊ 收稿Ｅｌ期：２００８—０７—２１ Ｉ作者简介：马宏革（１９６６－），男，副教授。主要从事机电一体ｌ 化技术研究和教学工作；张晓晖（１９７３－），女。教师，硕士研： 节后产生电流参考量，它与电流反馈量的偏差经电流调 究生。主要研究方向：现代工业控制技术，图像处理（本文Ｉ 节后形成ＰＷＭ占空比的控制量，从而实现电动机的速 为内蒙古自治区高等学校科学研究项目） ｌ 度控制。其中电流的反馈量是通过检测电阻Ｒ上的压降 １６５ 维普资讯 http://www.cqvip.com ・测试与控制・ 藿 一…厂 精定 ～一… ．ｌ 电流 一 位置曼数 …．． ．● 一一一～、 ：另外．由于 Ｖ１控制 一厂］厂］ 在ＰＷＭ周期的 上升并不稳定． 翻孝 ： ；电流反谚．． …．．．．～ 一ｌ， ｊ、 ～—— 两 ４￣ＮＮＮ“开”的瞬间。电流 ｖ————— ——厂］，．— — 一厂］～ ｌ皇篓竺 也不易采样电 采样时 土～． －７［ ———— ——Ｌ —— Ｊ ＼ ＼———— 图１无刷直流电动机调速控制框图 Ｆｉｇ．１ Ｒｅｇｕｌａｔｅｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌｅｄ ｂｌｏｃｋ ｏｆ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ 流，因此，电流采 图３双极性ＰＷＭ控制 Ｆｉｇ．３ Ｄｏｕｂｌｅ Ｐｏｌｅｓ ＰＷＭ Ｃｏｎｔｒｏｌ 样时刻应该是在 来实现的，速度反馈是通过霍尔位置传感器输出的位置 ＰＷＭ周期的“开”期间的中部，如图３所示。它可以通过 量经过计算得到的，除此之外，位置传感器输出的位置 定时器采用连续增减记数方式时周期匹配事件启动ＡＤＣ 量还用于控制换相翻。 ２＿２无刷直流电动机控制和驱动电路 本系统采用ＴＭＳ３２０Ｌ Ｆ２４０７Ａ来实现三相无刷直流 电动机调速的控制和驱动电路 。在图２所示的系统控 制和驱动电路中，３个位置间隔１２０。的霍尔传感器Ｈｌ、 图２无刷直流电动机的ＤＳＰ控制和驱动电路 Ｆｉｇ．２ ＤＳＰ ｃｏｎｔｒｏｌｅｄ ａｎｄ ｄｒｉｖｅｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｎ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ Ｈ２、Ｈ３经整形隔离电路后分别与ＴＭＳ３２０Ｌ Ｆ２４０７Ａ的 ３个捕捉引脚ＣＡＰ１、ＣＡＰ２、ＣＡＰ３相连，通过产生捕 捉中断给出换相时刻，同时给出位置信息。由于电动机 每次只有两相通电，其中一相正向通电，另一相反向通 电．形成一回路。因此每次只须控制一个电流。用电阻 Ｒ作为电流传感器，将其安放在电源对地端，就可方便 地实现电流反馈。电流反馈输出经滤波放大电路连接到 ＴＭＳ３２０Ｌ Ｆ２４０７Ａ的ＡＤＣ输入端ＡＤＣＩＮ００，在每一个 ＰＷＭ周期都对电流进行一次采样，对速度（ＰＷＭ占空 比）进行控制。ＴＭ￥３２０Ｌ Ｆ２４０７Ａ通过ＰＷＭＩ￣ＰＷＭ６引 脚经一反相驱动电路分别连接到ｖ ～Ｖ 等６个开关管， 实现定频ＰＷＭ和换相控制。 ２．３电流检测 电流检测是用分压电阻Ｒ来实现。电阻值的选择可 考虑当过流发生时能输出最大电压，同时起到过流检测 的作用 开关管采用双极性ＰＷＭ控制，在ＰＷＭ周期 的“关”期间，电流经过同一桥臂的另两个开关管的续 流二极管到电源形成续流回路，在电阻上有反相电流流 过，产生负电压，所以在和另一个开关管的ＰＷＭ周期 的“关”期间也不能采样电流。 １６６ 转换来实现。 ２．４位置检测 本系统中位置信号是通过３个霍尔传感器得到的。 每一支霍尔传感器都会产生１８０。脉宽的输出信号，如图 ４所示。３支霍尔传感器的输出信号互差１２０￣相位差． 这样它们在每个机械转有６个上升沿或下降沿．正 好对应着６个换相时刻，通过将ＴＭＳ３２０Ｌ Ｆ２４０７Ａ设置 ０ ０ ０ ２４０。 ３６０。ｏ）ｔ 图４霍尔位置传感器输出波形 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｗａｖｅ ｓｈａｐｅ ｏｆ ｏｕｔｐｕｔ、ｖｉｔｈ ｈｏｏｔ＂ｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ 为双沿触发捕捉中断功能，就可以获得这６个时刻。