基于TMS320F2812的无刷直流电机控制.doc

基于TMS320F2812的无刷直流电机控制
以前一个项目里有一部分是使用2812控制无刷直流电机，这里分享一下软硬件设计和程序代码：
1.无刷直流电机的结构和换相原理
无刷直流电机的本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他启动装置。其转子采用永磁材料制成，而定子上有多相电枢绕组，绕组相数分为两相、三相、四相和五相，但应用最多的是三相和四相。各相绕组分别与外部的电力电子开关电路中相应的功率开关器件连接，位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相连接。
当定子绕组的某一相通电时，该相电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子位置变换成电信号去控制电力电子开关电路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相，这就是直流无刷电动机的换流原理。由于电力电子开关电路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换相器的换相作用。
基于TMS320F2812的无刷直流电机控制系统结构图如图1所示。图1中，直流电源通过开关电路相电动机定子绕组供电，位置传感器采用了霍尔传感器，可不断检测转子当前位置，DSP控制器根据当前位置信息来判断哪一相绕组被接通，进而控制开关管的导通与截止，实现电机的换相。

图1 直流无刷电动机控制系统结构图

图2 电子换相器的工作原理图
图2给出了一个三相无刷直流电机电子换相原理图。图中符号H1、H2和H3表示三个霍尔位置传感器，它们输出电平信号。当电机的转子运行到x-u平面的正半周（图中虚线标出的区间），则H1传感器输出高电平。同理，当电机的转子分别运行到y-v和z-w，平面的正半周（图中虚线标出的区间），则对应的H2和H3分别输出高电平。由图可见，H1、H2和H3输出高电平的区间是互有重叠的，如果将H1、H2和H3的输出电平组合成一个向量[H1 H2 H3]，则可以得到6种有效组合：[001]、[010]、[011]、[100]、[110]和[101]，每种组合覆盖整个圆周的1/6（即60°）。控制器根据这六个状态组合来决定开关电路的哪一相被接通以维持电机的运行，当状态发生变化时，就必须进行相位的切换。对于电机的三相绕组，A、B和C，采用ANC表示直流母线电压施加到A-C绕组之间；CNA则表示直流母线电压施加到C-A绕组之间，其他类似。注意ANC电流从A→C，而CAN电流从C→A，作为直流电机，绕组电流相反意味着受力是相反的，会导致电机反向转动。
图3给出了6种状态组合下对应的通电绕组的情况，例如在状态[001]通电绕组是ANB。如果电机正转，则下一个组合状态为[101]，故应将通电绕组切换为ANC；同理，如果电机反转，则下一个组合状态为[101]，故通电绕组应该切换为CNB，以次类推。表1给出了电机正向旋转时，转子位置传感器输出的状态组合[H1 H2 H3]与下一个导通绕组之间的对应关系。表2给出了电机反转时的情况。

