利用DSP控制直流無刷電機

1、利用DSP控制直流無刷電機    利用DSP控制直流無刷電機預覽： 摘要：介紹了一種利用雙口RAM實現(xiàn)DSP與單片機高速數(shù)據(jù)通信的方法，給出了它們之間的接口電路以及軟件實現(xiàn)方案。關鍵詞：DSP；雙口RAM；接口電路；數(shù)據(jù)通信直流無刷電機實際屬于永磁同步電機，一般轉子為永磁材料，隨定子磁場同步轉動。這種電機結構簡單，而且由于移去了物理電刷，使得電磁性能可靠，維護簡單， 利用DSP控制直流無刷電機正文：摘 要：介紹了一種利用雙口RAM實現(xiàn)DSP與單片機高速數(shù)據(jù)通信的方法，給出了它們之間的接口電路以及軟件實現(xiàn)方案。關鍵詞：DSP；雙口RAM；接口電路；數(shù)據(jù)通信

2、 直流無刷電機實際屬于永磁同步電機，一般轉子為永磁材料，隨定子磁場同步轉動。這種電機結構簡單，而且由于移去了物理電刷，使得電磁性能可靠，維護簡單，從而被廣泛應用于辦公自動化、家電等領域。直流無刷電機運行過程要進行兩種控制，一種是轉速控制，也即控制提供給定子線圈的電流；另一種是換相控制，在轉子到達指定位置改變定子導通相，實現(xiàn)定子磁場改變，這種控制實際上實現(xiàn)了物理電刷的機制。因此這種電機需要有位置反饋機制，比如霍爾元件、光電碼盤，或者利用梯形反電動勢特點進行反電動勢過零檢測等。利用光電編碼器的系統(tǒng)在軟件實現(xiàn)上更方便。電機速度控制也是根據(jù)位置反饋信號，計算出轉子速度，再利用PI或PID等控

3、制方法，實時調(diào)整PWM占空比等來實現(xiàn)定子電流調(diào)節(jié)。因此，控制芯片要進行較多的計算過程。當然也有專門的直流無刷電機控制芯片；但一般來說，在大多數(shù)應用中，除了電機控制，總還需要做一些其他的控制和通信等事情，所以，選用帶PWM，同時又有較強數(shù)學運算功能的芯片也是一種很好的選擇。Motorola的數(shù)字信號處理器DSP568xx系列整合了通用數(shù)字信號處理器快速運算功能和單片機外圍豐富的特點，使得該系列特別適合于那些要求有較強的數(shù)據(jù)處理能力，同時又要有較多控制功能的應用中，對直流無刷電機的控制就是這一系列DSP的典型應用之一。直流無刷電機結構和連接三相直流無刷電機采用二二導通、三相六狀態(tài)PWM調(diào)制方式。電

4、機定子繞組軸向示意圖如圖1所示。當電流從A到B時，定子繞組產(chǎn)生的磁場為圖1中AB方向，如果電機順時針運行，此時，永磁轉子磁場應位于III區(qū)，產(chǎn)生的扭矩最大。當轉子轉過III區(qū)和IV區(qū)的交界，到達IV區(qū)時，定子繞組電流應相應改變成為從A到C，即產(chǎn)生的磁場成為圖1中AC方向。這樣，定子磁場總超前轉子磁場約90°，使轉子不斷的向前跟進。實現(xiàn)這個過程的關鍵是取得轉子位置，積分編碼器就起這個作用，如它的三路輸出：PHASEA、PHASEB、PHASEC，在轉子分別位于圖1中的I到VI各區(qū)時，輸出信號相應為：011、001、101、100、110、010。這樣，通過捕捉積分編碼器任一路輸出上的跳

5、變沿，讀取跳變沿后的積分編碼器輸出狀態(tài)，就可以確定轉子的新位置，實現(xiàn)定子繞組電流換向。同時，利用定時器檢測兩次換向之間的時間間隔，計算出電機運行的速度，再通過調(diào)整PWM信號的占空比，調(diào)整定子電流，實現(xiàn)調(diào)速。DSP568xx中使用到的主要模塊在Motorola的DSP568xx系列數(shù)字信號處理器的軟件開發(fā)包中，給出了一個利用上述思路對直流無刷電機控制的應用程序：bldc_sensors。主要用到了DSP的脈寬調(diào)制PWM模塊、定時器模塊、相位檢測器DECODER模塊。PWM模塊共有六路輸出，分別用來控制三相的頂?shù)坠擦鶄€功率管。模塊可以被配置成互補通道模式，即PWM0與PWM1為一對互補對，共三對互

