基于DSP控制的無刷直流電機的電動執(zhí)行器的設計

　　1 引 言

　　具有梯形反電動勢的永磁同步電動機通常被稱為無刷直流電動機，它具有體積小、重量輕、效率高、慣量小和響應快等特點。無刷直流電動機采用電子換向器替代了傳統(tǒng)直流電動機的機械換向裝置，從而克服了電刷和換向器所引起的噪聲、火花、電磁干擾、壽命短等一系列弊病。由于無刷直流電動機既具備交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點，又具有直流電動機的運行效率高、無勵磁損耗以及調速性能好等諸多優(yōu)點，故其在工業(yè)領域中的應用越來越廣泛。

　　當前國內(nèi)生產(chǎn)的電動執(zhí)行器多由模擬器件控制，精度差；保護措施使用繼電器和機械裝置，可靠性差；很多電動執(zhí)行器只能接收模擬信號（4～20mA、 1～5 V），不能與計算機進行通信；系統(tǒng)集成度低、維護困難。這就使得現(xiàn)有的電動執(zhí)行器不便于調試和維護，也不能根據(jù)生產(chǎn)的實際需要進行參數(shù)的現(xiàn)場調整，不便于實現(xiàn)數(shù)字化的分布式控制。

　　嵌入了微控制器的智能電動執(zhí)行器是最新一代的產(chǎn)品。智能電動執(zhí)行器性能優(yōu)越，占據(jù)了相當?shù)氖袌龇蓊~。這類電動執(zhí)行器具有可靠性高、使用方便、通信功能強、診斷保護功能完善、適應性廣泛等優(yōu)點?？梢哉f，智能化已經(jīng)成為電動執(zhí)行器發(fā)展的趨勢。

　　TMS320F240是美國TI公司推出的高性能16位數(shù)字信號處理器（DSP），是專門為電機的數(shù)字化控制而設計的。這種DSP包括一個定點DSP 內(nèi)核及一系列微控制器外圍電路，將數(shù)字信號處理的運算能力與面向電機的高效控制能力集于一體，可以實現(xiàn)用軟件取代模擬器件，方便地修改控制策略，修正控制參數(shù)，兼具故障檢測、自診斷和與上位機通信等功能。因此它強化了電動執(zhí)行器的作用。

　　2 DSP的優(yōu)良特性

　　TMS320F240是一種廣泛適用于各種電機控制的數(shù)字信號處理器，它不僅具有一般DSP高速處理數(shù)字信號的能力，還將各種電機控制所需要的外圍電路集于一體，能夠大大提高系統(tǒng)的可靠性。

　　TMS320F240的系統(tǒng)結構如圖2-1所示。

　　TMS320F240的執(zhí)行速度很快，內(nèi)部采用了哈佛結構，流水線作業(yè)，在20MHz的時鐘頻率下，指令周期僅為50 ns，且多數(shù)指令都能在一個指令周期內(nèi)完成。

　　事件管理器（EV）是該系統(tǒng)DSP芯片特有的專門用于電機控制用的模塊，主要由下面幾部分構成：

　?、偻ㄓ枚〞r器TMS320F240一共有3個16bit的通用計數(shù)器（T1、T2、T3），除了用于產(chǎn)生周期信號外，還作為正交脈沖編碼單元（QEP）、捕獲單元、PWM模塊的時基信號。

　?、诒容^單元和PWM控制TMS320F240提供了多達9路比較／PWM輸出端。其中的6路PWM輸出由一個空間矢量模塊控制，并具有死區(qū)邏輯，不需程序過多的干預就能夠方便地產(chǎn)生用于三相全橋逆變器6個功率開關元件的PWM觸發(fā)信號，從而實現(xiàn)對三相交流感應電機或無刷直流電機的控制。

　?、鄄东@單元（CAP）TMS320F240的捕獲單元可用于及時地捕捉無刷直流的電動機磁極位置信號的上升／下降沿，并通過查詢相關計數(shù)器的值來確定電機的轉速。

　　④正交編碼器（QEP）TMS320F240的正交編碼器可以對與電機同軸的光電編碼器、磁編碼器所產(chǎn)生的正交編碼信號進行計數(shù)，繼而判斷電機的轉速、位置、轉動方向。

　　此外，事件管理器還包括串行通信接口（SCI）、串行外設接口（SPI）。

　　TMS320F240內(nèi)部有16通道兩路轉換精度為10位的AD變換器，轉換時間僅為6．6μs。在電機調速系統(tǒng)構成電流閉環(huán)時，反饋電流信號可以經(jīng)AD輸入CPU處理。除此之外，TMS320F240還提供28個I／O口用于控制系統(tǒng)所需的各種開關量。