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在DSP的基础上对无刷直流电机调速系统的研究
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2017-11-04
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摘要：本文在详细介绍了基于DSP（TMS320F2812）和专用控制集成芯片（MC33035）的基础上,综合运用了PID算法和滤波算法对无刷直流电机调速系统进行了研究，并给出了该控制系统的实际硬件电路设计和软件控制策略。实验结果表明,本控制系统运行稳定、控制算法合理、控制精度高,有着很强的应用推广价值。
关键词:无刷直流电机,DSP,TMS320F2812,MC33035
引言
无刷直流电动机从上世纪70年代末开始引起了从事电机及驱动系统学者的重视。电机的驱动控制结构有很多形式，近年来国外学者多集中于对直流电机的转矩波动及其控制问题上进行研究。以单片机为核心组成的数字控制电路调速控制能力强，但只能实现系统的外环数字控制，而DSP则可以实现全数字化的控制。
TMS320C28x系列是TI公司最新推出的32位定点DSP芯片，它既具有数字信号处理能力，又具有强大的时间管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于大批量数据处理的测控场合[1]。
在无刷直流机速度控制系统中，为使调试者实时了解系统的运行信息，需实时采集电机转速、电枢电流等信息，并进行数据分析和加工处理[2]。控制过程复杂，控制算法计算量较大，因此本系统选择了数据处理能力较强的DSP芯片TMS320F2812作为控制核心，再结合MC33035专用控制集成芯片，设计并制作了一个无刷直流电机调速器。
1 系统结构
本系统针对的是高速无刷直流电机，原则上本系统对电机转速的上限没有限定，实验时使用的电机最高转速为5万转，电机功率为5kw。
系统设计时为方便用户操作设计了通信和JOG（手动）两种模式。通信模式使用户在电脑前就可以方便地对电机进行操作，设置电机的最高转速、加速度以及显示电机当前的实际转速等;而在没有电脑时，用户也可以通过JOG模式对电机进行键盘操作，用以设定电机的转速。
资助基金：国家自然科学基金（70271001）
本系统设计控制的无刷直流电机采用霍尔元件作为位置反馈机制，从反馈的脉冲信号中获得位置信息和转速情况。控制核心DSP根据采集到的实际转速，修正控制转速，实现系统对电机转速的闭环控制。此外，系统从电机的驱动器件IGBT处获得电流信息。通过综合这三个信息，使得整个电机调速系统安全、稳定、可靠地工作。
2 系统硬件设计
各部分之间信号线的连接通过光耦隔离，光耦两端连接如图3所示。这里采用的光耦是TLP521，它的隔离电压是2500V。在本系统中，驱动部分的最高电压是300V，2500V可以保证系统工作的绝对安全。图3中光耦是按正逻辑连接的，即输入1，输出也是1。除TLP521外，在通信线的连接处使用了几颗高速光耦6N127。
2.1控制部分
控制部分的核心器件是TMS320F2812，制作时使用了一块ICETEK-2812-B板（带有2812的DSP开发板），除带DSP外，还有一颗电源管理芯片，将外接5V转为3.3V为系统供电。
2812从电机处采集转速、电流反馈信号和位置反馈信号，DSP综合这三个信号输出对外的控制信号。从驱动部分反馈的过流信号是一个0、1信号，DSP在工作时始终监视这一信号，一旦监视到1，即表示电机过载，则立即给出一个让电机停止转动的信号，以免损坏电机和调速器。
DSP输出的转速控制信号是一个数字量，用D/A将此数字量转换成电压量给MC33035用以调速。系统中选用了12位的串行D/A（TLV5616），后加一级放大（LM358），使输出电压可根据不同电机的要求进行放大。
TMS320F2812与PC间的通信是通过485总线完成的。在工业控制中，485总线应用非常普遍，传输距离远而且性能稳定，所以本系统选择485总线进行传输。
2.2驱动部分
驱动部分的控制核心是MC33035，驱动器件是IR2183和IRGP50B60PD1。MC33035作为驱动部分的控制核心，根据电机霍尔反馈的位置信号，分辨出电机转子的位置，以控制IGBT的开关。
虽然IGBT具有优越的通态特性，但要将IGBT瞬间完全关断仍不容易。调试时发现，IGBT关断时的一点点毛刺，就会导致电机发热甚至烧坏。这就要求在电路设计上采取相应的措施，如在IR2183输出端与IGBT连接的地方串接一电阻等;在PCB布板走线时更要严格注意，布局要对称。
电机转速的调节是MC33035的11脚（误差信号放大器同向输入端）接受控制部分给出的控制电压，根据此电压的不同，内部产生脉宽调制（PWM）信号，控制3个下侧驱动输出，通过改变输出脉冲宽度来改变IGBT导通时间的长短，从而调节电机的转速。
2.3显示部分
