维普资讯 http://www.cqvip.com 微电机 中图分类号：ＴＭ３６ １ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１－６８４８（２００８）０６．００４４．０４ 基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８ １ ２的无刷直流电机伺服系统设计 王 澍，林辉 （西北工业大学，西安７１００７２） 摘要：介绍了基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２数字信号处理器、采用新型ＰＩＤ参数自整定分段控制的方法 实现高精度无刷直流电机伺服控制系统。详细介绍了系统的硬件结构和位置环、速度环和电流 环三闭环控制方法。实验结果表明，系统精度高、响应速度快。 关键词：无刷直流电机；伺服控制；数字控制；实验 Ｓｅｒｖｏ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ Ｍｏｔｏｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＴＭＳ３２０Ｆ２８ １２ ＷＡＮＧ Ｓｈｕ，ＬＩＮ Ｈｕｉ （Ｎｏｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ａｄｊｕｓｔｉｖｅ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ ｑｕａｌｉｔｙ ＢＬＤＣＭ ｓｅｒｖｏ－ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ ＤＳＰ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐｓ ｉｎｃｌｕ－ ｄｉｎｇ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｌｏｏｐ，ｃｕｒｒｅｎｔ ｌｏｏｐ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ ｌｏｏｐ，ａｎｄ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ａｎ－ ａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ａｔ ｌａｓｔ，ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｑｕＭｉｙｔ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｉｓ ｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ＢＬＤＣＭ；Ｓｅｒｖｏ ｃｏｎｔｒｏｌ；ＮＣ；Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ０ 引 言 ＴＭＳ３２０Ｃ２ＸＸ内核的定点数字信号处理器。Ｆ２８１２ 数字信号处理器的运算精度达３２位，主频高达 无刷直流电机具有调速性能好、控制方法灵活 １５０ ＭＨｚ，内部集成了１２８ ｋＢ的Ｆｌａｓｈ存储器，４ 多变、效率高、寿命长、起动转矩大、过载能力强 ｋＢ的引导ＲＯＭ，数算表，２ ｋＢ的ＯＴＰ ＲＯＭ 等优点 Ｊ。无刷直流电机采用专用芯片。本系统选 以及两个事件管理器。