陈亚梅（无锡商业职业技术学院，江苏无锡214153）
摘要：本文介绍了专用的电机控制芯片TMS320LF2407在无刷直流电机控制中的应用，给出了系统的设计方法。在整个系统设计中，充分利用了TMS320LF2407面向电机控制的特点，既实现了系统结构的简化，同时也提高了系统的可靠性。
关键词：DSP无刷直流电机PWM
TheapplicationofDSPTMS320LF2407
InDCbrushlessmotorcontrol
ChenYamei
(WuxiInstituteofCommerce，JiangsuWuxi214153)
Abstract:ThispaperintroducestheapplicationspecialcontrolelectricmachinechipTMS320LF2407inDCbrushlessmotor,andofferssystemsdesignmethod.ThesystemmakesthebestofTMS320LF2407’scharacteristicinthefieldofcontrolelectricmachine.Thisnotonlycomestruesystemarchitecturebutalsoimprovessystemreliability.
Keywords:DigitalSignalProcessingDCbrushlessmotorPulse-WidthModulation
1引言
永磁无刷直流电机（PM-BLDC），由于具有恒定的机械转矩和优良的机械功率特性，不需定期维修和没有换向火花的干扰的优点，再加上我国稀土资源丰富,被众多电机专家认为是21世纪的新型换代产品。随着半导体集成电路，电力电子器件，控制原理和稀土材料工业的发展，可以预见这种产品必然会逐步取代传统结构的支流驱动系统模式。
随着数值信号处理器（DSP）的价格下降，专用电机控制芯片的性能不断完善，运用DSP的控制系统正越来越多地被采用。低成本DSP控制器能使很多先进的马达控制算法内置在对成本敏感的应用中，DSP控制器的带宽也使设计人员能用一个控制器整合多种功能，带特殊外设的高MIPsDSP，除显著的改进这些产品性能外，还可大大简化产品设计过程并提供各种重要的特殊性能。
对永磁无刷直流电机的控制经历了从模拟控制电路到以单片机为核心的数字控制电路的发展过程，但都存在内在的缺陷。前者由于采用模拟元件，易老化，且对温度变化敏感；后者虽然克服了模拟元件的内在缺陷，但运算速度慢，难以实现现代工业对电机实时控制的要求。而采用DSP的控制器则有效地避免了上述缺陷。本文采用TI公司的专用电机控制芯片TMS320LF2407，对永磁无刷直流电机控制。
2基于TMS320LF2407的电机控制系统方案
2.1TMS320LF2407
TMS320LF2407芯片内部有544字节的双端口数据/程序RAM，16K的FLASHE2PROM；由于采用哈佛结构，三级流水线操作，TMS320LF2407的时钟频率达到40MHz，即指令周期为25ns，运算能力为40MIPS(每秒百万条指令)。大大提高了指令执行速度，这为复杂控制算法的实现提供了良好的条件。同时，它提供了丰富的“乘累加”指令，这使电机控制中的数值滤波，如IIR、FIR等，可以方便快速的实现。TMS320LF2407内含三个通用定时器、三个全比较单元、三个简单比较单元、可编程死区单元和一个用于产生PWM输出的专用PWM模块，通过软件编程，产生PWM波形，经放大后直接驱动功率管，控制电机运转。TMS320LF2407内嵌A/D转换模块，通过采样反馈的电流、电压值，构成电流环、转速环。
2.2控制系统硬件构成
系统主要由DSP(TMS320LF2407)，存储器扩展模块，驱动放大电路，功率管、BLDC电机、电流传感器、光电码盘及各种保护电路和附属功能电路组成。
2.3系统控制方案与工作原理
DSP通过串口接受主机发出的参考输入（速度给定值），与光电码盘反馈电压值之差，经系统校正后，将其转换为PWM脉冲输出，经驱动放大控制电机运动。通过电流传感器监测电流的大小，滤波放大后反馈送给DSP，构成系统内环（电流环）；光电码盘输出的正交编码脉冲，直接输入引脚QEP1/QEP2。DSP内置正交编码脉冲电路，可自动识别由外部引脚上输入的正交编码脉冲的方向，记录脉冲的个数，通过计算可得出电机的转速、方向。由此可构成系统外环（速度环）。这为运动控制、伺服控制的实现提供了极大的方便。保护电路提供系统电路的各种保护功能：泄放保护、欠压过压保护、过流保护、过载保护、超温保护。另外还须具备上、下限位功能。
2.3.1电流环路
本系统采用零磁通霍尔元件电流传感器来检测电流，由于TMS320LF2407的A/D输入范围为0~5V，因此，必须将霍尔元件输出的小电流信号首先变换为电压信号，再经放大滤波后输入A/D转换通道。电流反馈值与Iref之差△I经PI调节后，控制电机平稳运行。PI调节器的设计，须保证电流环具有很好的跟随性；对电网电压的波动起及时抗扰作用；当电机过载、甚至堵转时，限制电枢电流的最大值Idm，起到快速安全保护作用。
