高精度无刷直流电机伺服控制系统设计与仿真

率管 的导通顺序 ， 实现电机转速和转动方向的控制。
下 面重点介绍 系统 中的转 子位置检测 电路 、 电流检 相 测 电路 、 驱动电路 、 系统保护 电路等 。
Ｔ Ｓ ２ Ｆ ８ ２是 由德 州 仪 器 公 司生 产 的 ， 业 界 首 批 Ｍ ３０ ２ １ 工
３ ２位的控制专用 、 内含 闪存 以及高达 １０ Ｐ ５ ＭＩＳ的数 字信号 处理器 ，专 门为工业 自动化及 自动化控 制等应用而设计 。
ｓ ｒ ｏ ｙ ｔｍ ｃ ｔｏ ｒ ｓ ｌ， ｈｉｈ ｓ ｅ ｖ ｓ ｓｅ ｏｎ ｒ ｌ ｅ ｕ ｔ ｗ ｃ ｉ ｂａｅ ｏ ｔ ｔ ｅ —ｐ ａ ｅ ｎｄ ｏ ｒ ｏ ｅ Ｂｒ ｈ ｅ ｓ Ｃ ｍ ｏ ｏ ａ ｓ ｄ ｎ ｈｅ ｈｒ ｅ ｈ ｓ ａ ｆ ｕ ｐ ｌｓ ｕｓ ｌ ｓ Ｄ ｔ ｒ ｎｄ
每个 事件管理器模 块包括 ： ２个 通 用 定 时 器 （ Ｐ Ｇ
本 系统实 现的关键 就是通过位置环 、 速度环和 电流环 三闭环结构最终实现位 置的伺服控制 。从 闭环结 构上看 ，
位 置 环 在 最 外 面 ， 本 系 统 的 主 环 ， 流 调 节 环 和 速 度 调 是 电
节环在 里面 ， 两者都是为 位置环而 服务 ， 电流调 节器 和速
Ｂ Ｄ Ｍ应用领域的推广 ， ＬＣ 对系统 的动静态性能 、 鲁棒性 、 控
制精度等要求越来越 高。 本文 以三 相 四极无 刷直流 电动机为研究 对象 ，结 合 ＰＤ控制 和模糊控制各 自的优势 ， Ｉ 设计 了一套基 于 Ｔ 公 司 Ｉ 的 Ｃ ００系列 Ｔ ３ ０ ２ １ Ｓ ２０ ＭＳ２ Ｆ ８ ２ Ｐ为核心 的全数字永磁 无 Ｄ
０ 薯
统方案。本控制 系统的主要优势在于利用数字信号处理器的高速实时运算处理功能， 易于实现各种高效 ０ ＿ 的控制算法 ， 很好地解决 了伺服 系统 中 Ｐ ＷＭ 信号的生成、 电动机速度反馈和 电流反馈等问题。 并结合模 糊控制算法进行 了仿真研究， 达到无刷直流电机 的高精度伺服控制的 目的。
度调节器采用 Ｐ 调节器 ，位置调节器采用 ＰＤ调节器 ， Ｉ Ｉ 以
Ｔｍ ｒ， ｉｅ）三个全 比较 单元 ，ＷＭ单 元 、 Ｐ 三个 捕获单 元 、 交 正 编码脉冲（ Ｅ ） Ｑ Ｐ 电路 。每个事件管理器模 块都有 ６个指定 的Ｐ ＷＭ输出引脚 ， 他们与 ３ 比较单元有关 。 个 这六个输 出 引脚可以控制三相交流感应电机 的无刷直流 电机 。通过 比 较 动作 控制寄存器 （ Ｃ Ｒ ） 以灵活 的控 制输 出 ， Ａ Ｔ ｘ￣ ７＂ 如果需 要 ，每个定 时器单元都可以利用 自身 的定 时器产生 Ｐ ＷＭ
研 究 与设 计 Ｒ ｓａ ｃ ｅ ｅ ｒ ｈ＆ Ｄ ｓｇ ｅ ｉｎ
变频 网 ＷＷＷ， ｈ ｎａ ｉ ｎ ｉ ｏ ｃ ｉ ｂａ ｐｎ ｃ ｒ ｎ