其先进的内部和外设结构 用ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２处理器构建控制平台，充分利用 使得该处理器特别适合电机及其他运动控制应用， ＤＳＰ的片内资源，以简洁可靠的硬件结构实现了电 能够真正实现单片控制，为电机的伺服控制提供 机的位置、速度和电流三闭环全数字化控制。 了良好的控制功能 。 １ 系统硬件构成和工作原理 由于在Ｆ２８１２芯片上集成了上述灵活、可靠的 控制和通信模块，因此完全可以采用单芯片实现 １．１控制电路 伺服系统的控制和通信功能。图１给出了本系统的 ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２数字信号处理器是基于 整体结构功能框图。 ……予 ｊ ’ 医 采样电流 信号放大 电机反馈电流 送入ＡＤＣ 滤波电路 １—６— １‘堡×。 同 ！。’ —２—８Ｋ —一 ：ｋ 处理单元 Ｌ——— ———！—— 。————ｆ — １ 鐾 十．， —Ｉ麓 １ Ｉ自ｌＩ 用户接口ｒ１１羹 Ｈ囝Ｊ 兰¨ ‘ｓ ｚ 图１系统组成结构图 １．２逻辑电路 收稿日期：２００７－０７－１６ 逻辑电路选用ＭＡＸ７０００Ａ系列的ＥＰＭ７１２８ＡＥ 修回日期：２００８－０２－２５ 器件对电机的转子位置等信号进行逻辑处理。该 ・４４・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的无刷直流电机伺服系统设计王澍，等 器件基于高性能的ＣＭＯＳ ＥＥＰＲＯＭ工艺，最小传 输延迟时间为４．５ ａｓ。由于其良好性能，能完全满 足系统的性能要求。器件ＥＰＭ７１２８ＡＥ实现了电机 的三相全桥逆变电路触发信号、过流保护、正反 转、三相全桥开通与关断功能，将这些信号进行 ２．１ 电流检测 为了检测到准确的电流反馈值，用一个 ０．０１ ｎ无感精密电阻（见图２中的电阻尺）作为一 个电流传感器，将其安放在母线回路上。采样电 与或逻辑后输出六路ＰＷＭ信号控制电机。 １．３驱动电路 电机的驱动电路由驱动芯片ＩＲ２１３０和三相全 桥逆变电路构成，如图２所示。驱动芯片ＩＲ２１３０ 内置了２．５ ｓ的死区时间，防止同一桥臂的上下 两个ＭＯＳＦＥＴ同时导通。当系统出现欠压、过流 时，ＩＲ２１３０起动内置的保护电路锁住后面的ＰＷＭ 输出，保护系统电路。 驱动电路采用上桥臂功率管ＰＷＭ斩波控制的 单斩方式。ＩＲ２１３０的输入信号由ＥＰＭ７１２８ＡＥ得到 的ＰＷＭ信号，经过隔离驱动后，把ＰＷＭ信号送 入ＩＲ２１３０的输入口，信号经过ＩＲ２１３０后的输出给 ＭＯＳＦＥＴ去驱动无刷直流电动机。通过对定子绕组 输入电压进行ＰＷＭ斩波，从而改变定子绕组的平 均电压，实现了调压调速。 — 君圈ｓ ｉ蠡波放大电路ＨＰＡＤＣ ＲＷＭＭ， ：。 Ｃ ＡＰ１ 滤波隔离电 图２控制驱动电路 ２伺服控制策略 本系统采用全数字三闭环控制。电流环设计 成Ｉ型系统，控制算法采用Ｐ控制；速度环设计 成Ⅱ型系统，控制算法采用ＰＩ控制；位置环采用 分段控制，根据不同时刻的位置误差及其变化率 采取不同的控制策略，能够较好地对非线性对象 进行控制 ４。。伺服系统的控制如图３所示。 图３伺服控制系统框图 阻将电流信号转换为电压信号，电压信号送到电 流监控芯片ＩＮＡ１９４进行放大，然后经过由 ０ＰＡ２３４４构成二阶有源滤波电路滤波，再经ＡＤ— ＵＭ１４０１隔离送到ＤＳＰ的Ａ／Ｄ转换器。本文中开 关管采用单极性ＰＷＭ控制，因此只能在ＰＷＭ的 高电平区间，即上下桥臂开通期问才能采样到电 流值。采用定时器周期中断，每中断１次进行１次 电流环调节。 ２．２速度检测 速度检测不但用于产生速度反馈量，而且还 用于换向控制。每一个霍尔传感器都会产生１８０。 脉宽的输出信号，３个霍尔传感器的输出信号互差 １２０。相位差。它们在每个机械转动中对应６个换向 时刻。