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基于DSP控制的无刷直流电机的电动执行器的设计方案分析
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2017-10-23
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1 引 言
具有梯形反电动势的永磁同步电动机通常被称为无刷直流电动机，它具有体积小、重量轻、效率高、惯量小和响应快等特点。无刷直流电动机采用电子换向器替代了传统直流电动机的机械换向装置，从而克服了电刷和换向器所引起的噪声、火花、电磁干扰、寿命短等一系列弊病。由于无刷直流电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具有直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，故其在工业领域中的应用越来越广泛。
当前国内生产的电动执行器多由模拟器件控制，精度差；保护措施使用继电器和机械装置，可靠性差；很多电动执行器只能接收模拟信号（4～20mA、 1～5 V），不能与计算机进行通信；系统集成度低、维护困难。这就使得现有的电动执行器不便于调试和维护，也不能根据生产的实际需要进行参数的现场调整，不便于实现数字化的分布式控制。
嵌入了微控制器的智能电动执行器是最新一代的产品。智能电动执行器性能优越，占据了相当的市场份额。这类电动执行器具有可靠性高、使用方便、通信功能强、诊断保护功能完善、适应性广泛等优点。可以说，智能化已经成为电动执行器发展的趋势。
TMS320F240是美国TI公司推出的高性能16位数字信号处理器（DSP），是专门为电机的数字化控制而设计的。这种DSP包括一个定点DSP 内核及一系列微控制器外围威廉希尔官方网站 ，将数字信号处理的运算能力与面向电机的高效控制能力集于一体，可以实现用软件取代模拟器件，方便地修改控制策略，修正控制参数，兼具故障检测、自诊断和与上位机通信等功能。因此它强化了电动执行器的作用。
2 DSP的优良特性
TMS320F240是一种广泛适用于各种电机控制的数字信号处理器，它不仅具有一般DSP高速处理数字信号的能力，还将各种电机控制所需要的外围威廉希尔官方网站 集于一体，能够大大提高系统的可靠性。
TMS320F240的系统结构如图2-1所示。
TMS320F240的执行速度很快，内部采用了哈佛结构，流水线作业，在20MHz的时钟频率下，指令周期仅为50 ns，且多数指令都能在一个指令周期内完成。
事件管理器（EV）是该系统DSP芯片特有的专门用于电机控制用的模块，主要由下面几部分构成：
①通用定时器TMS320F240一共有3个16bit的通用计数器（T1、T2、T3），除了用于产生周期信号外，还作为正交脉冲编码单元（QEP）、捕获单元、PWM模块的时基信号。
②比较单元和PWM控制TMS320F240提供了多达9路比较／PWM输出端。其中的6路PWM输出由一个空间矢量模块控制，并具有死区逻辑，不需程序过多的干预就能够方便地产生用于三相全桥逆变器6个功率开关元件的PWM触发信号，从而实现对三相交流感应电机或无刷直流电机的控制。
③捕获单元（CAP）TMS320F240的捕获单元可用于及时地捕捉无刷直流的电动机磁极位置信号的上升／下降沿，并通过查询相关计数器的值来确定电机的转速。
④正交编码器（QEP）TMS320F240的正交编码器可以对与电机同轴的光电编码器、磁编码器所产生的正交编码信号进行计数，继而判断电机的转速、位置、转动方向。
此外，事件管理器还包括串行通信接口（SCI）、串行外设接口（SPI）。
TMS320F240内部有16通道两路转换精度为10位的AD变换器，转换时间仅为6．6μs。在电机调速系统构成电流闭环时，反馈电流信号可以经AD输入CPU处理。除此之外，TMS320F240还提供28个I／O口用于控制系统所需的各种开关量。
具有梯形反电动势的永磁同步电动机通常被称为无刷直流电动机，它具有体积小、重量轻、效率高、惯量小和响应快等特点。无刷直流电动机采用电子换向器替代了传统直流电动机的机械换向装置，从而克服了电刷和换向器所引起的噪声、火花、电磁干扰、寿命短等一系列弊病。由于无刷直流电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具有直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，故其在工业领域中的应用越来越广泛。
当前国内生产的电动执行器多由模拟器件控制，精度差；保护措施使用继电器和机械装置，可靠性差；很多电动执行器只能接收模拟信号（4～20mA、 1～5 V），不能与计算机进行通信；系统集成度低、维护困难。这就使得现有的电动执行器不便于调试和维护，也不能根据生产的实际需要进行参数的现场调整，不便于实现数字化的分布式控制。
嵌入了微控制器的智能电动执行器是最新一代的产品。智能电动执行器性能优越，占据了相当的市场份额。这类电动执行器具有可靠性高、使用方便、通信功能强、诊断保护功能完善、适应性广泛等优点。可以说，智能化已经成为电动执行器发展的趋势。
TMS320F240是美国TI公司推出的高性能16位数字信号处理器（DSP），是专门为电机的数字化控制而设计的。这种DSP包括一个定点DSP 内核及一系列微控制器外围威廉希尔官方网站 ，将数字信号处理的运算能力与面向电机的高效控制能力集于一体，可以实现用软件取代模拟器件，方便地修改控制策略，修正控制参数，兼具故障检测、自诊断和与上位机通信等功能。因此它强化了电动执行器的作用。
2 DSP的优良特性
TMS320F240是一种广泛适用于各种电机控制的数字信号处理器，它不仅具有一般DSP高速处理数字信号的能力，还将各种电机控制所需要的外围威廉希尔官方网站 集于一体，能够大大提高系统的可靠性。
TMS320F240的系统结构如图2-1所示。
TMS320F240的执行速度很快，内部采用了哈佛结构，流水线作业，在20MHz的时钟频率下，指令周期仅为50 ns，且多数指令都能在一个指令周期内完成。
事件管理器（EV）是该系统DSP芯片特有的专门用于电机控制用的模块，主要由下面几部分构成：
①通用定时器TMS320F240一共有3个16bit的通用计数器（T1、T2、T3），除了用于产生周期信号外，还作为正交脉冲编码单元（QEP）、捕获单元、PWM模块的时基信号。
②比较单元和PWM控制TMS320F240提供了多达9路比较／PWM输出端。其中的6路PWM输出由一个空间矢量模块控制，并具有死区逻辑，不需程序过多的干预就能够方便地产生用于三相全桥逆变器6个功率开关元件的PWM触发信号，从而实现对三相交流感应电机或无刷直流电机的控制。
③捕获单元（CAP）TMS320F240的捕获单元可用于及时地捕捉无刷直流的电动机磁极位置信号的上升／下降沿，并通过查询相关计数器的值来确定电机的转速。
④正交编码器（QEP）TMS320F240的正交编码器可以对与电机同轴的光电编码器、磁编码器所产生的正交编码信号进行计数，继而判断电机的转速、位置、转动方向。
此外，事件管理器还包括串行通信接口（SCI）、串行外设接口（SPI）。
TMS320F240内部有16通道两路转换精度为10位的AD变换器，转换时间仅为6．6μs。在电机调速系统构成电流闭环时，反馈电流信号可以经AD输入CPU处理。除此之外，TMS320F240还提供28个I／O口用于控制系统所需的各种开关量。
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