图3 基于TMS320F2812无刷直流电动机控制系统原理图
表1 无刷直流电机正转相序表
当前位置
下一个导通相
各开关管工作状态
H1
H2
H3
V1
V2
V3
V4
V5
V6
1
0
1
BNC
0
0
0
1
1
0
1
0
0
BNA
1
0
0
1
0
0
1
1
0
CNA
1
0
0
0
0
1
0
1
0
CNB
0
0
1
0
0
1
0
1
1
ANB
0
1
1
0
0
0
0
0
1
ANC
0
1
0
0
1
0
表2 无刷直流电机反转相序表
当前位置
下一个导通相
各开关管工作状态
H1
H2
H3
V1
V2
V3
V4
V5
V6
1
0
1
ANB
0
1
1
0
0
0
1
0
0
CNB
0
0
1
0
0
1
1
1
0
CNA
1
0
0
0
0
1
0
1
0
BNA
1
0
0
1
0
0
0
1
1
BNC
0
0
0
1
1
0
0
0
1
ANC
0
1
0
0
1
0
2.三相无刷直流电机的DSP控制
图3给出了本设计中采用的基于TMS320F2812A和三相全桥开关电路构成的无刷直流电机控制器的原理图。在无刷直流电机内部空间间隔120°分布的三个霍尔传感器H1、H2和H3的输出信号经整形隔离电路后分别与TMS320F2812时间管理器EVA的三个捕获引脚CAP1/IOPA3，CAP2/IOPA4和CAP3/IOPA5相连，当[H1 H2 H3]状态组合发生变化的时候，将触发捕获单元的中断，在中断服务程序内，DSP读取当前[H1 H2 H3]的状态，根据表1和表2内列出的导通相顺序对全桥电路进行控制，从而实现换相。例如，当[H1 H2 H3]被读取的当前状态为101时，在正转的情况下，应该选择下一个导通相为BNC。这就意味着在图3中，要控制开关V4、V5导通，这样直流母线电压就施加到B-C绕组之间（直流电流从B绕组流向C绕组）；如果控制反转，则应该选择下一个导通相为ANB，这需要控制V2和V3导通。
图3中三相全桥主电路采用3片IR公司的MOSFET器件TRF7317来构成，TRF7317内部有两个MOSFET的开关，一个NMOS和一个PMOS，其中NMOS用于构成桥臂的下管，而PMOS则用于构成桥臂的上管，由于是12V的电机控制系统，这种配置使得驱动电路比较简单。三相全桥电路每个桥路的上下两个开关是不能同时导通的否则会引起直通短路。MOSFET的开关控制通过DSP的EVA单元的输出PWM1-PWM6来实现，图3中给出了PWM1和PWM2同时发出高电平脉冲导致经过几级逻辑转换变成互相反相的控制脉冲V1和V2，由于V1控制NMOS，而V2控制PMOS，故两管都会导通引起直通短路。总之，PWM1-PWM6独立控制三相全桥的6个MOSFET，并且高电平控制导通，而低电平控制截止，为了防止直流短路，不允许出现同一个桥臂上下两管的控制脉冲同时为高电平的情况。
3.PWM信号实现电机调速的原理
无刷直流电机的转速控制是通过控制施加到三相绕组上的直流电压的大小来实现的，为了实现转速的变化，就需要通过三相全桥开关电路产生可变的直流电压，这将通过脉宽调制原理（PWM）来实现。PWM信号是一系列周期固定、脉宽可变的脉冲电压，这些脉冲信号的平均值的大小取决于其占空比，这个固定周期称为PWM的载波周期。将PWM脉冲信号施加到三相全桥电路，其输出电压作用于一个惯性设备（如一个LC滤波器或者电机等），则控制作用只取决于平均电压的大小（惯性设备类似于一个低通滤波器），而此平均电压正是由PWM信号的占空比来控制的。于是，不断修改PWM信号的脉冲宽度即可控制平均电压的大小，进而不断控制直流电机的转速。
在直流无刷电动机控制中，两个功率器件（上级和下级）被串联放在一个功率转换支路中，为了避免击穿失效，两个器件的打开周期必须不能重叠，这样就经常需要一对非重叠的PWM输出来正确地开关这两个器件。在一个三极管的关断和另一个三极管导通之间插入一段死区，这段时间延迟允许一个三极管在别的三极管导通之前完全关断。这个所需的延迟时间由功率三极管的开关特性和特定应用中的负载特性来决定的。
4.软件设计
软件采用模块化设计，主要有以下5个模块组成：换相及转向控制模块、转速控制模块、转速测量模块、键盘控制模块和液晶显示模块。实现了无刷直流电机的闭环PID控制，主程序流程图如图4所示。

图4 闭环PID控制主程序流程图
4.1换相及转向控制
相控制是通过不断检测无刷直流电机的转子位置，然后按照预先安排的相序表动态控制三相全桥开关的导通及关断，从而使电机能够连续运行。转向控制则通过更换相序表来实现。程序设计步骤如下：
（1） 配置系统时钟和外设时钟，初始化中断向量表和中断控制寄存器。
（2） 配置GPIOA的多路转换器寄存器GPAMUX，使PWM1~PWM6作为PWM控制引脚，CAP1~CAP3作为捕获单元输入引脚。
（3） 初始化EVA的通用定时器T1，设置PWM载波周期（通过T1PR）和初始占空比（通过比较寄存器CMP1、CMP2、CMP3设置初始占空比为50%），设置比较控制寄存器COMCONA使能全比较操作，但暂不启动定时器T1。
（4） 配置CAP1~CAP3的捕获中断为上下沿跳变触发方式
（5） 检测CAP1~CAP3引脚的当前状态，判断当前电机转子的空间位置，根据转向要求选择合适的初始控制相序并据此配置ACTRA寄存器，然后启动定时器T1并开放中断。
（6） 主程序进入等待状态。
（7） 创建捕获中断的中断服务程序，在中断服务程序中实时检测当前电机转子的空间位置，然后根据转向要求和预先安排的相序表选择合适的开关控制时序，并动态控制ACTRA寄存器，使得电机能够连续运行。
流程图如图5所示：