速度检测把霍尔传感器得到的霍尔信号Ｈａ、 Ｈｂ、Ｈｃ经过逻辑运算后，得到１２个上升沿和下 降沿的信号。通过将ＤＳＰ设置为双沿触发捕获中 断功能，电动机每转动６０。就有一次捕获。只要检 测两次换向的时间间隔就能够计算出电动机的速 度，同时把定时器采用１２８分频。由于电动机为两 对极，因此电动机的角速度为 ＝６０。／ｔ・１２。采 用连续捕获１２次位置信号，然后取平均值的办法 算出无刷直流电动机的速度值。ＣＰＵ定时器每中 断４次进行１次转换调节。 ３位置环控制 位置环作为三闭环数字调节器的最外环，直 接决定了伺服系统的各种动态和静态性能。ＣＰＵ定 时器每中断８次，进行１次位置环调节。 位置给定具有很大的不确定性，加之被控对 象的非线性以及系统参数的时变性等，一般传统 的ＰＩＤ控制算法很难满足要求，理论和实践均证明 采用分段控制根据不同时刻的位置误差及其变化 率采取不同的控制策略，很够较好地对非线性对 象进行控制。图４是系统位置环的调节规律，在位 置误差较大的ＯＡ段电机全速运行，以加快响应的 上升时间，Ａ点是ｂａｎｇ—ｂａｎｇ控制点，之后采用 ＰＩＤ控制。ＡＢ段采用积分分离的ＰＩ控制，接下来 按照位置误差ｅ 及其变化率ｅ 的正负关系将控 制过程分为ＢＣ—ＣＤ—ＤＥ—ＥＦ四段进行控制。各段采 取不同的ＰＩＤ参数，与固定参数的ＰＩＤ控制算法相 ．４５． 维普资讯 http://www.cqvip.com 徽电机 比，采用这种控制方法系统输出精度高、响应速 度快，并具有较强的鲁棒性和较好的动态和静态 性能 刮。 Ｌ（ｋ）＝ （Ｉｉ｝一１）＋ ｒＤ［ｅ （Ｉｉ｝）一ｅ （Ｉｉ｝一１）］＋／３Ｋｉｅ （Ｉｉ｝） 式中 、 为位置环比例、积分系数； 为位置 环输出的参考转速；卢＝｛ 。ｅ（Ｉｋｉ｝； 为积分项 Ｄ ｒ．＾Ｅ 丫 ／ Ａ／Ｊ ， ＼ 给定位置 反馈位置 ｌ 令：ｅ （Ｉｉ｝）＝Ｐ （ 一Ｐｒ（ｋ） ＝ｅ （ｋ）一ｅ （ｋ一１） 式中ｅ 为位置误差； 为位置误差变化率；Ｐ 为位置给定；Ｐ 为位置反馈。 经分析可知：Ｂｃ段：ｅ ＞０， ＜０；ＣＤ段： ｅｐ＜０， ｐ＜０；ＤＥ段：ｅｐ＜０， ｐ＞０；ＥＦ段： ｅｐ＞０， ｐ＞０。 这样，在不同的ｅ 和 范围内采用不同的 ＰＩＤ参数，因此必须考虑不同时刻３个参数的作用 以及相互之间的关系。参数调节的规律如下： （１）当ｌ ｅ。ｌ较大时，为加快响应速度并防止开 始时偏差ｅ瞬间变大，取较大的 和较小的Ｋ。， 同时为了防止积分饱和，避免系统响应出现较大 的超调，应尽量减小Ｋｌ； （２）当ｌ ｅ ｌ和Ｉ Ｉ为中等大小，为使系统响 应的超调减少， 、Ｋ和Ｋ。都不能太大，应取较 小的 值。 和 值的大小要适中，以保证系 统响应速度； （３）当Ｉ ｅ Ｉ和Ｉ ｌ较小时，为使系统具有良 好的稳态性能，应增大 和Ｋ值，同时为避免系 统在设定值附近振荡，并考虑系统的抗干扰性能， 适当选取 值，通常为中等大小。在此阶段采用 不完全微分ＰＩＤ算法。 ３．１积分分离的ＰＩ控制算法 图４中的ＡＢ段，采用积分分离的ＰＩ控制。为 了减小电机在运行过程中积分校正对控制系统动 态性能的影响，可采用积分分离ＰＩ控制。当电机 的实际位置与给定期望位置的误差小于一定值时， 再恢复积分校正环节，以便消除系统的稳态误差， 保证伺服电机位置控制的精度。增量式积分分离 ＰＩ控制算法可表示为： ・４６． 的开关系数；８为根据实际情况人为设定的积分分 离阈值（ｓ＞０）。 引入积分分离ＰＩ控制算法，既保持了积分作 用，又减小了超调量，使得控制性能有了较大的 改善 。 ３．２不完全微分ＰＩＤ控制算法 微分环节的引入可改善系统的动态特性，但 对于高频干扰特别敏感，在误差扰动突变时尤其 显出微分项的不足。