6、補對，如圖2所示。互補對內(nèi)的兩個信號可以在芯片內(nèi)部被互相交換，如圖2中C相所示；也可以同時被屏蔽，使得輸出全為0，該相就關斷，如圖2中A相所示。定時器模塊是最普通的外設，在這個應用中，使用了5個定時器模塊，它們分別是A0、A1、A2、A3和D0。前3個分別接積分編碼器的一路輸出，利用它們的輸入捕捉功能，產(chǎn)生中斷，在中斷子程序內(nèi)檢測新的積分編碼器輸出狀態(tài)，實現(xiàn)換相。A3接的也是積分編碼器的一路輸出，它用來測量某路霍爾信號兩個跳變沿間的時間間隔，計算轉子速度。D0用來產(chǎn)生20ms間隔的節(jié)拍，周期性的對系統(tǒng)狀態(tài)進行轉換和檢測。相位檢測器DECODER模塊對于電機控制非常有用，它不僅能用于本文所說的六

7、狀態(tài)積分編碼器，還能用于轉子每轉一圈產(chǎn)生相當多數(shù)目脈沖的積分編碼器。該模塊框圖如圖3所示。1 2 3 下一頁 利用DSP控制直流無刷電機預覽： 摘要：介紹了一種利用雙口RAM實現(xiàn)DSP與單片機高速數(shù)據(jù)通信的方法，給出了它們之間的接口電路以及軟件實現(xiàn)方案。關鍵詞：DSP；雙口RAM；接口電路；數(shù)據(jù)通信直流無刷電機實際屬于永磁同步電機，一般轉子為永磁材料，隨定子磁場同步轉動。這種電機結構簡單，而且由于移去了物理電刷，使得電磁性能可靠，維護簡單， 利用DSP控制直流無刷電機正文：但在本應用中，只用到了它的干擾信號濾波器，即使用了積分編碼器的三路輸出經(jīng)過濾波后的值。六狀態(tài)

8、積分編碼器的三個輸出PHASEA、PHASEB、PHASEC分別接到相位檢測器的PHASEA、PHASEB、INDEX三個輸入端上。控制算法對于無刷直流電機的控制，軟件上的內(nèi)容是主體。程序是一種前后臺結構，前臺是一個死循環(huán)，死循環(huán)內(nèi)作兩個工作，一個是程序狀態(tài)轉換ApplicationStateMachine()，另一個是20ms時鐘節(jié)拍觸發(fā)的LED控制、直流電壓數(shù)字值讀取和速度控制等服務性工作ServiceLedISR()。程序中有一個全局變量ApplicationMode，取值可以是Init、Stopped、Running和Fault，用來指示系統(tǒng)的狀態(tài)。main()函數(shù)一開始在初始化函數(shù)I

9、nitialize()中先把系統(tǒng)狀態(tài)設置為Init，然后在程序狀態(tài)機ApplicationStateMachine()里實現(xiàn)如圖4所示的轉換。狀態(tài)之間轉換的各種條件均標在圖4的各個箭頭上。硬件上的其他事件：定時器A0、A1、A2的輸入捕捉，A3的輸入捕捉和溢出，D0的輸出比較以及加減速按鍵都是通過中斷的方式打入。所以整個軟件的結構如圖5所示。系統(tǒng)一加電，程序進入初始化函數(shù)Initialize()，在這個函數(shù)中，做了以下工作：啟動直流電壓ADC；初始化Led，開始20ms的周期時鐘中斷D0；開關狀態(tài)初始化；PWM參數(shù)初始化；捕捉積分編碼器跳變沿的定時器A0、A1、A2初始化；相位檢測器初始化；A