图5 换相及转向控制流程图
4.2转速测量
转速的测量可以通过在标准的定时时间间隔内对换相控制的次数进行统计来实现。由于所用的电机转一圈换相6次，故设置定时器T2定时0.1s，在此定时时间内换相次数记为N，则转速即为100N/min。流程图如下图6示：

图6 转速测量程序流程图
4.3键盘控制与液晶显示

图7 键盘程序流程图
键盘则用于设定给定转速。其程序流程图如图7所示。
液晶显示主要分为两部分：说明文字的显示及参数值的显示。无论是文字还是参数值的显示，都需要生成16进制代码，利用字模软件zimo221生成，取字模时选择“纵向取模，字节倒序”。然后调用相关函数即可将其显示出来。
程序设计步骤如下所示：
（1）进行初始化，清屏
（2）显示“转速：”
（3）实时显示参数值（转速、占空比）
流程图如下图8所示：

图8 液晶显示流程图
5.硬件设备
本设计采用的主要设备包括：
（1）12W无刷直流电动机FL57BLS005-12V；
（2）MOTOR-E背板，该背板包括驱动无刷直流电机的三相全桥开关电路、霍尔传感器输出信号的整形和隔离电路以及来自TMS320F2812的6个PWM控制信号（PWM1~PWM6）的隔离和驱动电路；
（3）TMS320F2812开发板；
（4）LPS-305型可调线型稳压电源，调试过程调节此电源输出+12V，输出限流值1.5A，用于为无刷直流电机供电。由于在调试中会频繁出现短路情况，故采用带输出限流保护的电源，以限制短路时过流引起MOSFET损坏的问题。
6.总结
本设计以TMS320F2812 DSP芯片为核心，来实现对无刷直流电机的PID控制，可以控制电机自动加减速，自动换向，测量转速值并实时显示在液晶屏上。
本系统采用CCS编程，利用PWM信号实现电机调速，开关主电路同一相上下桥臂PWM波形如图9所示。