电流控制子程序每50μs被调用一次。PI控制器的输出用来计算直流总线电压的PWM值，占空比与PI控制器的计算结果成一定比例，它被PWM寄存器直接使用。
2.3.2PWM波形的产生
TMS320LF2407的PWM发生电路可产生16路具有可编程死区和可变输出极性的PWM信号，由从0~16μs的可编程死区发生控制器PWM输出，可以避免产生短路而击穿功率器件。通过设置不同的工作方式，可选择输出不同的PWM波形。PWM波形由作为时基的通用定时器的周期寄存器实现PWM的调制频率（周期），由单比较单元的比较寄存器控制脉冲的宽度，从而得到所需的调制波形。
首先选择通用定时器Tz(z=1或z=2)作为单比较单元的时基，并设置它的计数模式，要产生连续PWM波形，计数模式设置为连续增或连续增/减计数模式，否则设置为单增或单增/减计数模式。
根据调制频率设置相应的定时周期寄存器TzPR的值，初始化计数寄存器TzCNT的值。然后起动计时器。按照脉宽的变化规律，设置当前的单比较寄存器SCMPx(x=1,2,3)的值。
与上类似，计数寄存器TzCNT也同时与定时周期寄存器TzPR值进行比较，若相等将发生定时周期匹配事件，从而引发与通用定时器完全一致的相关操作。
按照在比较控制寄存器COMCON设置的单比较寄存器重载条件，为下一周期准备一个新的脉冲宽度。如此循环，得到需要的PWM波形。
2.3.3速度环路
本系统速度反馈采用光电码盘接口，在TMS320LF2407的事件管理器（EV）中，有一个正交编码脉冲（QEP）电路。当QEP电路使能时，会对引脚CAP1/QEP1和CAP2/QEP2上的正交编码脉冲进行解码和计数。正交编码脉冲包含两个脉冲序列，有变化的频率和四分之一周期（900）的固定相位偏移。当电机轴上的光电码盘产生正交编码脉冲时，通过检测两个序列中哪个序列领先，可以测出电机的正反转；并根据对输入的增量脉冲信号进行加减计数，从而得到当前的计数值和计数方向，即电机的角位移和转向。电机的角速度可以通过M/T测速法测出。
速度给定输入值与反馈值之差经PID控制器校正后作为电流环路输入给定值。PID控制器的设计须保证速度环路系统稳态时无静差；同时对负载变化起抗扰作用。速度环路子程序每10ms调用一次。
2.3.4保护单元及附属功能电路
保护单元起到保护系统正常工作的作用。本系统具备能量泄放保护、过流保护、过压欠压保护、过载保护、超温保护的功能。附属功能电路主要为上、下限位电路。
电压欠压保护：当系统控制电源电压低于保护值时；或系统控制电源电压正常而功率电源电压低于规定的保护值时，电压欠压保护将动作，此时系统制动停止运行，并输出“欠压”信号，点亮“保护”灯。
电压过压保护：如果系统制动时电机能量回馈过大，超过了系统所配的能量泄放单元的泄放功率而造成平波电容电压的上升时，电容电压有可能超过其标称电压值而遭损坏，并且电压的升高可能威胁功率器件的安全，因此系统设有电压过压保护。当过压保护发生时，系统停止对电机的驱动，同时，系统停止能量回馈，电机处于自由状态。
能量泄放保护：动力电源由于电网的波动或电容电压过高时，为保护电容的安全，此时必须将能量泄放掉一部分，于是系统增加了能量泄放单元。能量泄放单元由IGBT与泄放电阻组成，可满足绝大多数负载情况的要求。
电流过流保护：过流保护主要起到保护功率管和电机在负载干扰或过载堵转时，限制电流的增大，使功率管和电机工作在可靠状态范围内。
过载保护：某些电机具有较强的瞬时过载能力，如果长时间过载运行，会使电机发热直至烧毁。系统达到过载保护时，将使电机停转，以保护电机。
超温保护：由于系统连续超载使用或由于散热不畅等原因，导致系统散热器温度超过755C时；或者系统因负载惯量过大而且频繁制动而造成系统泵能平均功率超出内置能量泄放单元功率时，系统亦作出超温保护。发生超温保护时，系统电机停转。
上下限位保护：在高低运动机构中，为避免运动超出规定行程，除了以电磁制动器、机械阻挡机构等方法外，系统应提供上、下限位电气保护功能。用上、下限位开关限制电机的运动。当限位到达时，系统停止该方向的驱动。同时此功能对反方向的运动没有影响，而且一旦限位开关复位，系统即可双向运动。
3结束语
专用电机控制芯片TMS320LF2407功能全面，开发工具齐全。控制器具有足够的带宽并集成有片上功率电子设备的外设，以实现电机驱动的多种功能。集成的多功能减少了系统元件并加快了产品上市。在整个系统设计中，充分利用了TMS320LF2407面向电机控制的特点，最大限度的利用了DSP内部资源，既实现了系统结构的简化，同时也提高了系统的可靠性。
参考文献
[1]徐科军等译.TMS320LF/LC24系列DSP的CPU与外设.清华大学出版社，2004