張 慧，李 杰，秦 麗，王一煥，陳瑩超

(中北大學(xué)，太原030051)

0 引 言

在工程應(yīng)用中，穩(wěn)定、精確的電機(jī)控制是非常重要的，例如在半捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，為了給慣性器件提供穩(wěn)定的測試環(huán)境，尤其是在彈載環(huán)境以下，測試環(huán)境非常惡劣，在高旋高過載以及高動(dòng)態(tài)的環(huán)境下，電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分必須給出一個(gè)穩(wěn)定的輸出，才能實(shí)現(xiàn)半捷聯(lián)慣性測量的精準(zhǔn)性［1－3］。作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的主要設(shè)備，電動(dòng)機(jī)在傳動(dòng)和控制系統(tǒng)中是最重要的組成部分之一，其應(yīng)用范圍已經(jīng)遍及人們的日常生活中的各個(gè)領(lǐng)域，隨著微電子技術(shù)應(yīng)用以及自動(dòng)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，電動(dòng)機(jī)伺服控制越來越受到人們的關(guān)注，電動(dòng)機(jī)伺服控制系統(tǒng)的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能。

直流無刷伺服電動(dòng)機(jī)3564K024BCS 體積小、出力大、響應(yīng)快、速度高、轉(zhuǎn)動(dòng)平滑、力矩穩(wěn)定容易實(shí)現(xiàn)智能化，效率高可用于各種環(huán)境。在系統(tǒng)中作為執(zhí)行單元將得到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度，以此驅(qū)動(dòng)工作部件運(yùn)動(dòng)。

傳統(tǒng)的模擬電路控制電機(jī)，由于電氣特性帶來的電壓、噪聲等因素的影響，控制精度較差。而基于數(shù)字信號(hào)處理(DSP)的數(shù)字化模擬控制，則克服了這樣的缺點(diǎn)，DSP 本身就有電機(jī)控制的功能，利用DSP 自身具有的電機(jī)控制接口功能，再結(jié)合DSP 的高速運(yùn)算的特點(diǎn)，使直流無刷伺服電機(jī)能夠精準(zhǔn)受控，從而達(dá)到響應(yīng)速度靈敏、位置速度精度高、控制速度范圍寬的控制特點(diǎn)［4］。DSP 的工藝愈加成熟，成本降低，開發(fā)軟件種類越來越多，操作越來越簡便，以DSP 為控制核心的電機(jī)控制會(huì)成為未來電機(jī)控制領(lǐng)域的發(fā)展方向。因此研發(fā)基于DSP 的電機(jī)控制器是很有前景的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本文以TMS320F2812 為核心控制器，輸出占空比可變換的PWM 信號(hào)，從而控制無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)3564K024BCS 的轉(zhuǎn)速變換，使用4 ×4 矩陣鍵盤作為人機(jī)交換模塊，可以控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速變換，LCD 作為屏顯模塊，能實(shí)時(shí)輸出轉(zhuǎn)速及占空比信息。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

2 控制信號(hào)的設(shè)計(jì)

2.1 模擬電路PWM 的設(shè)計(jì)

模擬電路產(chǎn)生過程如圖2 所示。

圖2 的方波是由IC1－A 方波發(fā)生器生成。然后方波通過IC－B 三角波發(fā)生器形成了新的三角波信號(hào)Ut。當(dāng)輸入電流Ia通過IC－D PI 調(diào)節(jié)器進(jìn)而產(chǎn)生了調(diào)制電壓UC。然后電壓UC與三角波Ut通過IC－C 脈寬的調(diào)制器從而產(chǎn)生USPWM 波信號(hào)。三角波Ut在這個(gè)過程中作為載波信號(hào)，而電壓UC作為調(diào)制波作用，這兩列波經(jīng)過交差后產(chǎn)生了調(diào)制波信號(hào)。若Ut幅值小于UC幅值時(shí)，USPWM 波為負(fù);若Ut幅值大于UC幅值時(shí)，USPWM 波為正，通過這樣的過程產(chǎn)生USPWM 波。在三角波頻率不變的基礎(chǔ)上，改變電壓UC的幅值，從而實(shí)現(xiàn)頻率一定可調(diào)寬度的PWM 信號(hào)［5］。

