由于無刷直流電機(jī)具有高效率、大功率因數(shù)、高功率密度、體積小、大轉(zhuǎn)矩、控制簡單和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，逐步受到許多公司和研究學(xué)者的青睞[2]。應(yīng)用數(shù)字信號處理器(DSP)實(shí)現(xiàn)的電機(jī)伺服系統(tǒng)可以只用一片DSP替代單片機(jī)和各種接口，DSF芯片的快速運(yùn)算能力，能實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜、更智能化的算法，通過高速網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行系統(tǒng)升級和擴(kuò)展，可以實(shí)現(xiàn)位置、速度和電流環(huán)的全數(shù)字化控制[3]。
介紹了以TMS320LF2407A DSP為控制核心的無刷直流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
1 控制策略
系統(tǒng)是由DSP、IR2130驅(qū)動芯片、MOSFET全橋電路、測速電路、電流檢測、位置檢測構(gòu)成電流、速度、位置全數(shù)字三閉環(huán)伺服系統(tǒng)，無刷直流電動機(jī)三閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖1所示。
系統(tǒng)的工作原理：當(dāng)電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)時，給定的位置信號Ua與反饋位置信號Ub的偏差經(jīng)過(位置環(huán))PID調(diào)節(jié)得到速度的參考值Vg，控制器根據(jù)測出的電機(jī)反饋位置信息計(jì)算出當(dāng)前轉(zhuǎn)速Vs，Vg與Vs在DSP中進(jìn)行PI計(jì)算(速度環(huán))得到電流的給定電壓參考值Uig，電機(jī)繞組電流反饋信號經(jīng)過電流傳感器的檢測從A/D口送入DSP，經(jīng)轉(zhuǎn)換得到當(dāng)前主回路的電流反饋電壓值Uif將Uif與Uig進(jìn)行PI計(jì)算(電流環(huán))，用得到的電流調(diào)節(jié)器的輸出去調(diào)節(jié)占空比，進(jìn)而控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對無刷直流電動機(jī)位置、轉(zhuǎn)速、電流或轉(zhuǎn)矩的控制。
2．1 PWM產(chǎn)生電路
TMS320LF2407A具有2個在功能和結(jié)構(gòu)上完全一樣的事件管理器(EV)模塊，EVA和EVB。在每個EV模塊中有6個PWM輸出引腳，這6個特定的PWM輸出引腳可方便地用于控制無刷直流電機(jī)[4]。
2．2功率驅(qū)動電路
MOSFET全橋電路由6個功率場效應(yīng)晶體管M0S-FET元件構(gòu)成，T1，T3，T5三個P溝道M()SFET構(gòu)成上橋，門級G加負(fù)電壓時導(dǎo)通。T2，T4，T6三個N溝道MOSFET構(gòu)成下橋，門級G加正電壓時導(dǎo)通。
2．3舵面位置檢測
導(dǎo)彈在飛行中通過控制舵面的偏角來控制導(dǎo)彈飛行的方向，因此舵機(jī)控制器必須根據(jù)制導(dǎo)計(jì)算機(jī)的給定位置信號來控制舵面的偏轉(zhuǎn)。舵面位置信號檢測是通過光電編碼盤來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)舵機(jī)舵面偏轉(zhuǎn)時，根據(jù)DSP中檢測到的計(jì)數(shù)器所計(jì)的脈沖數(shù)，就可以知舵面當(dāng)前的位置。給定的舵面位置信號經(jīng)接口電路送入DSP的ADCIN01端，該信號與當(dāng)前的位置反饋信號相比較，經(jīng)DSP的運(yùn)算處理轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速的參考量進(jìn)行控制。
2．4 轉(zhuǎn)子位置信號的檢測與轉(zhuǎn)速檢測
位置傳感器是無刷電機(jī)的關(guān)鍵部件，其作用是向DSP端口正確提供轉(zhuǎn)子位置信息。本系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子位置信號傳感器由光電編碼盤組成。位置檢測不但用于換相控制，還用于產(chǎn)生速度的控制量。對于兩對極的電機(jī)來說，每個機(jī)械轉(zhuǎn)有12次換相，也就是說，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過30°機(jī)械角度都有一次換相[6]。這樣，只要測得兩次換相的時間間隔△QT，就可以計(jì)算出兩次換相間隔期間的平均角速度。因此本系統(tǒng)采用光電編碼盤的A信號來控制，通過兩次計(jì)數(shù)器中所計(jì)A信號數(shù)值的偏差和兩次采樣的時間間隔，通過微分就可以計(jì)算出電機(jī)的實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
在三閉環(huán)控制系統(tǒng)中，電流環(huán)和速度環(huán)均為內(nèi)環(huán)。位置環(huán)為外環(huán)。電流環(huán)的作用是提高系統(tǒng)的快速性，抑制電流環(huán)內(nèi)部干擾，限制電流保障系統(tǒng)安全運(yùn)行，采用PI調(diào)節(jié)器。速度環(huán)的作用是增加系統(tǒng)抗負(fù)載擾動的能力，抑制速度波動，速度環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器。位置環(huán)的作用是保證系統(tǒng)靜態(tài)精度和動態(tài)跟蹤的性能。位置環(huán)采用積分分離的PID控制。即在開始跟蹤被控量時，先取消積分作用使比例項(xiàng)迅速跟蹤偏差的變化，當(dāng)被控量接近新的設(shè)定值
時再將積分作用加入，這樣既可以避免超調(diào)又可縮短達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間，起到了積分校正的作用。
主程序主要是初始化DSP需要用到的控制寄存器(包括設(shè)定系統(tǒng)時鐘、系統(tǒng)狀態(tài)寄存器等)、初始化I/O端口(包括設(shè)定LF240 7Api片內(nèi)路復(fù)用的1/O)口功能及其極性)、初始化中斷設(shè)置(確定系統(tǒng)所需要用到的中斷類別及中斷源)、檢測電機(jī)的初始位置、初始化所需用到的控制變量等。主程序框圖如圖2所示。
中斷程序主要包括調(diào)節(jié)子程序、ADC轉(zhuǎn)換中斷子程序（位置調(diào)節(jié)子程序，速度調(diào)節(jié)子程序，電流調(diào)節(jié)子程序）等。調(diào)節(jié)子程序流程圖如圖3所示。
根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)開發(fā)了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，電機(jī)采用三相六狀態(tài)120。導(dǎo)通方式，PWM采用上橋恒通，下橋PWM控制的方式。電機(jī)以1000O轉(zhuǎn)/分運(yùn)行時，他的任意導(dǎo)通相如T1和T6管門極的控制波形如圖4所示，上面為T6管的信號，下面為T1管高電平信號。