显示部分的主控元件是AT89C51，显示部分与驱动部分之间通过AT89C51和2812的串行口（即用通信方式）传递指令。同时显示部分所需的5V电源由控制部分提供。
这里转速的采集是用AT89C51的计数端去采集霍尔输出的脉冲信号，将此信号换算成频率后送七段数码管显示，在此AT89C51担当了一个频率计的功能。
关键词:无刷直流电机,DSP,TMS320F2812,MC33035
引言
无刷直流电动机从上世纪70年代末开始引起了从事电机及驱动系统学者的重视。电机的驱动控制结构有很多形式，近年来国外学者多集中于对直流电机的转矩波动及其控制问题上进行研究。以单片机为核心组成的数字控制电路调速控制能力强，但只能实现系统的外环数字控制，而DSP则可以实现全数字化的控制。
TMS320C28x系列是TI公司最新推出的32位定点DSP芯片，它既具有数字信号处理能力，又具有强大的时间管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于大批量数据处理的测控场合[1]。
在无刷直流机速度控制系统中，为使调试者实时了解系统的运行信息，需实时采集电机转速、电枢电流等信息，并进行数据分析和加工处理[2]。控制过程复杂，控制算法计算量较大，因此本系统选择了数据处理能力较强的DSP芯片TMS320F2812作为控制核心，再结合MC33035专用控制集成芯片，设计并制作了一个无刷直流电机调速器。
1 系统结构
本系统针对的是高速无刷直流电机，原则上本系统对电机转速的上限没有限定，实验时使用的电机最高转速为5万转，电机功率为5kw。
系统设计时为方便用户操作设计了通信和JOG（手动）两种模式。通信模式使用户在电脑前就可以方便地对电机进行操作，设置电机的最高转速、加速度以及显示电机当前的实际转速等;而在没有电脑时，用户也可以通过JOG模式对电机进行键盘操作，用以设定电机的转速。
资助基金：国家自然科学基金（70271001）
本系统设计控制的无刷直流电机采用霍尔元件作为位置反馈机制，从反馈的脉冲信号中获得位置信息和转速情况。控制核心DSP根据采集到的实际转速，修正控制转速，实现系统对电机转速的闭环控制。此外，系统从电机的驱动器件IGBT处获得电流信息。通过综合这三个信息，使得整个电机调速系统安全、稳定、可靠地工作。
2 系统硬件设计
各部分之间信号线的连接通过光耦隔离，光耦两端连接如图3所示。这里采用的光耦是TLP521，它的隔离电压是2500V。在本系统中，驱动部分的最高电压是300V，2500V可以保证系统工作的绝对安全。图3中光耦是按正逻辑连接的，即输入1，输出也是1。除TLP521外，在通信线的连接处使用了几颗高速光耦6N127。
2.1控制部分
控制部分的核心器件是TMS320F2812，制作时使用了一块ICETEK-2812-B板（带有2812的DSP开发板），除带DSP外，还有一颗电源管理芯片，将外接5V转为3.3V为系统供电。
2812从电机处采集转速、电流反馈信号和位置反馈信号，DSP综合这三个信号输出对外的控制信号。从驱动部分反馈的过流信号是一个0、1信号，DSP在工作时始终监视这一信号，一旦监视到1，即表示电机过载，则立即给出一个让电机停止转动的信号，以免损坏电机和调速器。
DSP输出的转速控制信号是一个数字量，用D/A将此数字量转换成电压量给MC33035用以调速。系统中选用了12位的串行D/A（TLV5616），后加一级放大（LM358），使输出电压可根据不同电机的要求进行放大。
TMS320F2812与PC间的通信是通过485总线完成的。在工业控制中，485总线应用非常普遍，传输距离远而且性能稳定，所以本系统选择485总线进行传输。
2.2驱动部分
驱动部分的控制核心是MC33035，驱动器件是IR2183和IRGP50B60PD1。MC33035作为驱动部分的控制核心，根据电机霍尔反馈的位置信号，分辨出电机转子的位置，以控制IGBT的开关。
虽然IGBT具有优越的通态特性，但要将IGBT瞬间完全关断仍不容易。调试时发现，IGBT关断时的一点点毛刺，就会导致电机发热甚至烧坏。这就要求在电路设计上采取相应的措施，如在IR2183输出端与IGBT连接的地方串接一电阻等;在PCB布板走线时更要严格注意，布局要对称。
电机转速的调节是MC33035的11脚（误差信号放大器同向输入端）接受控制部分给出的控制电压，根据此电压的不同，内部产生脉宽调制（PWM）信号，控制3个下侧驱动输出，通过改变输出脉冲宽度来改变IGBT导通时间的长短，从而调节电机的转速。
2.3显示部分
显示部分的主控元件是AT89C51，显示部分与驱动部分之间通过AT89C51和2812的串行口（即用通信方式）传递指令。同时显示部分所需的5V电源由控制部分提供。
这里转速的采集是用AT89C51的计数端去采集霍尔输出的脉冲信号，将此信号换算成频率后送七段数码管显示，在此AT89C51担当了一个频率计的功能。
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