圖3 為采用開關(guān)管實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)PWM 波控制原理圖以及其對(duì)應(yīng)的輸入、輸出電壓波形圖。通過對(duì)開關(guān)管柵極輸入電壓不同，而在電樞繞組兩端產(chǎn)生不同的電壓值，當(dāng)開關(guān)管MOSFET 的輸入高電平，此時(shí)開關(guān)管呈導(dǎo)通狀態(tài)，電機(jī)的電樞繞組兩端電壓為US。當(dāng)過了t1時(shí)間，柵極的輸入變?yōu)榈碗娖剑藭r(shí)開關(guān)管變?yōu)橥Ｖ範(fàn)顟B(tài)，電樞兩端的電壓變?yōu)?，當(dāng)又過t2時(shí)間后，柵極的輸入又由低電平變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管又導(dǎo)通，重復(fù)前面的過程。這樣的過程，無刷直流伺服電機(jī)電樞兩段端的電壓波形隨著對(duì)應(yīng)的輸入高低電平而變化，如圖3 右圖所示。

圖3 PWM 波調(diào)速控制原理圖和電壓波形圖

無刷直流電動(dòng)機(jī)電樞的兩端電壓均值Uo:

式(2)中的D 即為占空比，占空比的定義:在一個(gè)固有周期時(shí)間T 內(nèi)，開關(guān)管呈導(dǎo)通狀態(tài)的時(shí)間與其一個(gè)周期總時(shí)間T 的比值，0 ≤D ≤1［6］。由式(1)、式(2)可以看出，當(dāng)輸入電壓US為定值時(shí)，電樞的繞組兩旁電壓的均值Uo與占空比D 有直接的關(guān)系，通過改變D 的大小就可改變電樞繞組的兩端電壓的均值Uo，實(shí)現(xiàn)對(duì)速度調(diào)整的目標(biāo)。

2.2 基于DSP 的PWM 設(shè)計(jì)

圖4 是利用DSP2812 的事件管理器EVA 生成PWM 控制信號(hào)源。首先需要選擇一個(gè)定時(shí)器去計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)，定時(shí)器的選擇要考慮其方便性、可調(diào)性，然后通過比較寄存器來存儲(chǔ)調(diào)制值，通過連續(xù)地匹配兩個(gè)值，即比較寄存器的值與定時(shí)器的計(jì)數(shù)值:當(dāng)比較寄存器與定時(shí)器的計(jì)數(shù)值兩個(gè)值互相匹配時(shí)，則可以在其輸出上發(fā)生由高電平到底電平或低電平到高電平的跳變［7－8］，當(dāng)上述的兩個(gè)值在比較過程中發(fā)生了第二次匹配時(shí)，或者時(shí)間達(dá)到定時(shí)器周期整數(shù)倍時(shí)，則在對(duì)應(yīng)的輸出上產(chǎn)生第二次的跳變。在這種機(jī)理下，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的輸出脈沖信號(hào)，第一次跳變與第二次跳變直接的持續(xù)時(shí)間的長短與比較寄存器存的值成一定的比例。在PWM波中每一個(gè)周期的比較寄存器有著不一樣的值，并且這個(gè)過程是一直重復(fù)進(jìn)行的，因此在對(duì)應(yīng)的輸出管腳上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)PWM 信號(hào)。

3 控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

考慮到現(xiàn)代設(shè)備的小型化和廉價(jià)化，要求器件盡量緊湊。在印刷電路板排布的過程中，不僅僅是將元器件按照順序排列或者說讓電路走通而已。同時(shí)排布也不是簡單的外形上美觀。在印刷電路板時(shí)，首先要滿足的是電氣的安全，同時(shí)還要考慮操作的方便與加工生產(chǎn)的條件，布線的間距要盡量寬裕。走線之間的間距要能承受其最大電壓，當(dāng)布線密度相對(duì)較低時(shí)，信號(hào)線之間的距離可以適當(dāng)?shù)丶哟?，?duì)高、低電平懸殊的信號(hào)線應(yīng)縮短長度并加大兩者的間距［9］。

電路板的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)既有安全可靠的性能，又滿足電氣特性，同時(shí)還要滿足工藝的合理性，這樣才能算是成功的電路板設(shè)計(jì)。通常情況下要求設(shè)計(jì)人員必須充分地熟悉和掌握相關(guān)的印刷電路工作原理、電路中各元器件的電氣特性以及在印刷電路板時(shí)涉及的制作工藝等。為方便攜帶，印刷版面積要盡量小，即要求器件布局緊湊，但是要避免電磁干擾;同時(shí)要求數(shù)模一點(diǎn)共地，減小地回路面積。焊接完成成品如圖5 所示。

圖5 焊接完成的電路板

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 控制系統(tǒng)主流程設(shè)計(jì)