Ｓ
图 ９ 无刷 直 流 电机 转 速 、 电流 闭环 控 制 系统
在 此 控 制 方 案 中 ， 霍 尔 传 感 器 的 信 号 加 到 Ｔ ３０２ １ ＭＳ ２ Ｆ ８ ２的捕获单元端 。 将捕获端设置为 Ｉ ／ Ｏ口， 然后 采集捕获单元的 电位情况 。根据捕 获单元 的电位情况可 以 判 断电机处于那个区间。根据两次捕获的时间可 以计算 出
ＬＩ Ｕ Ｅｎ—ｔ ｏ， Ａ Ｎ ｏ —ｘ ａ ａ Ｐ Ｈ ｎｇ ｉ
（ ｌ ｇ ｆ ｃａ ｉ ｌ ｎ ｉｅｒ ｇａ ｄ ｔｍａ ｚｔ ｎ Ｎｏｔ ｉｅｓｙｏ ｉａ Ｔ ｉ ａ ｈ ｎ ｉ０ ０ ５ ） Ｃｏ ｅ ｅ Ｍｅｈｎｃ ｇｎ ｅｉ ｏ ｔ ａ ｏ ， ｒ Ｕｎｖ ｒｔ ｆ ｎ ， ａ ｕ ｎＳ ａｘ ３ ０ １ ｌ ｏ ａＥ ｎ ｎ Ａｕ ｉ ｉ ｈ ｉ Ｃｈ ｙ
ｃ ｍｐｕ ｉ ｇ ｐｅ ｆ ｒ ｄ ｂ Ｐ．Ｉ ｓ ｅ ｓ ｒ ＵＳｔ ｃ ｒｙ ｏ ｔ ｍａ ｙ ｅ ｆ ｉ ｎ ｏ ｒ ｌ ａｇ ｒｔ ｍｓ ｏ ｔｎ ｒｏ ｍｅ ｙ ＤＳ ｔｉ ａｙ ｆ ｏ ａ ｒ ｕ ｎ ｆ ｅｅ ｔ ｃ ｎｔｏ ｌｏ ｉｈ ．Ｍ ｏ ｅ ｖ ｒ ｉ ｏ ｌ ｉ ｒ ｏ ｅ ，ｔ
０ 引 言
在伺 服传动系统中 ， Ｌ Ｃ 无刷直流电动机 ） 一种 Ｂ Ｄ Ｍ（ 是 新 型的无级变速电动机 ， 具有结构简单 可靠 、 护方便 、 维 运 行效率 高及 惯量小和控制精度 高等优点 ， 广泛应用 于精 密
收稿 日期 ：０ ２ ０ — １ ２ １ — ６ ２
数 控机 床 、 加工 中心 、 机器人 等领 域 的伺服 控制 【 ｌ 】 。随着
关键词 ： 无刷 直流 电机 ； Ｐ；Ｗ Ｍ 控 制 ；ｉ ｌ ｋ仿真 ＤＳ Ｐ Ｓ ｍｕｉ ｎ
Ｄｅｉｎ ａ ｄ Ｓｍｕ ａｉｎｏ ｇ － ｒ ｃｓｏ ｕ ｈｅｓＤＣ ｏ ｏ ｐ ｅ ｇ ｌｔ ｙ ｔｍ ｓｇ ｎ ｉ ｌｔｏ ｆ Ｈｉｈ ｐ ｅ ｉｉｎＢｒ ｓ ｌｓ Ｍ ｔｒＳ ｅ ｄＲｅ ｕ ａｅＳ ｓｅ
在 ＩＴ Ｎ ３中断服务程序中 ， 主要执行 以下几个模块 ： （）／ １Ａ Ｄ转换 模块 ： 用 Ｄ Ｐ内部 的 ＡＤ转换单 元完 利 Ｓ ／
成 相 电 流 的 ＡＤ转 换 。 ／
，
其 内核 是 当今 世 界上 在 数字 控 制应 用 方 面性 能 最高 的 Ｄ Ｐ内核 ， Ｓ 能够 实时地处 理许多复杂 的控制算 法 ， ， 如 无位
置传感 器控制 、 随机 Ｐ ＷＭ 的生成 、 功率 因数 校正等算 法 。
Ｔ ３０２ １ ＭＳ ２Ｆ ８ ２同时也是世界上程序 代码效率最高的 Ｄ Ｐ Ｓ，
输出
Ｔ ３ ０ ２ １ 微控制器为控制核心 ， ＭＳ２ Ｆ ８ ２ 以功率 ＭＯ Ｆ Ｔ管构 ＳＥ
成 逆 变 器 。通 过 改 变 逆 变 器 开 关 器 件 的 Ｐ ＷＭ 占空 比来 改