10、pplicationMode = Init；取得轉子位置，設好初始的導通相；PI控制器初始化；用于測量轉速的定時器A3的初始化。從Initialize()返回后，立刻進入前臺死循環(huán)。在轉子運行過程中，定時器A0、A1、A2輸入捕捉的發(fā)生，標志著轉子運行到了一個需要換相的位置。輸入捕捉事件觸發(fā)中斷ISRQTimer()，在這個中斷服務程序中，完成以下的工作：從相位檢測器取得當前積分編碼器的三路輸出狀態(tài)；根據(jù)當前積分編碼器輸出狀態(tài)，判斷轉子運轉方向；并調(diào)整PWM模塊的交換和屏蔽，即定子電流換相。所以說，定子電流的換相，是在緊隨著積分編碼器輸出跳變沿的中斷服務子程序中完成的。在判斷轉子運轉方向的時候

11、，使用了一個常數(shù)組：DIRECTION_TABLE8 = 0, 5, 3, 1, 6, 4, 2, 0。這個數(shù)組元素的下標和元素的值對應轉子在順時針運轉情況下，當前編碼器狀態(tài)和下一個編碼器狀態(tài)（見圖1）。比如，當前編碼器輸出011，轉子磁場位于I區(qū)，那么順時針運轉時，下一個編碼器狀態(tài)應為001，這正好對應于上述數(shù)組中，下標為011的元素值為001。這樣，通過比較以編碼器上一個狀態(tài)作為下標的數(shù)組元素值與當前狀態(tài)是否相同，就可以判斷轉子運轉方向。在實現(xiàn)定子電流換相時，也以當前狀態(tài)為下標，從專門數(shù)組中取得PWM模塊通道交換與屏蔽所需的參數(shù)。在本應用中，將三對PWM互補通道對的參數(shù)設成一致，通過屏蔽某

12、一相，交換另外一相，實現(xiàn)定子繞組電流狀態(tài)的控制，如在圖2中，A相被屏蔽，B相頂功率管開關占空比為70，而將C相兩個PWM通道交換，C相的底功率管開關占空比就由原來的30成為70，從而使電流由B相流入定子繞組而從C相流出，確定定子繞組B>C的電流狀態(tài)。積分編碼器的某一路輸出，比如PHASEC的跳變，還觸發(fā)了定時器A3的輸入捕捉中斷。在輸入捕捉中斷中，取得各個跳變沿之間的時間間隔，用來計算轉子速度。定時器A3的溢出中斷，也是為取得各個跳變沿之間的時間間隔服務。在Initialize()函數(shù)中調(diào)用的LedInit()函數(shù)內(nèi)部已經(jīng)將定時器D0進行了初始化，所以從那時開始，定時器D0開始運行，每2

13、0ms產(chǎn)生一個中斷，觸發(fā)中斷服務子程序LedISR()的運行。在LedISR()中，只是設了一個標志位bLedISROccurred為真。但這會使得死循環(huán)內(nèi)ServiceLedISR()函數(shù)的具體內(nèi)容被執(zhí)行，而不是直接返回。ServiceLedISR()函數(shù)的具體代碼完成以下工作：Led閃爍周期計算和控制；UpButton、DownButton按鍵延時控制；從ADC讀取直流電壓值并重啟ADC；取得一路積分編碼器的跳變沿間隔并計算速度，進行速度控制。所以，轉子運轉的速度控制是在幾乎每20ms周期的ServiceLedISR()內(nèi)完成。加減速按鍵也觸發(fā)中斷，在中斷服務子程序內(nèi)，調(diào)用相應函數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)設定速度的改變。結束語Motorola的數(shù)字信號處理器DSP568xx系列憑借著較強的數(shù)據(jù)處理能力和強大豐富的外圍，尤其是相位檢測器、脈寬調(diào)制等模塊，非常適用于直流無刷電機控制這樣的實時應用中。前后臺方式的控制算法，反應速度快，代碼量少，在直流無刷電機等控制過程不上一頁  1 2 3 下一頁 利用DSP控制直流無刷電機預覽： 摘要：介紹了一種利用雙口RAM實現(xiàn)DSP與單片機高速數(shù)據(jù)通信的方法，給出了