图9 同一相上下桥臂PWM波形图
调试中遇到了不少问题，主要如下：
（1）电机不能自行启动，需要用手拨一下才能转起来。
解决办法：增大初始占空比，但不能过大，否则会导致过流。
（2）如何实时显示转速值？
解决办法：将0～9十个数字的字模放入一个10维的数组，分别求出测得转速值的各位上的数字并分别调用显示函数，将各位数字分别显示出来，即可实现转速的实时显示。
（3）实时检测到的电机转速精度不够，只显示到了百位。
解决办法：这是由于T1的计时周期设为了0.1s，更改了CPU时钟周期，同时更改了与定时器时钟有关的寄存器以后，可显示到个位。
附：源程序代码
#include "DSP281x_Device.h" // DSP281x Headerfile Include File
#include "DSP281x_Examples.h" // DSP281x Examples Include File
interrupt void CAPINT_ISR(void);
interrupt void T2_ISR(void);
void InitEv(void);
void HallDrv(void);
Uint16 hall_status=0x0000;
Uint16 hall;
Uint16 direction; //电动机转动方向指示，0为正转，1为反转
Uint16 direc; //拨码开关1，位置在上为0，在下为1
Uint32 counter=0; //换相数
Uint32 speed=0; //实际速度
int16 givespeed=0; //给定速度
int32 Espeed=0; //速度差值
Uint16 null,keycodekey;
int16 Duty;
Uint16 watchduty=0; //占空比
float Kp=0; //PID参数
float Ki=0;
float Kd=0;
float Last=0; //传递上次变量
float LLast=0; //传递上上次变量
float PidResult=0;
#define DIPS (*((unsigned int *)0xc0001)) //定义拨码开关寄存器地址和类型
#define CTRKEY (*((unsigned int *)0x108001)) //定义键盘数据回读寄存器地址
#define Period 0x0753 //载波周期
main()
{
InitSysCtrl(); //初始化DSP运行时钟
InitPieCtrl(); //初始化pie寄存器
DINT; //关总中断
IER=0x0000; //禁止所有的中断
IFR=0x0000; //清除所有的CPU级中断请求标志
InitPieVectTable(); //初始化PIE中断向量表
InitEv(); //初始化EVA模块
EALLOW;
PieVectTable.CAPINT1=&CAPINT_ISR; //将捕获单元的中断服务程序入口地址填写到PIE向量表中
PieVectTable.CAPINT2=&CAPINT_ISR;
PieVectTable.CAPINT3=&CAPINT_ISR;
PieVectTable.T2PINT=&T2_ISR; //将T2的中断服务程序入口地址填写到PIE向量表中
EDIS;
EvaRegs.EVAIFRC.all=0xFFFF; // EVA 中断标志复位
EvaRegs.EVAIFRB.all=0xFFFF;
EvaRegs.EVAIMRC.all=0x0007; // 使能CAP1,2,3双沿中断(换向) ，外设级
EvaRegs.EVAIMRB.all=0x0001; // 使能T2周期匹配中断 ，外设级
//使能PIE中组3的第1,5,6,7个中断
PieCtrlRegs.PIEIER3.bit.INTx5=1; //CAPINT1
PieCtrlRegs.PIEIER3.bit.INTx6=1; //CAPINT2
PieCtrlRegs.PIEIER3.bit.INTx7=1; //CAPINT3
PieCtrlRegs.PIEIER3.bit.INTx1=1; //T2PINT
direc=DIPS;
direction=direc&0x0001;
HallDrv();
Kp= ;Ki= ;Kd= ; //初始化PID参数
givespeed=3000;
IER|=M_INT3; //使能EVA对应的CPU级中断请求INT3
EINT; //使能全局中断
ERTM;
EvaRegs.T1CON.bit.TENABLE=1; //启动定时器T1
EvaRegs.T2CON.bit.TENABLE=1; //启动定时器T2
PieCtrlRegs.PIEACK.all=PIEACK_GROUP3; //允许CPU对PIE中断请求进行响应
Lcd_Init(); //LCD初始化
LcdClear(); //LCD清屏
LcdWrite(); //LCD写入
//等待中断
while(1)
{
keycode=CTRKEY; //读键盘码
null=CTRLCDCR; //清键码锁存器
key=keycode&0x00FF;
switch(key)
{
case 1: givespeed++; break; //键盘按键1按下，则给定转速增加1r/min
case 2: givespeed--; break; //键盘按键2按下，则给定转速减小1r/min
case 3: givespeed+=10; break; //键盘按键3按下，则给定转速增加10r/min
case 4: givespeed-=10; break; //键盘按键4按下，则给定转速减小10r/min
case 5: givespeed+=100; break; //键盘按键5按下，则给定转速增加100r/min
case 6: givespeed-=100; break; //键盘按键6按下，则给定转速减小100r/min
case 7: givespeed+=1000; break; //键盘按键7按下，则给定转速增加1000r/min
case 8: givespeed-=1000; break; //键盘按键8按下，则给定转速减小1000r/min
default: break;
}
if(givespeed<0){givespeed=0;}
if(givespeed>=10000){givespeed=9999;}
PutValue(72,17,givespeed); //显示给定速度
PutValue(72,33,speed); //显示实际速度
watchduty=(Uint16)((1-(float)Duty/Period)*100);
PutValue(72,49,watchduty); //显示占空比
}
}
void InitEv(void)
{
EALLOW;
GpioMuxRegs.GPAMUX.all=0xFFFF; //设定EVA的引脚为外设
EDIS;
EvaRegs.T1CON.all=0x0804; //连续增/减计数模式，暂不启动定时器T1的运行
EvaRegs.T1PR=0x0753; //设置T1定时器的周期寄存器值
EvaRegs.T1CNT=0x0000; //清零T1定时器的计数寄存器
EvaRegs.ACTRA.all=0x0000; //PWM1~PWM6强制低，在换向程序中再更改 EvaRegs.ACTRA.all=0x0000; // pwm1~pwm6 强制低; 在换向程序中需再更改//
EvaRegs.DBTCONA.all=0x0170; //死区设为1个CPU时钟周期
EvaRegs.COMCONA.all=0xA6E0; //使能全比较单元，在周期和下溢时重载
EvaRegs.CMPR1=0x0521; //初始占空比30%
EvaRegs.CMPR2=0x0521; //初始占空比30%
EvaRegs.CMPR3=0x0521; //初始占空比30%
EvaRegs.CAPCONA.all=0x36FC; //选定时器1，使能CAP1,2,3，检测两个边沿
EvaRegs.CAPFIFOA.all=0x0000; //清空FIFO
EvaRegs.T2CON.all=0x1704; //连续增计数模式,暂不启动定时器T2
EvaRegs.T2PR=0xE4E2; //每100ms中断一次
EvaRegs.T2CNT=0x0000;
}
void HallDrv(void)
{
hall=GpioDataRegs.GPADAT.all;
hall_status=hall&0x0700; //检测CAP1~CAP3引脚的当前状态
if(direction==0) //正转换向

