利用DSP控制直流無刷電機

1、利用利用 DSPDSP 控制直流無刷電機控制直流無刷電機摘摘 要要：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(zhuǎn)子為永磁材料，隨定子磁場同步轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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

2、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(zhuǎn)子速度，再利用 PI 或 PID 等控制方法，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

3、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(zhuǎn)子磁場應位于 III 區(qū)，產(chǎn)生的扭矩最大。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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，

4、定子磁場總超前轉(zhuǎn)子磁場約 90，使轉(zhuǎn)子不斷的向前跟進。實現(xiàn)這個過程的關鍵是取得轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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。DSP568xxDSP568xx 中使用到的主要模塊中使用到的主要

5、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，共三對互補對，如圖 2 所示?；パa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，

6、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(zhuǎn)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(zhuǎn)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狀態(tài)積分編碼器，還能用于轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)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。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

7、路輸出經(jīng)過濾波后的值。六狀態(tài)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?？刂扑惴刂扑惴▽τ跓o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(zhuǎn)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 Faul

8、t，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) Initialize()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(zhuǎn)換。狀態(tài)之間轉(zhuǎn)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)

9、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；ApplicationMode = Init；取得轉(zhuǎn)子位置，設好初始的導通相；PI 控制器初始化；用于測量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子運行過程中，定時器 A0、A1、A2 輸入捕捉的發(fā)生，標志著轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)方向；并調(diào)整 PWM 模塊的交換和屏蔽

10、，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(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)方向的時候，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(zhuǎn)子在順時針運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子磁場位于 I 區(qū)，那么順時針運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)方向。在實現(xiàn)定子電流換相

11、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 BC 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(zhuǎn)子速度。定時器 A3 的溢

12、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 20ms 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(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)的速度控制是在幾乎每 20ms 周期的 ServiceLedISR()內(nèi)完成。加減速