基于DSP的小型直流電機調速系統設計

孔佳儀++程紅

摘要：針對以PC機為上位機，DSP為下位機控制器的小型直流電機調速系統，給出了硬件系統設計方案、驅動電機選型，詳細介紹了功率驅動電路設計。在此基礎上，實現了上位機監控平臺開發和下位機軟件的設計。通過電機調速特性實驗驗證了系統硬件和軟件設計的可行性，達到了控制系統穩態和動態性能要求，系統人機對話友好，該方案可推廣應用于機器人運動控制系統的設計。

關鍵詞：直流電機調速 DSP 驅動電路 串口通信

中圖分類號：TM33 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）11（a）-0006-04

用DSP替代傳統的單片機進行電機控制已成為一種潮流。該文將高速、高性能、滿足實時性要求的TMS320F2812用于直流電機調速系統，設計驅動電路，滿足低成本大功率直流電機驅動控制，采用增量式PI算法閉環反饋，通過改變PWM信號達到調速控制目的，TMS320F2812通過串行通信數據接口與上位機進行信息交互，使得系統更加智能化，人機對話友好，該方案可推廣應用于機器人運動控制系統的設計。

1 系統硬件設計

1.1 總體控制方案

該文選取額定電壓為12 V的37GB-520大扭矩直流減速電機，同時電機尾部裝備了一個增量式霍爾旋轉編碼器，簡化了硬件結構。控制系統的主要任務是接收上位機的控制命令，采集直流電機速度反饋信息，通過閉環控制算法控制直流電機完成相應動作[1]，總體控制方案如圖1所示。DSP用于產生PWM驅動信號，經功率驅動電路，實現電機啟動、制動、正反轉控制。通信模塊用于實現DSP和上位機之間的信息交互，上位機發送控制命令給下位機，同時，下位機能夠實時地將速度信息反饋給上位機，方便上位機監控[2]。

1.2 功率驅動電路設計

功率驅動電路如圖2所示，由于功率半導體器件并非理想開關，斬波器橋路同側兩元件切換時必須要等到導通元件確實關斷之后才能開通另一元件，否則勢必造成同側對應管直通，將電源短路[3]。為了避免直通短路，必須引入開通延時死區，延時時間必須大于MOSFET管的存儲時間[4]。該文選用IR公司的IR2104半橋驅動芯片作為柵極驅動器，IR2104能提供較大的柵極驅動電流，死區電壓小，并且具有硬件防同臂導通等功能。

1.3 通信電路設計

為實時直流電機的速度信息，該文建立了上位機與下位機通信的電路模塊。串行通信采用符合RS-232標準的SP3232E芯片進行驅動，具有兩個接收和發送通道，因其集成度高，與TMS320F2812一樣采用3.3V供電，所以可以直接進行連接[5]。串行通信接口電路如圖3所示。

2 系統軟件設計

2.1 上位機軟件設計

該文采用TMS320F2812的串行SCIA模塊外擴為RS-232接口與上位機進行通訊，SCIA模塊通過中斷模式接收上位機的控制數據，并將其轉換為控制命令放入控制命令變量中[6]。為保證下位機能夠正確接收上位機發送的控制命令，需要設置通訊協議[7]。上位機到DSP的控制命令字定義如表1所示。

上位機通過串口發送命令給TMS320F2812，TMS320F2812端的串口中斷程序rs232_rx（ ）被觸發。rs232_rx（ ）清總中斷后讀取緩沖寄存器接收到的數據sci_rx[0]。如果sci_rx[0]不在字符‘0-‘5中，則接收到錯誤數據，開總中斷，退出中斷程序。如果sci_rx[0]接收的數據在字符‘0-‘5中，則說明接收到有效數據，進入有效數據接收循環。

實際中同樣也需要將DSP采集到的數據反饋給上位機，因DSP傳到上位機進行顯示的數據較多，為避免誤操作，在定義DSP對上位機的通訊協議時設置了開始位和結束位，將數據發送格式定義為"S"+0000+"F"（S代表D，E），上位機接收指令定義如表2所示。

2.2 下位機軟件設計

下位機程序首先完成函數的聲明，包括中斷函數的聲明，各個子函數的聲明以及系統用到的所有變量的定義。然后對各個外設模塊進行初始化。最后程序進入主循環體，等待中斷觸發。中斷子程序由定時器中斷、捕獲中斷和SCI中斷子程序構成。程序總體結構圖如圖4所示。

PI控制器參數的整定采用的是實驗湊試法，通過不斷的調整Kp、Ki參數，觀察上位機轉速曲線，然后根據各參數對系統的影響，反復湊試參數，直至出現滿意的響應，從而確定PI控制器的參數。通過不斷的調整，最終確定了一對比較理想的數值KP=0.042，Ki=0.65。

3 系統調試

該文上位機控制軟件中通信設置如下：串口號設置為COM1，波特率配置為19 200，數據位為8，檢驗位設定為無，停止位為1，電機額定電壓為12 V。上位機設定電機轉速366 rpm，電機從停機狀態啟動，如圖5所示，在電機速度維持一段時間后，通過上位機控制電機減速到330 rpm，如圖6所示，圖7為PC機控制電機停轉過程所發生的動態響應情況。從整個響應曲線圖可以得出，該系統控制直流電機調速響應時間短、控制準確，能達到系統要求。

4 結論

該文已成功達到了直流電機調速穩定性和快速性的要求，與同類設計相比，成本低、功耗低、人機對話界面友好，使用方便，上位機能實時監控直流電機的工作情況，利用本方案來改造現有的直流電機，易于實現監控的自動化，該方案可推廣應用于機器人運動控制系統的設計。

參考文獻

[1] 張毅，羅元.移動機器人技術及其應用[M].電子工業出版社，2007.

[2] 相里燕妮.基于DSP的移動機器人運動控制系統設計[D].中國科學院研究生院（西安光學精密機械研究所），2015.

[3] 張靖瑤.基于DSP的直流電機控制系統的研究[D].武漢理工大學，2007.

[4] 黃望軍，宋強.TMS320C240在電機控制中的應用[J].日用電器，2003（4）：14-16.

[5] 完誠.履帶式移動機器人運動控制系統設計[D].南京理工大學，2010.

[6] 周超.基于DSP的小型移動機器人控制系統[D].哈爾濱工業大學，2005.

[7] 翟宇毅，張瑞勇.基于VC++的超小型水下機器人上位機人機交互界面設計[J].自動化與儀器儀表，2011（5）：66-68.