主流程圖如圖6 所示。在上面控制電機(jī)的流程中，主要用到了時(shí)間管理器EVA、PIE 中斷以及數(shù)字輸入輸出I/O 端口等，首先要進(jìn)行系統(tǒng)及各個(gè)模塊的初始化。首先初始化各個(gè)模塊，編制程序，實(shí)現(xiàn)控制速度的功能。整體思路如下:首先對(duì)PIE 和使能PIE 初始化，初始化PIE 矢量表和PIE 向量表。初始化相應(yīng)的GPIO 端口。初始化各個(gè)模塊的始終設(shè)置。開啟EVA 輸出PWM。在LCD 上顯示相關(guān)信息［10］。接收鍵盤調(diào)整信號(hào)。

4.2 可調(diào)占空比的PWM

在圖7 中，T1PR 是定時(shí)器T1 的周期寄存器，它存放的是T1 設(shè)置的周期值。T1CMPR 是定時(shí)器T1 的比較寄存器，用于存放為T1 設(shè)置的比較值。T1PR 和T1CMPR 通常是在初始化時(shí)進(jìn)行賦值，這個(gè)值形成之后程序的一個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)。而T1CNT 是定時(shí)器T1 的計(jì)數(shù)器寄存器，它所存儲(chǔ)的值會(huì)伴隨著時(shí)鐘脈沖信號(hào)的變換而不斷的增加或著減少。CPU在工作時(shí)會(huì)實(shí)時(shí)地將T1CNT 的值、T1CMPR 的值以及T1PR 的值進(jìn)行相互比較，從而產(chǎn)生相應(yīng)的事件，此處產(chǎn)生的是為控制信號(hào)。

為了產(chǎn)生占空比可變化的PWM 波，根據(jù)產(chǎn)生PWM 波的原理，需要改變T1CMPR 或者T1PR 的值。而DSP TMS320F2812 允許用戶在一個(gè)周期的任意時(shí)刻向T1CMPR 或者T1PR 寫入新值，這要?dú)w功于陰影寄存器。假設(shè)需要向T1CMPR 寫入新值，首先是將新的值寫入T1CMPR 的陰影寄存器中;其次根據(jù)T1CON 寄存器儲(chǔ)存的第3 位TCLD1 的值和第2 位TCLD0 值所匹配的相應(yīng)時(shí)刻;最后陰影寄存器中存放的數(shù)據(jù)就可以相應(yīng)寫入T1CMPR 的寄存器中，從而實(shí)現(xiàn)正常的工作。

5 調(diào)試與結(jié)果

在編寫軟件系統(tǒng)的過程中，首先編寫LCD 顯示模塊的驅(qū)動(dòng)程序，讓模塊有字符信號(hào)顯示，從而為后期調(diào)試提供一定的根據(jù)來判斷究竟程序是否下載的情況和運(yùn)行的成功與否。然后編寫了定時(shí)器的PWM 輸出和CAP 輸入，可以利用示波器查看波形，并調(diào)試LCD 能顯示輸出PWM 的頻率和占空比信息。最后再編寫鍵盤程序，使用按鍵可以調(diào)節(jié)占空比。最終完成系統(tǒng)實(shí)物如圖8 所示。

最后該系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)要求，以TMS320F2812 為核心，輸出 PWM 控制無刷直流伺服電機(jī)3564K024BCS 的轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過按鍵實(shí)現(xiàn)占空比可調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速可調(diào)的功能，并通過LCD 顯示模塊顯示頻率、占空比、轉(zhuǎn)向等相關(guān)信息。

具體參數(shù)功能如表1、表2 所示。

表1 該設(shè)計(jì)系統(tǒng)相關(guān)信息

表2 按鍵功能

6 結(jié) 語

本文提出的無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)模擬控制的最大優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)控制，并且如有需要，對(duì)其更改控制方法或著改進(jìn)控制策略也相對(duì)比較簡單，只需更換部分模塊或者添加新的模塊，同時(shí)它可以為設(shè)計(jì)和分析無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)提供新的控制方法以及可靠的工具?？蓪?shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性控制，對(duì)工程應(yīng)用有較大的幫助，在單軸穩(wěn)定平臺(tái)及多軸穩(wěn)定平臺(tái)中，能夠?yàn)楦邉?dòng)態(tài)復(fù)雜環(huán)境下的系統(tǒng)提供穩(wěn)定的平緩的測試平臺(tái)環(huán)境。利用高性能的DSP芯片進(jìn)行全數(shù)字化精確控制策略，既簡化了傳統(tǒng)的復(fù)雜硬件電路連接，又能夠大幅提高系統(tǒng)的魯棒性，同時(shí)拓寬了系統(tǒng)應(yīng)用范圍，維護(hù)也更加的方便。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)的數(shù)字化模擬控制技術(shù)是非常實(shí)用、有效的。

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