基于-DSP-的无刷直流电机控制系统设计和仿真研究概要

题目基于DSP的无刷直流电机控制系统设计作者：潘高超学号：15120017班级：研15电气完成日期：2016年5月22日摘要随着计算机技术和现代控制理论的发展，由数字控制装置组成的随动系统应运而生。与传统的模拟系统相比，数字随动系统具有设计简单，体积小，修改方便，精度高，可靠性高等优点。作为典型的数字随动控制系统的执行器，无刷直流电机既具备交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列特点，又具有直流电机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点，故在许多高科技领域得到了非常广泛的应用，如机器人、数控机床、雷达、潜艇和各种军用武器随动系统。本文以无刷直流电机控制系统在武器随动系统中的应用为背景，设计基于DSP的无刷直流电机控制系统。首先,本文深入研究了永磁无刷直流电机,确立了一套以DSP(TMS320LF2407A)为核心的无刷直流伺服电机的控制系统方案。本控制系统的主要优势在于利用数字信号处理器DSP的高速数字运算功能，实现各种高效的控制算法，达到无刷直流电机的高精确控制的目的。在控制系统设计部分，本文重点论述了控制系统的总体硬件构成，包括TMS320LF2407A控制器，DSP外围电路和功率驱动及其逆变电路的设计。同时，对位置信号、相电流、相电压检测电路，速度信号检测电路和故障逻辑电路进行了设计。本文还对控制系统软件进行了简单介绍，包括主程序、中断服务程序以及速度环和电流环算法，并基于模块化结构设计思想绘制了流程框图。关键词：无刷直流电机，TMS320LF2407A，精确控制，DSP第一章控制系统硬件设计1.1控制系统总体的硬件构成针对无刷直流电机控制系统的分析，设计了基于DSP的无刷直流电机数字控制系统，其硬件构成如图所示。本系统的控制电路主要由功率驱动、三相逆变和DSP(TMS302LF2407A)单元组成，当然还包括DSP接口电路，以及必要的保护电路。本系统采用PWM方式实现对无刷直流伺服电机的控制。交流输入经过整流、稳压并为逆变电路提供直流电源。驱动部分采用国际整流器公司的驱动模块IR2132S，控制由转速环和电流环双闭环组成，从而有效地提高了无刷直流电机的控制精度。位置给定由无刷直流电机自带的霍尔元件给出，并由LF2407A的CAP端进行捕捉定位。转速及其方向给定由光电编码器形成正交编码信号，由LF2407A的QEP端进行速度与转向的鉴定。根据给定的速度信号，DSP产生一定的PWM波。通过调整PWM波宽度控制功率管的开关时间，实现对无刷直流电机的控制。电流给定由单电流霍尔传感器在LF2407A的控制下传达三相电流信号并由LF2407A自带的A/D进行采样，由LF2407A根据电流采样值来调整PWM波的占空比，从而改变相电流幅值。人机界面接口采用键盘液晶显示，并提供上位机(SCI方式)的接口。系统选用DSP的PDPINTA管脚作为系统保护信号的输入端，一旦系统出现故障时，PDPINTA引脚电平变低，所有PWM输出引脚均设置为高阻状态，此时一个中断将被生成。1.2TMS320LF2407ADSP控制器介绍TMS320LF2407A是TI公司推出的TMS320C24xx系列DSP中最新的功能最齐全最强大的16位定点数字信号处理器。与传统的24x处理器相比，TMS320LF2407A性能有很大的提高；40MIPS的运算速度(24x为20MIPS，240x为30MIPS)；软件加密功能，能够有效地防止片内软件的非法拷贝；不仅为码盘接口单元输入引脚提供了输入限定功能，也为其它捕获输入、除Reset以外的外部中断输入和ADCSOC引脚提供了输入限定功能，以防止误动作；在比较控制寄存器(COMCONx)中使用功率驱动保护中断引脚(PDPINTx)，该位在240x系列中为保留位。TMS320LF2407A的功能除具有TMS320系列DSP的基本功能外，还具有以下特点：(1)采用高性能静态CMOS技术，使供电电压降为3.3V，减小了控制器功耗；40MIPS的最高指令执行速度使得指令周期为25ns(40MHz)，从而提高了控制器的实时控制能力。