switch(hall_status)
{
case 0x0500: EvaRegs.ACTRA.all=0x0038; break; // PWM2/PWM3 101→ANB
case 0x0100: EvaRegs.ACTRA.all=0x0830; break; // PWM6/PWM3 001→ANC
case 0x0300: EvaRegs.ACTRA.all=0x0803; break; // PWM6/PWM1 011→CNA
case 0x0200: EvaRegs.ACTRA.all=0x0083; break; // PWM4/PWM1 010→CNB
case 0x0600: EvaRegs.ACTRA.all=0x0380; break; // PWM4/PWM5 110→BNC
case 0x0400: EvaRegs.ACTRA.all=0x0308; break; // PWM2/PWM5 100→ANC
default: break;
}
else //反转换向
switch(hall_status)
{
case 0x0100: EvaRegs.ACTRA.all=0x0380; break; // PWM4/PWM5 001→ANC
case 0x0500: EvaRegs.ACTRA.all=0x0083; break; // PWM4/PWM1 101→BNC
case 0x0400: EvaRegs.ACTRA.all=0x0803; break; // PWM6/PWM1 100→BNA
case 0x0600: EvaRegs.ACTRA.all=0x0830; break; // PWM6/PWM3 110→CNA
case 0x0200: EvaRegs.ACTRA.all=0x0038; break; // PWM2/PWM3 010→CNB
case 0x0300: EvaRegs.ACTRA.all=0x0308; break; // PWM2/PWM5 011→ANB
default: break;
}
}
interrupt void CAPINT_ISR(void)
{
direc=DIPS;
direction=direc&0x0001;
HallDrv();
if(counter>1000) {counter=0;}
else counter++; //对中断次数累加，得到换相数以计算转速
EvaRegs.EVAIFRC.all=0xFFFF; //EVA中断标志复位
PieCtrlRegs.PIEACK.all=PIEACK_GROUP3; //允许CPU对下次PIE中断请求进行响应
}
interrupt void T2_ISR(void)
{
speed=100*counter; //计算实际转速值：counter/6×600
Espeed=givespeed/100-counter; //速度差值
PidResult=Kp*(Espeed-Last)+Ki*Espeed+Kd*(Espeed-2*Last+LLast); //增量式PID计算
LLast=Last;
Last=Espeed;
Duty-PidResult;
if(Duty<0) Duty=0; //幅度限制
else if(Duty>Period) Duty=Period;
EvaRegs.CMPR1=EvaRegs.CMPR2=EvaRegs.CMPR3=Duty; //根据PID结果更新比较值
counter=0; //将换相数清零
EvaRegs.EVAIFRB.all=0xFFFF; // EVA 中断标志复位
PieCtrlRegs.PIEACK.all=PIEACK_GROUP3; //允许CPU对下次PIE中断请求进行响应
return;
}
. . .