当ｌ ｅ ｌ和ｌ ｌ较小时，位置 反馈回来的信号中可能夹杂的高频干扰会对微分 项产生严重的影响，故在图４中的ＢＣ—ＣＤ—ＤＥ— ＥＦ各段 ｌ和ｌ； ｌ较小的范围内，采用不完全微 分的ＰＩＤ控制。在控制算法中加入一个一阶惯性环 节（低通滤波器）Ｇ （．ｓ）＝１／（１＋ ・ｓ）。这里把低 通滤波器直接加到微分环节上，如图５所示。另外 也可以将其加在整个ＰＩＤ控制器后。 Ｉ￥ｔ ５／ｆ、无全微分ＰＩＤ控制算法结构图 由图５可知， ＝ ＋等 ＋ ＵＩ（ｓ）＋Ｕ。（ｓ） 将上式离散化得： （ｋ）＝ 。（ｋ）＋ （ｋ）＋ 。（ｋ） 对微分项 。（ｓ）＝ （ｓ）进行简单的推导， 就得到了不完全微分的算法，即： 。（Ｉｉ｝）＝ “。（Ｉｉ｝－１）十 １Ｄ（１一 ）Ｅｅｐ（Ｉｉ｝）一ｅ （Ｉｉ｝一１）］ ： “。（Ｉｉ｝一１）＋ ＫＤ（１一 ）Ｅｅｏ（ｋ）一。 （ｋ－１）３ 式中， ； 为采样时间； 为位置环比 例系数；ＴＩ为积分时间常数；ＴＤ为微分时间常数； 为滤波器系数。 维普资讯 http://www.cqvip.com 基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的无刷直流电机伺服系统设计王澍，等 、一１），原微分系数由ＫＤ降到ＫＤ（１一Ｏ可 ： 妻 分 了 ｔ）。 ４试验结果及其分析 采用ＰＩＤ参数自整定分段控制的方法得到的位 置环的调试结果如图６和图７所示。其中图６为方 波跟踪响应，着重体现的是系统的跟踪效果；图７ 为阶跃响应，着重体现为静态精度。 囊 ５ ； １ ０ １ １．５ ２ ２ ５ ３ ５ ４ ４．５ ５ ￡，ｓ … 图６位置环方波跟踪响应 越５ ４ ３ ２ １ ０ 图７位置环阶跃响应 从上面的位置响应曲线图可以看出，系统的 跟踪效果较好，稳态精度较高，已达到控制要求 ０．２。；动态过程中半波振荡１次也基本满足要求， 满足了系统性能指标，达到了系统的控制要求。 ５结论 一 ～ 采用了先进的ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２数字信号处理器， 使得稳定时间能够很短。由于Ｆ２８１２的集成度高， 单片就能完成整个控制功能，使得硬件系统的体 积大大缩小。针对无刷直流电机伺服控制系统要 求的精度高、响应速度快，采用了ＰＩＤ参数自整定 的方法，根据偏差和偏差变化率，对不同的阶段 采用不同的控制方法，充分发挥各种控制方法的 优点。实验结果表明，系统响应快、性能稳定， 能较好地满足伺服系统控制性能的要求。 参考文献 张琛．直流无刷电动机原理及应用［Ｍ］．北京：机械工业出 版社，２００４． 苏奎峰，吕强，耿庆锋，等．ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２原理与开发 … ［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００５． Ｋａｒｌ Ｊ．Ａｓｔｒｏｍ，ａｊｏｍ Ｗｉｔｔｅｎｍａｒｋ．计算机控制系统［Ｍ］．北 京：电子工业出版社，２００１． 李凌志，张文志，孟瑞锋．基于ＤＳＰ的无刷直流电机伺服控 制系统［Ｊ］．机电工程，２００７，（５）：６６－６９． 毛怿弘，邹俊忠，姚晓东，等．无刷直流电机无位置换向控 制［Ｊ］．微电机，２００４，（３）：４３＿４５． 敖银辉．基于ＤＳＰ的无刷直流电机模糊控制系统研究［Ｊ］， 中小型电机，２００４，（２）：３Ｏ－３３． 周雪琴，安锦文．计算机控制系统［Ｍ］．西安：西北工业大 学出版社，１９９８． 作者简介：王澍（１９８２一）， 男，硕士研究生，研究方向为 电力电子与电力传动。 林辉（１９５７一），男，教授， 博士生导师，研究方向为电力 电子与电力传动。 ・ ７・