变 电机 电枢端 电压 ， 以实现电机转速 的调节 。功率 驱动
方 式 采 用 三 相 Ｙ型 全 桥 驱动 电路 ， 图 ２ 示 。 如 所
２ １ 芯片特 性 ．
图 ３给出 基 于 Ｔ Ｓ ２ Ｆ ８２Ｄ Ｐ的无 刷直 流电机 Ｍ ３ ０ ２ １ Ｓ 控制系统硬件结构框 图。
２２ 转 子位 置检 测 电路 ．
本设 计方案 中 ，位 置检测环 节采用 了 ３个位 置间 隔
图 ２ 三相 全 控 桥 驱 动 电路
６ ｆ建壤辍４ 闻 ・ ０２ 第 ５ ４ ２１年 期
直 流 电 动 机 的 调 速 原 理 为 ：ＭＳ ２ Ｆ ８ ２控 制 器 通 过 捕 获 Ｔ ３０ ２ １
单 元 捕 捉 无 刷 直 流 电 动 机 转 子 位 置 传 感 器 Ｈ Ｌ １ Ａ Ｌ、 Ｈ Ｌ ２ Ｈ Ｌ ３高速 脉冲信号 ， Ａ Ｌ 、Ａ Ｌ 检测转子转动位置 ， 根据 并 转子 的位置发 出相应 的指令改 变 Ｐ ＷＭ信号 的当前值 ， 进 而改变 直流电机驱动 电路 （ 三相桥式逆变 电路 Ｉ Ｂ ） Ｇ Ｔ 中功
Ｔ ３ ０ ２ １ Ｐ Ｔ ｅｃ ｎｒｌｙｔｍ ｋ ｓ ｄ ａｔｇ ｆ ｈ ｐ ｒ ｒｙｏ ａ ｔ ｎ ｉ — ｐ ｅ ｉ ｔ ＭＳ ２ Ｆ ８ ２ＤＳ ． ｈ ｏ ｔ ｓ ｏ ｓ ｅ ｔ ｅ ａｖｎａ ｅｏ ｅｓ ｅｉ ｉ ｆ ｅｌ ｉ ａ ｄｈｇ ｓｅｄｄｇ ａ ａ ｔ ｕ ｏｔ ｒ ｍｅ ｈ ｉｌ
各个控制寄存器及其 中断等 的设置 ， 以及软件 中个变量 的 初 始化 。执行完初始化后 ， 系统经入循环等待 Ｔ ３中断 。
过速度 Ｐ 调节后 可以得到参考 电流 Ｉ 另外 通过电流检 Ｉ
测电路可以得到相 电流 Ｉ 信 号， 信号 通过 ＡＤ转换后 此 ／
作为参考电流 Ｉ 的反馈量 ， 经过 电流 Ｐ 调节后 ， Ｉ 得到 的输 出量调节输 出的 Ｐ ＷＭ信号 的占空 比， 用此 Ｐ ＷＭ信号接 到
电 机 运 行 速 度 。此 速 度 作 为 速 度 参 考 值 的 反 馈 量 ， 后 经 然
由主程 序和 ＩＴ Ｎ ３中断 服务 子程 序所 组成 。流 程 图如 图
１ ０所 示 。
ห้องสมุดไป่ตู้
软件采用模块化设计 。在主程序 中 ， 执行初 始化模块 ，
主要 完 成 系 统 时 钟 、 门狗 、 ＰＯ、３中 断 、 件 管 理 器 的 看 ＧＩ Ｔ 事
２ １ ￣ 第５ ・建艇鞭椭 孵 Ｉ ３ ０２ 期 ６
刷直流电 动机的闭环调速系统，以 期满足ＢＤ Ｍ伺服控 ＬＣ
制系统 的高精度 、 快速性 、 稳定性和鲁棒性 的要求 。
２ 基 本 电路 组成 及 器 件 的选 用 与 特 性
本系统 主要 由辅助 电源 、 制器及 外 围电路 、 控 电动机 驱动 电路 、 检测 电路和系统保护 电路等 几部分组成 。无刷
