电子设计工程
Electronic Design Engineering
第27卷Vol.27第16期No.162019年8月Aug.2019
收稿日期：2018-12-29
稿件编号：201812140
作者简介：张明月（1986—），女，山东聊城人，博士，副研究员。研究方向：导引头及电动舵机的伺服系统设计 凤凰语文网
及软件设计。
舵机是飞行器操纵与控制系统的执行机构，其性能和质量的好坏直接决定着飞行器飞行过程中的动态品质[1-3]。随着武器装备的发展，舵机向着小体积、高性能、低成本方向发展[4]。以往采用DSP +CPLD 实现舵机中电机控制[5-6]，其中DSP 输出一路PWM ，换相控制在CPLD 中做逻辑实现，性能虽然可以满足但是采用了CPLD ，成本上升，同时PCB 板的体积增大，本文仅用DSP 实现舵机的控制，实现舵机 的低成本稳定控制。1电动舵机控制策略及电机的驱动原理
1.1
电动舵机控制策略
舵机控制器目的是控制舵机准确快速地根据指令进行随动。电动舵机采用速度内环、位置外环的双闭环控制。控制策略如图1所示。
电动舵机采用三相无刷直流电机作为驱动电机并采用TMS320F28335芯片作为主控芯片完成舵机控制。编码器采集电机的速度，电位器采集舵机的位置。
基于TMS320F28335的电动舵机控制系统设计
张明月
（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033）
摘要：为了实现电动舵机电路板小体积、低成本设计，以TMS320F28335作为主控芯片，利用其自身的捕获中断和定时中断功能，实现了电动舵机控制。首先给出电动舵机的控制策略及电机驱动原理，其次给出了电动舵机的软硬件设计方法，最后进行实验验证。输入200rpm 的电机速度指令，电机能够匀速稳定运行；给定舵机的指令角度分别为1°、3°、5°、7°、9°，系统能够稳定运行在各个位置，
实验结果表明该方法降低成本、减小电路板体积，使舵机稳定工作。关键词：电动舵机；无刷直流电机；捕获中断；换相控制字中图分类号：TN0
文献标识码：A
文章编号：1674-6236（2019）16-0189-05
Design of control system for EMA based on TMS320F28335
ZHANG Ming⁃yue
（Changchun Institute of Optics ，Fine Mechanics and Physics ，Chinese Academy of Sciences ，Changchun
130033，China ）
Abstract:In order to realize the small size and low cost design of the circuit board of electromechanical actuator （EMA ），TMS320F28335is used as the main control chip ，and with its capture interrupt and
timing interrupt functions ，closed loop control of electromechanical actuator （EMA ）is realized.Firstly ，control strategy of EMA and driving principle of brushless direct current motor （BLDCM ）are presented.Secondly ，the design method of software and hardware of EMA is given.Finally ，experiments are carried out to validate the method.The motor can operate stably at a constant speed by inputting 200rpm speed instruction.The EMA system can operate stably at all positions by the EMA command angles of 1°，3°，5°，7°and 9°.Experimental results show that this method reduces costs and circuit board volume ，make the EMA working more stable.
Key words:EMA ；BLDCM ；capture interrupt ；phase change control word
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《电子设计工程》2019年第16
期
图1电动舵机控制策略
1.2电机的驱动原理
由三相无刷直流电机控制原理[7-9]，为了保证得
