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摘  要：采用DSP雖然可以實(shí)現(xiàn)無刷直流機(jī)的高性能實(shí)時(shí)控制，但僅靠DSP，很難再對系統(tǒng)的關(guān)鍵信息進(jìn)行深入的分析和處理。為此，本文采用PC機(jī)和DSP的主從結(jié)構(gòu)，在Matlab環(huán)境下，設(shè)計(jì)了一種PC機(jī)和DSP控制系統(tǒng)的串行通信實(shí)現(xiàn)方案。該方案利用了Matlab強(qiáng)大的數(shù)值分析功能，不但可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電樞電流等信號的實(shí)時(shí)采集和分析，而且可以對控制系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)試。該方案界面友好，結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種方案是可行的。
關(guān)鍵詞：無刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)  DSP  Matlab  串行通信

1 引言

TMS320LF2407(以下簡稱LF2407)DSP控制器集高速信號處理能力和適應(yīng)電機(jī)控制的外圍電路與一體，近年來在交流伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了良好的效果^[1][2]。但是，DSP在事件處理方面顯得有些不足，具體表現(xiàn)是I/O口較少以及人機(jī)界面不太友好，DSP軟件資源也沒有PC機(jī)豐富，這些因素限制了DSP的應(yīng)用。采用PC機(jī)和DSP主從結(jié)構(gòu)的串行通信技術(shù)能夠在一定程度上解決這些問題，使用這種方法可以很好地實(shí)現(xiàn)無刷直流機(jī)DSP控制系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)試、轉(zhuǎn)速信號實(shí)時(shí)采集及處理。

目前國內(nèi)外有大量文獻(xiàn)介紹關(guān)于串行通信的實(shí)現(xiàn)方案，都取得了較好的效果，但大部分文獻(xiàn)介紹的是采用WINDOWS API函數(shù)或者VB、VC、DELPH來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的界面和串行通信^[3][4][5]。然而，在無刷直流機(jī)速度控制系統(tǒng)中，為使調(diào)試者實(shí)時(shí)了解系統(tǒng)運(yùn) 行的信息，需要實(shí)時(shí)采集電機(jī)轉(zhuǎn)速、電樞電流等信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和加工處理。顯然，利用現(xiàn)有的PC機(jī)與DSP串行通信方案，可以很方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電樞電流等信息的實(shí)時(shí)采集。如果還要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析和處理，就不太方便了�？紤]到Matlab具有強(qiáng)大的數(shù)值分析計(jì)算功能，為減少在數(shù)據(jù)分析和處理上的工作量，可以直接使用Matlab實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與與DSP之間的串行通信。這樣，不但可以實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與與DSP控制系統(tǒng)間的信息交換，而且可以借助Matlab的工具箱，對控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、加工、處理。

圖1  無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)

2 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)

基于DSP無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速伺服控制系統(tǒng)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由無刷直流電機(jī)、電源整流濾波電路、逆變電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、DSP控制器等部分組成。系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)，PC機(jī)作為上位機(jī)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和命令的發(fā)送，以LF2407為核心構(gòu)成的伺服電機(jī)控制部分為下位機(jī)。系統(tǒng)采用電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速高精度伺服，采用PWM方式控制電機(jī)的電樞電流。上位機(jī)通過串口將參考轉(zhuǎn)速的大小和方向發(fā)送給下位機(jī)，DSP根據(jù)參考轉(zhuǎn)速通過控制器來調(diào)整PWM的占空比，從而改變電機(jī)的電磁力矩，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤參考轉(zhuǎn)速的變化。由于LF2407是專為電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)的DSP，整個(gè)系統(tǒng)的外圍器件很少，結(jié)構(gòu)簡單，具有高可靠性和可擴(kuò)充性。

3 串行通信的實(shí)現(xiàn)

DSP與PC機(jī)之間串行通信的實(shí)現(xiàn)包括通信硬件設(shè)計(jì)、上位機(jī)程序設(shè)計(jì)、下位機(jī)程序設(shè)計(jì)三個(gè)部分。

3.1 通信硬件設(shè)計(jì)

PC機(jī)的RS-232-C電路的電平與LF2407 的電平不兼容，必須通過電平轉(zhuǎn)換電路后才能連接。MAX232芯片能很好地完成這一功能，該芯片具有一個(gè)專有的低壓降發(fā)送器輸出級，只需要4個(gè)1μf的外接電容就可實(shí)現(xiàn)，具體主電路如圖2所示。

