基于DSP的無刷直流電機位置伺服系統設計

程時兵，王煒

（中國空空導彈研究院 河南 洛陽　471009）

基于DSP的無刷直流電機位置伺服系統設計

程時兵，王煒

（中國空空導彈研究院 河南 洛陽471009）

舵機作為一種典型的位置伺服系統，是智能化精確制導彈藥飛行控制系統的關鍵部件，其性能的優劣直接影響制導武器的制導精度。本文以先進的數字信號處理器TMS320F2812為主控制芯片，采用稀土永磁無刷直流電動機作為驅動部件，采取位置閉環控制方式完成了數字式無刷直流電動控制系統的硬件設計和軟件設計。試驗結果表明，該系統工作穩定、可靠，具有良好的動態性能和靜態特性。

DSP；無刷直流電機；位置閉環控制；舵機

現代戰場環境日益復雜，對導彈、智能彈等制導武器提出了全新的要求，為了適應未來戰爭的需求，需要制導武器具有更高的精度、更好的機動性以及穩定性。而舵機作為制導與控制系統的重要組成部分和執行機構，其性能的優劣直接影響武器的制導精度。當前舵機系統的主要研究和發展方向是：實現系統的全數字化，結合現代控制、智能控制等控制理論進一步提高系統的控制精度并實現其智能化，采用高性能的執行機構與傳動裝置，研發“三高一長（高功率密度、高可靠性、高性能、長時間工作）”的新型導彈舵機系統［1］。

永磁無刷直流電機（BLDCM）是隨著電機控制技術、電力電子技術和微電子技術的發展而出現的一種新型電機，它具有結構簡單、運行效率高、無勵磁損耗及調速性能好等諸多優點，而且還具有功率密度高，低轉速，大轉矩的特點，被廣泛應用于工業控制的各個領域［2-4］。文中選用TI公司的TMS320F2812 型DSP作為主控制芯片，以永磁無刷直流電動機作為驅動部件，設計一種數字無刷直流電機位置伺服控制系統，具有控制精度高、可靠性好、集成度高、功能可擴展等優點。

1　系統組成

無刷直流電機控制系統的功能是對的位置指令、位置反饋信號進行信號處理，輸出信號驅動直流電機偏轉，實現位置伺服跟蹤。它主要由DSP、邏輯處理電路、驅動電路、伺服電機、傳動機構等組成，其組成框圖如圖1所示。

圖1　無刷直流電機控制系統框圖Fig.1　Diagram of the BLDC control system

BLDCM控制系統的基本工作原理為：

1）控制系統與上位機通過通訊單元進行實時通信，DSP接收位置指令、位置反饋信號，經運算輸出電機控制信號；

2）邏輯處理電路對電機霍爾位置信號、電機控制信號、過流保護信號進行邏輯處理，產生控制功率管開/關的相序，實現電機繞組的邏輯換相控制；

3）驅動電路采用三相全橋、上橋臂調制方式，經過驅動芯片IR2103控制逆變電路的MOSFET功率管的開通與關斷，實現電機的PWM控制；

4）電機的轉動經過減速機構帶動舵面作相應的偏轉，位置傳感器實時檢測舵面位置信息，通過采樣反饋給DSP，實現無刷直流電機的位置閉環控制。

2　系統硬件設計

BLDCM控制系統的硬件電路主要包括：DSP及其外圍電路、邏輯處理電路和驅動電路等。

2.1DSP及其外圍電路

目前，在電動伺服控制領域，性能及數字信號處理能力較強的控制芯片主要為TI公司推出的TMS320F2000系列DSP芯片。該系列DSP具有強大的控制和信號處理能力，能夠實現復雜的控制算法，特有的事件管理器集成了PWM控制信號發生器，特別適合電機控制。本系統選用TMS320F28-12型DSP，它具有豐富的外設資源，采用它作為控制器可以大大簡化硬件電路結構、提高系統的可靠性。它實行低功耗設計，I/O引腳電壓為3.3 V，內核電壓為1.8 V。最高主頻150 MHz，最小指令周期6.67 ns，外部采用低頻時鐘，通過片內鎖相環進行倍頻［5］。SCI外設接口與可與飛控計算機方便地進行RS-422串口通訊。

2.2邏輯處理電路

邏輯處理電路的主要功能是對直流無刷電機的霍爾位置信號（HA、HB、HC）和電機轉向指令信號（DIR）進行邏輯處理產生控制功率管開/關的相序，使電機的三相電樞繞組按一定規律順序導通，從而實現對無刷電機的控制。

系統僅對逆變電路的上橋臂MOSFET管進行PWM調制。根據無刷電機霍爾信號、電機轉向指令與輸出功率管開關相序的之間的真值關系，可以處理得到開關管的控制信號（S1～S6）的邏輯表達式如下：