但 只有换相时刻还不能正确换相，还需要知道应该换哪一 相。通过将ＴＭＳ３２０Ｌ Ｆ２４０７Ａ的捕捉口ＣＡＰ１～ＣＡＰ３设 置为Ｉ／Ｏ口，并检测该口的电平状态。就可以知道哪一 支霍尔传感器的什么沿触发的捕捉中断。一 ２．５速度计算 位置信号还用于产生速度控制量。由于每个机械转 有６次换相，所以转子每转过６０。机械角都有一次换相， 这样通过测得２次换相的时间间隔△ｔ，根据【ｏ＝６０。／Ａｔ 计算出２次换相间隔期间的平均角速度。速度计算和速 度调节所使用的参数存放在数据区３００Ｈ开始的６个单 元中，ＡＲ２作为数据的地址指针。 ２．６电流环的控制 电机的相电流的通电时间由ＰＷＭ波的脉冲宽度决 定。而相电流的通电时间又决定了相电流的大小（本系 统电流环周期设为５０ｕｓ，即２０ｋＨｚ）。因此可通过对 ＰＷＭ波的设置控制相电流的大小。ＰＷＭ波的脉宽可由 以下控制算法确定： Ｉ Ｉ －Ｉ —ｄ 维普资讯 http://www.cqvip.com ・测试与控制・ Ｄｕｔｙ ｃｙｃｌｅ（ｎｅｗ）＝ｄｕｔｙ ｃｙｃｌｅ（ｏｌｄ）＋Ｉｅｒｒｏｒ× ｉｆ ｄｕｔｙ ｃｙｃｌｅ（ｎｅｗ）≥Ｔｉｍｅ ｐｅｒｉｏｄ ｔｈｅｎ ｄｕｔｙｃｙｃｌｅ（ｎｅｗ）＝Ｔｉｍｅｒ ｐｅｒｉｏｄ ｉｆ ｄｕｔｙ ｃｙｃｌｅ（ｎｅｗ）≤０， ｛ 度和电流的调节，控 Ｄ 制ＰＷＭ输出。Ａ／ｌ 转换中断子程序流程 １框图如图５所示。 ｔｈｅｎ ｄｕｔｙ ｃｙｃｌｅ（ｎｅｗ）＝０ 其中：Ｋ一比例增益因子。 ２＿７速度环的控制 ｌ ３结束语 ｌ本文设计的以 系统的速度环的频率设为２０ＭＨｚ，这个设置可根据 Ｊ ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７为核 系统的实际需要而定。可通过改变相电流的大小来控制 ｉ 心的无刷直流电动机 电机的转速。因此，可把参考转速变成适当的参考电 ｆ 控制系统，充分利用 流，然后传给电流环，使电流环产生适当的ＰＷＭ波去控 ： 了ＤＳＰ芯片的高速 制电机的相电流，实现对电机转速的控制。速度环采用 ｌ 信号处理能力和电机 Ｐｌ算法，算法如下： Ｉｄｃｒｅｆｋ＝Ｏｄｃｒｅｆｋ＿ｌ＋Ｋｐ（ｅｋ—ｅｋ＿１）＋ＫｉＴｅｋ 图５ Ａ，Ｄ中断子程序流程图 Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｓｓ ｄｉａｇｒａｍｅ ｏｆ 控制优化的外围电 ｆ 路．使控制系统的硬 ｊＡ／Ｄ ｂｒｅａｋ ｓｕｂ－ｐｒｏｇｒａｍｅ 式中：Ｉｄｃｒｅｆｋ一速度控制器的输出；Ｋ 比例因子； ・ 件电路大大简化，实现了电流环和速度环的全数字化， Ｋ ～积分因子；Ｔ一系统的采样周期。 ２．８无刷直流电动机的ＤＳＰ控制流程 电流的采样、Ａ／Ｄ转换、转子速度计算、位置捕获及Ｉ提高了控制系统的实时性和可靠性，可以为高性能系统 控制提供可靠高效的信号处理与硬件控制，从而弥补了 ｌｌ参考文献： ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７对无刷直流电动机的主要控制任务为 ！ 传统设计所带来的不足。 ＰＷＭ输出控制等。ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７的整个控制系统的软 ｌ ［１］朱耀忠．电机与电力拖动［Ｍ】．北京：北京航空航天大学出版社，２００５． 件由主程序和中断子程序组成。主程序主要负责系统的初 ｌ ［２１叶金虎，徐思海．无刷直流电动机【Ｍ］科学出版社，１９８２． 始化、变量的初始化、事件管理器的初始化及其它一些外 ［３１韩安太，刘峙飞，黄海・ＤｓＰ控制器原理及其在运动控制系统中的 设的初始化，最后进入循环等待中断，而中断子程序主要 ｌ 应用【Ｍ】・北京：清华大学出版社，２ｏｏ。