(2)基于TMS320C2xxDSP的CPU内核，保证了TMS320LF2407A代码和TMS320系列DSP代码兼容。(3)片内有高达32K字FLASH程序存储器，并带有可编程加密功能；高达1.5K字数据/程序RAM，544字双口RAM(DARAM)和2K字单口RAM(SARAM)。(4)十二路带有可编程死区时间设置的PWM驱动输出接口，硬件上保证可同时控制两台三相电机，或同时控制一台三相电机并同时实现PFC或PWM整流功能，或者进行三电平逆变器的控制研究。(5)两个事件管理模块EVA和EVB，每个模块包括：两个16位通用定时器；8个16位脉宽调制(PWM)通道。它们能够实现：PWM的对称和非对称波形；可编程PWM死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲；3个捕获单元；高速光电编码接口，通过输入正交编码脉冲电路来获得转子的速率和机械角位置；16通道10位A/D转换器。事件管理器模块适用于控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机和功率逆变器。(6)可扩展外部存储器总共192K字空间：64K程序存储空间；64K字数据存储空间；64K字I/O寻址空间。(7)看门狗定时器模块(WDT)：可用来监控系统软件和硬件的操作，它可以按照用户设定的时间间隔产生中断。如果软件执行进入一个不正确的循环或者CPU运行出现异常时，该模块可以实现系统复位，使系统进入预定状态。(8)控制器局域网络(CAN)2.0模块：CAN模块给用户提供了设计分布式或网络化运动控制系统接口。(9)串行通信接口(SCI)模块：用于实现DSP与其他异步外设之间的串行通信，其接收器和发送器都是双缓冲的。(10)16位串行外设(SPI)接口模块：用于DSP与外设或其他控制器进行串行通信，典型应用包括与数模转换器、LED显示驱动等器件的通信。(11)高达41个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚(GPIO)和基于锁相环的时钟发生器。TMS320LF2407A一经推出，便以其优越的性能特点以及同类产品所无法比拟的功能成为高性能传动控制系统设计的首选器件，逐步取代了以前广泛使用的TMS320F240和TMS320LF2407，是目前业界最具竞争力的电机专用控制器。TMS320LF2407A芯片内主要的功能模块图表如图所示。1.3DSP外围电路设计1.3.1DSP电源转换电路设计TMS320LF2407A的工作电压是3.3V，而目前许多外用外器件的主要工作电源通常是5V，因此以TMS320LF2407A为核心所构成的应用系统必然是一个混合电压系统，首先要解决TMS320LF2407A的电源问题。解决3.3V电源通常有以下几种方案：电阻分压法，采用电源模块，利用线性稳压电源转换芯片。利用电阻分压的方法比较简单，但是随着负载的变化，输出的电压会产生波动，而且电阻的功耗也比较大，对于低功耗的系统和对电源要求高的系统，不适合采用这种方案。电源模块使用方便、效率和可靠性都很高，但是电源模块的价格一般都比较昂贵。线性稳压芯片是一种最简单的电源转换芯片，基本上不需要外围元件。但是传统的线性稳压器，如LM317，要求输入电压比输出电压高2V或者更大，否则就不能够正常工作。因此对于5V的输入，输出并不能够达到3.3V而对低电源的需求，许多电源芯片公司推出了低电压差线性稳压器(LDO)。这种电源芯片的压差只有1.3V~0.2V，可以实现5V转3.3V/2.5V或者3.3V转2.5V/1.8V等要求。LDO所需的外围器件数目少，使用方便、成本较低、纹波小、无电磁干扰。TPS7333是一种固定输出3.3V电压的电源转换芯片，这是TI公司为了配合DSP而生产的，正好适合TMS320LF2407A的电源需要。