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ： ｕ ｈｅ ｓＤＣ ｏ ｏｒ ｆ ｚ ｙ ｃ ｎｔｏ ； ａｌｂ ｓｍｕ ａｉ ｎ ｄｓ ｂｒ ｓ ｌｓ ｍ ｔ ； ｕ ｚ ｏ ｒ ｌ Ｍ ｔ ｉ ｌｔｏ ａ
中图 分 类 号 ： Ｐ ７ Ｔ ２
文献 标 识 码 ： Ｂ
文 章编 号 ： ９ ４ ３ ９ （ ０ ２）５ ０ ３ ０ ９ １９ － ０ １２ １ ０— ６ — ６
Ａｂ ｔ ｃ： ｎｔｅｐｐ ｒＢ ｕｈｅ ｒｏｍｏｏ ｅｄｒｇ ｌｅｓｓ ｍ ｅｉ ｅ ｒ ｍｐｏ ｉｇｄｇ ａ ｓｒ ｔ Ｉ ａ ｅ， ｒｓｌｓＤＣ ｓ ｖ ｔｒ ｐ ｅ ｅｕａ ｔ ｉ ｄ ｓ ｎ ｄｆ ｒｖｎ ｉ ｔ ａ ｈ ｓ ｅ ｓ ｔ ｙｅ ｓ ｇ ｏｉ ｉ ｌ
Ｒ ａｃ ｅ ｅ ｒ Ｄ ｓｇ ｓ ｈ＆ ｉｎ研 究 与 设 计 ｅ
寡频网Ｗ Ｗ ｃ ｉ ａ ｉｎ ｉ ．ｏ Ｗ ．ｈｎ ｂａ ｐｎ ｃ ｒ ｎ
高精度无刷
刘恩涛 ， 潘宏侠
（ 中北 大学机械 工程 与 自动 化 学院 ， 山西 太原 ０ ０ ５ ） ３ ０ １
摘
要： 为提 高伺服 系统 中无 刷 直流 电机 的控 制 效果 ， 计 了以 ＤＳ 设 Ｐ为核 心 的无刷 直流 电机控 制 系
ｐ ｏ ｉ ｓａｇｏ ｄ ｓ ｌ ｔｏ ｒＰＷ Ｍ ｉ ａ ｅ ｅ ａｉ ｎ，ｍ ｏ ｏ ｐｅ ｄ ｆ ｅ ｂａ ｋ ａ ｌ ｃｒ ｍ ｏｔ ｒｃ ｒ ｅ ｔｆ ｅ ｂａ ｋ ｉ ｒ ｖ ｄ ｏ ｏ ｕ ｉ ｎ ｆ ｏ ｓｇ ｌ ｇ ｎ ｒｔｏ ｎ ｔ ｒｓ ｅ ｅ ｄ ｃ ｎｄ ｅｅ ｔｏ ｏ ｕ ｒ ｎ ｅ ｄ ｃ ｎ ｓ ｒ ｏ ｓ ｓｅ ．Ｓ ｈｅ ａｍ ｆ ｈ ｇ ｅ ｖ ｙ ｔｍ ｏ ｔ ｉ ｏ ｉ ｈ—ａ ｃ ｒ ｃ ｏ ｒ ｃ ｕ ａ ｙ ｃ ｎｔｏｌｏｆＢＬＤ Ｃ Ｍ ａ ｅ ｌ ｅ ｃ ｎ ｂｅ ｒ ａｉ ｄ．Ｔｈｅ ＢＬＤ Ｃ Ｍ ｏ ｒ ｌｓ ｓｅ ｚ ｃ ｎｔｏ ｙ ｔｍ ｂ ｓｄ ｏ ｈｅｆ ｚ —ＰＩ ｃ ｎ ｒ ｌｅ ｓｄｅｉ ｎ ｄ ａ ｉ ｕｌｔｏ ｓａｓ ｒ ｓ ｎ ｅ ｔ ｐ ｒ ａ ｅ ｎ ｔ ｕｚ ｙ — Ｄ ｏ ｔｏ ｌｒｉ ｓｇ ｅ ｎｄ ｓ ｍ ａｉ ｎ ｉ ｌｏ ｐ ｅｅ ｔ ｄ ｉ ｈｅｐａ ｅ ． ｎ
且 与 目前 所 有 的 Ｃ ００Ｄ Ｐ的程 序 代 码 兼 容 。 ２ ０ Ｓ Ｔ ３０ ２ １ ＭＳ ２ Ｆ ８２有 两 个 事 件 管 理 器 模 块 Ｅ Ａ 和 Ｅ Ｂ， Ｖ Ｖ
图 １ 无刷 直流 电动 机 驱 动 系统 结构 图
都是特定 的外 围设备 ， 为多轴运动控 制应用而设计 的。它 们 是数 字电机控 制应 用使 用的非常重要 的外设 ， 能够 实现 机电设备控制 的多种必要 的功能 。