・ 包括转子位置捕获中断和 转换中断ｃ捕获中断负责监 测转子位置、计算速度和进行换相：ＡＤＣ中断完成对速 ｆ 耋Ｍ出Ｓ版｝３２０土Ｌ＇２Ｆｏ０２４２０． ｓＰ结构、原理及应 Ｔｈｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ Ｍｏｔｏｒ Ｂａｓｉｎｇ ｏｎ ＤＳＰ ＭＡ Ｈｏｎｇ－Ｇｅ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉｏｏ—Ｈｕｉ，ＳＯＮＧ Ｆｅｉ－Ｙａｎ （Ｂａｏｔｏｕ Ｌｉｇｈｔ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｂａｏｔｏｕ Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｈａ ０１４０３５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｄｏｃｕｍｅｎｔ ｐｒｅｓｅｎｔ ａ ｔｏｔｌａ ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ ａ ｔｈｒｅｅ ｐｈａｓｅ ＢＬＤＣＭ Ｕｓｉｎｇ ＤＳＰ ｃｈｉｐ ｐｒｏｕｄｕｃｅｄ ｂｙ ＴＩ ｃｏｍｐａｎｙ，ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ Ｓ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ；ＤＣ ｍｏｔｏｒ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ；ＤＳＰ （上接第１５７页）无轨智能导航控制器将在现代大门设 备中得到更广泛的应用。 本文作者创新点：本着设计、实现价格合理、功能 完善、可靠性高的控制器，具有实用价值。本系统具有 设计简单、可靠性高、成本低、开发周期短等特点。 参考文献： ［１】高家宏．现代大门的自动变速控制『Ｊ］．机电工程技术，２００６，２． ［２】楼然苗，李光飞．５１系列单片机设计实例【Ｍ】．北京：北京航空航天 大学出版社．２００１． ［３］马鸿雁．门禁控制器的研制【Ｊ］．北京建筑工程学院学报，２００２，２． Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｔｒａｃｋｌｅｓｓ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ＳＨＩＤｅ￣Ｊｉａ （Ｈｕｎａｎ Ｂｕｓｉｎｅｓｓ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｈｕｎａｎ ４１０２０５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡＣ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｅｒｉｅｓＴｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ｄｉｇｉｔａｌ ．ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ，ｉｔ ｔａｋｅｓ ＡＴ８９Ｓ５２ ｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｓ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃｏｎｔｒｏｌ／ｉｎｇ ｃｏｒｅｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ｄａｔａ ，ｃｏｌｌｅｃｔ，ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｃｏｎ￣ｏ１．Ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｔａｓｋｓ ａｎｄ ｔａｓｋ ｓｃｈｅｄｕｈｎｇ ｅｓｓｅｎｃｅ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｉｎ ｓｙｓｔｅｍ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｇｒａｒｎｍａｂｌｅ ｆｌｏｗｃｈａ￣． Ｋｅｙ ｗｏｒｄ：ｔｒａｃｋｌｅｓｓ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｎａ￣ｇａｆｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ；ｓｈｄｎｋ ｄｏｏｒ ，ａｌｓｏ ｇｉｖｅｓ ｏｕｔ ｔｈｅ ｐｒｏ— １６７