到恒定的最大转矩，就必须要不断地对三相无刷直流电机进行换相[10]。掌握好恰当的换相时刻，可以减小转矩的波动，因此位置检测是非常重要的。本文采用的是有位置传感器的无刷直流电机[11-13]。采用双极性控制方法驱动电机，如图2所示，两个工作的开关管在每个60°
电角度区域内或导通或关断。
图2双极性PWM 控制各触发信号
开关管的导通受到霍尔信号的影响。主要依据如表1所示的换相控制字与换相的对应关系进行换向[14]，表中所指的对应关系为面向电机输出轴时对应的顺时针和逆时针。
表1
换相控制字与换相的对应关系
控制字
513264
各开关管工作状态
V1
PWM PWM OFF OFF OFF OFF
V2OFF OFF OFF
PWM PWM OFF
V3OFF OFF
PWM PWM OFF OFF V4PWM OFF OFF OFF OFF
PWM V5OFF OFF OFF OFF OFF
PWM
V6OFF
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PWM PWM OFF OFF OFF
对应转向顺时
针转V1,V4
V1,V6V3,V6V2,V3V2,V5V4,V5
逆时针转V2,V3V2,V5V4,V5V1,V4V1,V6V3,V6
根据TMS320F28335的特点，在定时器0中断中执行控制律，在捕捉中断中完成换相。采用电位器测得舵机的当前位置，舵机的指令值与舵机当前位置作差，并通过PI 控制器处理得到电机设定速度。
采用增量式编码器测得电机的当前速度，电机设定速度与当前速度作差，通过PI 控制器，形成电机的电压控制量，也即PWM 码值，驱动电机转动。
只有电机转动霍尔信号变化时，才能触发捕获中断，对于电机首次启动及由0速启动时，电机未
动，捕获中断无法被触发，针对此，在定时器0中断中处理得到PWM 码值后，则读取当前霍尔传感器霍尔信号值，配置捕获沿，设定PWM 管脚导通。
电机从0速启动后，随着电机转动，霍尔信号会发送变化，这样就能捕捉变化沿，触发捕获中断。完成电机换相，使电机持续运动。
2舵机控制系统硬件设计
舵机控制系统硬件结构如图3所示。舵机系统以DSP 为核心控制器[15]，包括CPU 电路、电源转换电路，电位器的AD 采集电路，CAN 总线接口电路，霍尔信号和编码器信号接口电路，隔离驱动电路和三相桥式功率主电路。通过两个隔离的DC-DC 模块分别将数字地和模拟地与功率地进行隔离，数字地和模拟地在舵机控制板上通过磁珠单
点连在一起。
图3舵机控制系统硬件结构图
3舵机控制系统软件设计
临床代谢组学舵机控制系统软件运行流程如图4
所示。
图4
新鲜空气可以使你致命
舵机控制系软件运行流程图
中断程序软件流程图如图5所示。
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图5
中断程序软件流程图
3.1系统初始化
系统上电或系统复位时，对DSP 芯片
TMS320F28335及其外设的初始化主要包括：
泌尿外科学
1）初始化DSP 的系统控制寄存器；2）初始化DSP 内部GPIO ，包括：GPIO 功能选择
寄存器GPxMUX 、GPIO 方向控制寄存器GPxDIR ；
3）初始化PIE 中断向量表；4）初始化PIE 控制寄存器；
5）初始化外部CAN 通信设置、QEP 、CAP 捕捉单元；6）初始化CPU 定时器，包括定时器控制寄存器、CPU 定时器周期寄存器、CPU 定时器预定标寄存器；
7）初始化DSP 内部Flash ；8）定义PID 控制器参数；9）中断入口函数映射；
10）CAP1中断、CAP2中断、CAP3中断、定时器0
中断，开全局中断和实时中断。
3.2定时器0中断3.2.1
采集电机速度信息
编码器采用A 、B 两通道的增量式编码器，通过
DSP 的QEP 接口进行读取计数值，定时器0周期为1ms ，每进一次定时器0中断，读取当前的QEP 计数器值，用32768与当前的QEP 计数器值做差乘以与编码器线数相关的码值到速度的转换系数得到的电机速度，然后就将QEP 计数器置为32768，等待下一次中断。
3.2.2控制律计算
采用增量式PI 控制器对电机速度环进行控
制[16]，离散化后如式（1）和式（2）所示。
u k -1=k p [e k -1+T T j ∑j =0k -1
e j +T d e k -1-e
k -2T
]
（1）
Δu k =u k -u k -1
=k p [e k -e k -1+T T j e k +T d e k -2e k -1+e k -2
T
]
=k p (1+T T j +T d T )e k -k p (1+2T d T )e k -1+k p T
d T
e k -2
=Ae k -Be k -1+Ce k -2
（2）
其中：A =k p (1+T T j
+T d T
)，B =k p (1+2T
d T
)，
C =k p T d T
，e k 为设定速度与当前速度之差，T 为采样周期。T d =0，程序返回Δu k ，即为PWM 码值。舵机的位置环控制采用相同的增量式PI 控制
器，仅在控制器参数上有所不同。
3.2.3读取霍尔信号状态
将DSP 中CAP1~CAP3接口对应电机的3个霍