根據無刷電機的換相邏輯，結合信號，在QuartusⅡ的環境下，對功率開關管的開關相序進行仿真，仿真結果如圖2所示。

本系統采用4個門電路來實現（1）～（6）邏輯關系式，此電路結構簡單、穩定可靠，從而從硬件上完成電機的邏輯換相功能，其電路圖如圖3所示。

2.3功率驅動電路

該功率驅動電路采用三相六步全橋驅動、上橋臂MOSFET管進行PWM調制的控制方式。功率元件采用N溝道MOSFET管，驅動元件采用美國IR公司柵極驅動專用電路IR2103，其獨有的HVIC（High-Voltage Integrated Circuit）技術使得它可以用來驅動工作在母線電壓高達600 V的電路中的MOS器件。邏輯輸入信號與CMOS電平兼容，輸出柵極驅動電壓的范圍為10～20 V，開關時間的典型值為Ton=680 ns、Toff=150 ns，死區時間的典型值為520 ns，內置的死區電路可以防止由于MOS器件關斷延時造成的直臂導通現象，進一步提高了系統的可靠性［6］。圖4是由IR2103組成的驅動電路的單橋臂電路原理圖。

圖2　無刷直流電機換相邏輯仿真圖Fig.2　Simulation waveforms of commutation logic for brushless DC motor

圖3　電機邏輯換相電路圖Fig.3　Circuit diagram of commutation logic

圖4　功率驅動單橋臂原理圖Fig.4　Circuit diagram of single power driver for BLDC

2.4其他硬件電路

過流保護電路是為了提高系統的可靠性，對電機最大工作電流進行限制，以避免系統損壞。其原理是通過采樣電阻將母線電流轉換成電壓，與設定值電壓進行比較，電流超過限定值則此電路輸出過流保護信號（OC），邏輯處理電路控制功率管關閉，使電流回落，由此構成對電流的硬件閉環控制。

3　系統軟件設計

采用C語言編寫內置軟件，主要包括主程序、定時中斷子程序、通信子程序等。主程序進行系統初始化，使能CPU定時器0，進入while（）循環等待CPU定時器0中斷發生。其流程圖如圖5所示。CPU定時器0采用定時周期中斷，定時器中斷程序流程圖如圖6所示。

圖5　主程序流程圖Fig.5　Flow chart of the main program

圖6　定時器0中斷程序流程圖Fig.6　Flow chart of the interrupt program for timer 0

4　試驗結果

采用上述硬件電路和軟件設計方案，選用某公司額定功率約為370 W、空載轉速為16 500 rpm的稀土永磁無刷直流電動機作為實驗樣機進行了試驗研究。采用模糊PID控制算法，對此系統進行測試，1度階躍和10 Hz正弦指令下的響應曲線如圖7、8所示。試驗結果表明，此系統對輸入的位置指令具有良好的響應特性。

圖7　1度階躍響應曲線Fig.7　Response curve of 1°step

圖8　10 Hz正弦響應曲線Fig.8　Response curve of 10 Hz sinusoidal

5　結　論

本文采用位置閉環控制方式，完成了一種基于DSP的無刷直流電機控制系統設計。系統采用模糊PID控制策略，對位置環、電流環進行了詳細設計，并在實驗中測試、分析了系統的階躍、正弦響應特性。經試驗檢驗，該系統運行穩定、可靠，具有很強的工程應用價值。

［1］王軍.淺述舵機伺服系統［J］.伺服控制，2013，12（8）:35-38.

［2］張琛.直流無刷電動機原理及應用［M］.北京:機械工業出版社，1996.

［3］葉金虎.無刷直流電動機［M］.北京:機械工業出版社，1990.

［4］孫建忠，白鳳仙編著.特種電機及其控制［M］.北京:中國水利水電出版社，2005.

［5］萬山明編著.TMS320F281XDSP原理及應用實例［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2007.

［6］張愛軍，程時兵，朱軍偉，等.基于DSP+CPLD的無刷直流電機三環控制設計［J］.電力電子技術，2012，46（11）:106-108.

The design of BLDCM position servo system based on DSP

CHENG Shi-bing，WANG Wei
（China Airborne Missile Academy，Luoyang 471009，China）

As a typical position servo system，actuator is a key sector of flight control system in intellectual precision guided munitions，its performance directly affects the guidance precision of guided weapons.Hardware and software strategy for the control system of brushless direct current motor servo control system are designed by using the position as a close-loop in this paper.In this system，the advanced digital signal processor TMS320F2812 is adopted as main control cell，permanent magnet brushless motor is used as the electric drive component.Experiments validate that the system designed works stably and reliably，it has good dynamic and static characteristic.

DSP；brushless direct current motor；closed-loop position control；servo

TN964.3

A

1674－6236（2016）05-0110-03

2015-04-15稿件編號：201504153

程時兵（1983—），男，湖北黃石人，碩士，工程師。研究方向：電力電子，自動控制技術。