它使用PMOS晶体管传送电流，PMOS元件的栅极由电压驱动，工作电流较低且在全负载范围内不变。TPS7333还具有内部电流限制和过热保护的特点，把输出电流限制到大约1A。当发生电流限制时，输出电压按线性规律反比例变化，直到过流状态结束为止。如果器件的温度超过1650C，热保护电路将使其关断。具体电路如图3.3所示。1.3.2时钟电路和仿真接口设计DSP芯片的时钟有两种引脚连接方式：一种是利用DSP芯片内部所提供的晶振电路，在DSP芯片XTAL2和X'I'ALl/CLKIN引脚之间连接一晶体来启动内部的振荡器；另一种方法是将外部的时钟源直接输入XTAL1/CLK1N，XTAL2悬空。在本方案中采取第二种方法，下图为外部时钟源连接。TMS320LF2407A芯片具有锁相环时钟模块(PLI.)，该时钟模块可将输入的时钟信号进行4、2、1、33等倍频，所以采用10MHz的外接晶体，经过PLL进行4倍频后即可满足2407A的40MHz频率的要求。设计一个DSP系统，必须考虑系统的软硬件调试与仿真，调试DSP系统一般离不开DSP仿真器，仿真器是通过仿真接口实现与DSP之间进行数据交互。仿真器即扩展开发系统(XDS)，可用来进行系统级的集成调试，是进行DSP芯片软硬件开发的最佳工具。目前主要有两种类型的仿真器：一种是传统的电路仿真器，另一种是先进的扫描仿真器。JTAG(JointTestActionGroup)称为联合试验行动组，该组提出了边界扫描测试方案，后来成为IEEE1149.1标准，即IEEE标准试验存取口和边沿扫视技术。TI为其大多数DSP产品提供了JTAG端口支持，TMS320LF2407A也不例外。JTAG接口定义如图所示。1.3.3通讯与存储器电路接口设计TMS320LF2407A芯片配有串行通信接口SCI模块，SCI接收器和发送器是双缓冲的，通过一个16位的波特率选择寄存器，数据的传输速度可以被编程为65535种不同的方式。本系统采用RS-232串行口与2407A的SCI接口进行PC机与DSP之间的异步通信。RS-232是美国电子工业协会制定的一种串行总线的物理接口标准，此标准规定了串行通信中主控模块和从属模块之间的物理连接的机械、电气、功能和过程特性。RS-232标准总线为25线，但在实际应用中常用其简化了的9线接口，下图给出了9线RS-232的接口标准。下图是TMS320LF2407A与MAX232A的串行通信接口电路，该电路采用了符合RS-232标准的驱动芯片MAX232A进行串行通信。MAX232A芯片功耗低、集成度高，采用+5V供电。DSP系统的存储空间分为内部和外部两种。尽管内部存储器具有存储效率高、使用方便的优点，但是其存储器容量太小，一般不能满足调试的需要。TMS320LF2407A的片内具有544×16位的DARAM，2K×16位的SARAM和32K×16位的FLASHEEPROM/ROM，对于一般系统在正常运行时32K的FLASH存储器基本上能够满足要求，但是，在DSP开发调试过程中，每次在PC机调试完程序并生成了目标代码后，再通过仿真器的JTAG接口将数据下载到DSP目标板的存储器，程序实际上是在目标板上运行。如果所需要调试的目标代码容量大于2407A内部数据存储器的2.5K字，则每次改动程序后就需要烧写一次片内FLASH存储器，否则将无法进行仿真，所以在程序的调试阶段一般都要对系统进行程序存储器的扩展。外部存储器分为两种：只读存储器(ROM)和可读写存储器(RAM)。对于DSP开发调试阶段，一般都需要对程序进行不断地修改，因此需要扩展可读写的存储器。本系统选用的可读写存储器为64K×16位的高速低功耗SRAM芯片IS61LV6416，其存取时间最小可达8ns，供电电压3.3V，不需要插入等待周期就可以与LF2407A很好的同步工作。2407A的程序存储器空间的寻址范围为64K，这包括片内的RAM和FLASHEEPROM/ROM。当访问片外程序地址空间时，DSP自动产生一个访问外部程序地址空间的信号PS。当MP/MC设引脚为0时(DSP配置为微控制器)，片内的RAM和FLASHROM可以被访问；当MP/MC设引脚为1