尔传感器接口，分别读取其霍尔信号码值。程序实现中，不用通过更换DSP 的普通IO 口与捕获功能口，在设置为捕获功能口时，仍然可以通过读取该口的数值，取得霍尔信号码值[17]，然后组合得到换相控制字。
首先设定GPIO27，GPIO48，GPIO49对应的3个口为特殊功能口，然后读取该口的数值，取得霍尔信号码值HallCode1，HallCode2，HallCode3，依照表1得到控制换向字，判定电机转向。
3.2.4设定下次捕获中断状态
虽然在捕捉事件（CEVT1~CEVT4，CTROVF ）或
APWM 事件（CTR=PRD ，CTR=CMP ）中都是可以产生捕获中断，但是如果同时使能CEVT1~CEVT4，也只能响应一个中断，每次只能使能上升沿中断或者下降沿中断。所以每次只要响应一个事件，每当进入捕获中断后，都需要根据当前的霍尔传感器状态，设定下一次上升沿还是下降沿触发捕捉中断。分别用Ecap4~6作为捕获的接口，以HallCode1为例进行判定是如何触发捕捉中断的，程序如下：
if （HallCode1==1）{ECap4Regs.ECCTL1.bit.CAP1POL =1；/*下降沿触发中断*/}
else if （HallCode1==0）{ECap4Regs.ECCTL1.bit.CAP1POL =0；/*上升沿
触发中断*/}
3.2.5设置PWM 波输出
配置PWM 波输出前，首先判定当前的运行方
向，由3.2.3控制律一节中表明Δu k 大于零，电机逆时针转动，小于零时，电机顺时针转动。根据表1所示的换相控制字确定DSP 上PWM 口的配置，以逆时
张明月基于TMS320F28335的电动舵机控制系统设计
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《电子设计工程》2019年第16期
针转动下换相控制字为1时进行说明，输出程序如
下所示。
/*比较寄存器A和B*/
EPwm1Regs.CMPA.half.CMPA=0；/*PWM1*/
EPwm1Regs.CMPB=PWMCode；/*Pwm2*/
EPwm2Regs.CMPA.half.CMPA=0；/*PWM3*/
EPwm2Regs.CMPB=0；/*Pwm4*/
EPwm3Regs.CMPA.half.CMPA=PWMCode；/
*PWM5*/
EPwm3Regs.CMPB=0；/*Pwm6*/
/*动作限定控制A和B*/
EPwm1Regs.AQCSFRC.all=0x1；
EPwm1Regs.AQCTLB.all=0x10a；/*V2*/
EPwm2Regs.AQCSFRC.all=0x5；
EPwm3Regs.AQCTLA.all=0x1a；/*V5*/
EPwm3Regs.AQCSFRC.all=0x4；
以上程序表明V2、V5两个口导通，其中对其余
的4个口进行动作限定寄存器的设置，设置为强制
低。V2和V5的设计则表明，对于V2脚，当计数器等
于0时，使EPWM1B输出高，当计数器等于主CMPA
寄存器并且计数递增时输出为低，当寄存器等于周
期值时输出为高；对于V5脚，当计数器等于0时，使EPWM1A输出高，当计数器等于主CMPB寄存器并且计数递增时输出为低，当寄存器等于周期[18]值时
输出为高。
4实验
为验证所设计方法的正确性和可行性，分别设
计了两组实验。所用电机的具体参数:J=4.09×10-6kg·m2，L=11.8×10-5H，R a=0.797Ω，K m=0.0142N·m/A，K e=0.0142N·m/A。第一组采用电动舵机所用的maxon某型电机完成速度环控制。速度环控制器参数V Kp=4.0，P T d=0.0，V Ti=0.022，采样周期为1ms，图6所示为电机的实验图片，输入200rpm的电机速度指令，验证所设计方法。输出的电机速度通过UsbCAN 进行传输到上位机，实际输出曲线如图7所示。可以看出设计的软硬件系统能够很好的跟踪电机速度。
第二组实验是采用组装好的电动舵机进行实
验。速度环控制器参数与第一组实验参数相同。位
置环控制器参数为P Kp=4.0，P Td=0.0，P Ti=0.022，采样
周期为1ms。实验平台如图8所示，给定舵机的指
令角度分别为1°、3°、5°、7°、9°。并在每次执行完指令后归零，所得到的舵机的位置跟踪曲线如图9所示，图9（a）为跟踪指令，图9（b）为实际系统跟踪曲线，
可以看出舵机能很好的跟踪性能。
图8电动舵机实验平台
5结论
采用DSP自带的捕获功能实现了电机换相，不使用CPLD完成逻辑换相，降低了成本，减小了电路板体积。实验结果证明采用此方法能够实现电机的速度闭环和电动舵机的位置高效跟踪，
本方法对各
图6
电机实验图片
图7电机速度曲线
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类无刷直流电机的控制均具有借鉴作用。
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图9电动舵机位置跟踪曲线
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