TMS320C2812在无刷直流电动机控制中的应用研究

　　1 引 言

　　无刷直流电动机是一种用电子换向的小功率直流电动机。又称无换向器电动机、无整流子直流电动机。它是用半导体逆变器取代一般直流电动机中的机械换向器，构成没有换向器的直流电动机。这种电机结构简单，运行可靠，没有火花，电磁噪声低，广泛应用于现代生产设备、仪器仪表、计算机外围设备和高级家用电器。无刷直流电动机由一台同步电机、一组转子位置检测器和一套受位置检测器控制的自控式逆变器组成。中小型电机的逆变器一般由晶体管组成；大型电机的逆变器通常采用晶闸管构成，称为晶闸管电动机。

　　近年来，由于新型稀土永磁材料的出现，采用电子换向装置的的稀土永磁无刷直流电动机被广泛应用在航空、航天及电气传动等方面。在高精度电机控制系咎中，采用无刷直流电动机作为驱动装置可使其在重量、功率及控制特性方面有很大的改善。TI公司新推出的TMS320C2812是定点DSP数字信号处理器，作为电机控制系列专用高端产品，在实现电机控制中能充分利用其高精度处理器的优势，更好地发挥无刷直流电动机良好的控制特性。本文主要介绍利用这种型号的DSP实现对无刷直流电动机控制的过程及达到的效果。

　　2 基本结构及应用

　　2.1 TMS320C2812的基本结构

　　TMS320C2812型DSP是TI公司C2000系列电机控制专用电路的高端产品，是定点32位数字信号处理器，指令周期可达150 MHz.内含128位Flash和两个通用事件管理器，可用于捕获位置脉冲和编码脉冲，并可拓展外部存储器。这种DSP可以满足各类复杂电机的控制。

　　TMS320F2812的几个特点：

　　（1）速度方面 TMS320F2812最高工作频率为150MHz（30MHz的品振经过倍频而得到）；

　　（2）AD精度 TMS320F2812的AD采样精度可以达到12位：

　　（3）运算方面 TMS320C2812是32位的定点DSP,可以方便地运行32位与32位的乘法，能满足高精度与快速计算的要求。

　　2.2 PWM控制信号的产生

　　根据无刷直流电机的控制需要。由DSP产生PWM控制信号。下面以单路PWM信号的产生过程为例，如图1所示，DSP事件管理器A中的定时器l作为产生PWM信号的时基，通过控制寄存器T1CON和给定定时周期TlPR设置时钟周期。定时器计数模式为连续增减模式，产生出对称的三角波信号，设定的阈值实时与三角波信号比较，得到相应占空比的PWM信号。

　　图2所示是PWM比较产生的原理，如图所示。ACTRl设置为高电平有效，即在寄存器CMPRl中设置阈值小于三角波的值时输出为无效的低电平。当阈值大于三角波的值时，输出为有效的高电平。

　　理想的无刷直流电动机的感应电动势的计算公式是：

　　E=3/3πpβLrω （1）

　　式中：NP是通电导体数；β是永磁体产生的气隙磁通密度；L是转子铁心长度：r是转子半径：ω是转子的机械角速度。

　　由式（1）可以看出，感应电动势与转子的转速成正比。感应电动势E与直流电源电压U的关系为：

　　E=dU

　　式中：d为控制信号有效电平的占空比。直流电源电压恒定，可推导出转子转速与占空比d成正比，因此可以通过调整d的大小即调整PWM信号有效电平的宽度达到控制转速的目的。

　　由DSP产生的PWM信号根据相应寄存器设置，由于定时器1采用连续增减计数模式。故有效电平的占空比d的表达式为

　　d=（2T1PR-2CMPRl）/2T1PR （3）

　　结合式（1）和（2），在程序设计上，可以改变CMPRl的值来控制电机的转速。

　　3 系统及硬件组成

　　无刷直流电动机控制系统由TMS320C2812型DSP、功率变换电路及执行电机组成，其系统结构框图如图3所示。

　　3.1 执行电机与转子位置传感器

　　系统中采用的是四通电机公司无刷直流电动机系列中的永磁方波电机，电机集成了霍尔传感器作为转子的位置传感器，实时检测电机转子相对定子绕组的位置。为实现DSP对电机的控制提供反馈位置和速度信号。

　　3.2 功率变换电路及驱动电路

　　功率变换电路主要包括整流、滤波、逆变及保护隔离电路。采用三菱公司生产的PSll032型ASIPM智能一体化模块作为高度集成化的功率模块，ASIPM内部集成了整流桥、逆变桥及隔离保护电路，便于提高控制效果和减小功率。

　　3.3 外部隔离和电平转换电路

　　系统采用TLP521型光耦电路作为霍尔传感器和DSP捕捉引脚的接口。对传感器的位置脉冲信号进行滤波和保持；采用HP4504型光耦电路将DSP输出的3.3 V高电平转换为ASIPM模块需要的标准5V高电平。

　　针对此系统中的Y型联结三相绕组电机，根据ASIPM模块的内部结构。控制电路采用两两导通方式。DSP产生的PWM信号的相序如图4所示。6路PWM控制信号经由光耦电路输入到ASIPM模块逆变桥的6路开关控制端UP、UN、VP、VN、WP和WN,驱动功率模块带动电机，通过调整占空比的大小达到控制转速的目的。

　　图5示出经过HP4504型光耦电路前后的波形，左右两图分别为不同占空比下测得到的PWM信号波形。其上部波形为DSP输出的PWM信号，高电平有效，下部波形为经光耦后的信号，反相后输入到ASIPM模块，低电平有效。通过程序设定的电机给定转速为320 rad/s.

　　4 结束语

　　试验波形表明，利用TMS320C2812型DSP构建的无刷直流电动机控制器控制方式简单，输出信号稳定，调速性能良好，可以应用于各种高精度调速系统和位置伺服系统。