3.2 上位機(jī)程序的設(shè)計(jì)

Matlab是一種解釋執(zhí)行的腳本語言，與VB非常類似，Matlab不僅可以解釋并執(zhí)行用戶的數(shù)值計(jì)算程序，還可以在腳本程序控制下生成圖形界面，使得應(yīng)用程序的界面更為友好。上位機(jī)程序界面就是通過這種方式實(shí)現(xiàn)的，限于篇幅，本文不多做闡述，只對Matlab下串口通信的具體實(shí)現(xiàn)做詳細(xì)敘述。

對于Windows系統(tǒng)而言，硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序有著嚴(yán)格的規(guī)范，可以用C和匯編語言開發(fā)，而Matlab本身是個(gè)跨平臺軟件，并不具有直接訪問硬件的能力。但是在Matlab 6中，提供了對系統(tǒng)串行口的支持，這是通過類serial來實(shí)現(xiàn)的。Matlab對串口的支持不如VC等高級語言完善，如果要以中斷方式對串口事件進(jìn)行響應(yīng)，必須采用比較復(fù)雜的事件和回調(diào)函數(shù)機(jī)制，同時(shí)由于類serial建立在Java的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)起來效率比較低。但是對于PC機(jī)和DSP之間的串口通信任務(wù)，Matlab的串口對象已經(jīng)足夠應(yīng)付了。實(shí)驗(yàn)也取得了比較滿意的效果。

在Matlab中建立串口對象的語法為：s=serial('port','p1',v1,'p2','v2',……)

其中port是端口的名字，一般是‘com1’或‘com2’；px為屬性名，vx為屬性值。一般來說，需要設(shè)定的屬性有如下幾個(gè)：

BaudRate：串口傳輸?shù)牟ㄌ芈�，試�?yàn)中取為“38400”

Parity：   串口傳輸?shù)钠媾夹ｒ?yàn)位，試驗(yàn)中取值為“none”

DataBits： 串口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，試驗(yàn)中取值為“8”

StopBits： 串口傳輸?shù)耐Ｖ刮�，�?shí)驗(yàn)中取值為“1” ''

語句handles.com1=serial('com1','baudrate',38400,'parity','none','databits',8,'stopbits',1)就以波特率38400，無奇偶校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，建立了串口對象com1，handles.com1可以認(rèn)為是該設(shè)備的句柄。隨后可以用文件操作的方式直接對handles.com1進(jìn)行打開、關(guān)閉和讀寫操作。通常使用的函數(shù)為：fopen、fclose、fprintf和fread等。

串行通信雙方DSP均需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送。本系統(tǒng)在通信過程中，點(diǎn)擊界面上的發(fā)送按鈕，上位機(jī)將把給定的轉(zhuǎn)速大小、方向和相關(guān)的控制器參數(shù)發(fā)給DSP，點(diǎn)擊接受按鈕，上位機(jī)將接收來自DSP的電機(jī)繞組電流、電壓和轉(zhuǎn)速信息，并顯示出來。

3.2 下位機(jī)程序的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所用的DSP為TI公司專為數(shù)字電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的TMS320LF2407A，具有可編程串行通信接口模塊（SCI），支持CPU與其它使用標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外設(shè)之間的數(shù)字通信。DSP與上位機(jī)的接收和發(fā)送都是通過此模塊進(jìn)行的。SCI接收器和發(fā)送器均為雙緩沖結(jié)構(gòu)，有各自的使能位和中斷位，且相互獨(dú)立。支持全雙工工作方式。為確保數(shù)據(jù)的完整性，SCI對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行間斷檢測、奇偶性、超時(shí)以及幀錯(cuò)誤檢測。通過16位波特率寄存器，可以選擇65535種不同的波特率^[6]。

本系統(tǒng)中上位機(jī)每次將確定個(gè)數(shù)的

SPLK    #0fh,SCICCR      ;一個(gè)停止位，無奇偶校驗(yàn)位，8個(gè)數(shù)據(jù)位   

SPLK    #23h,SCICTL1     ;使能發(fā)送器和接受器

SPLK    #02h,SCICTL2     ;使能接收器中斷觸發(fā)    

SPLK    #00h,SCIHBAUD   ;

SPLK    #81h,SCILBAUD   ;設(shè)置波特率為38400b/s

SPLK    #00h,SCIPRI       ;設(shè)置SCI接受中斷的優(yōu)先級為高

4 結(jié)論

通過上面所介紹的設(shè)計(jì)思想和方法，在Matlab環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了無刷直流電機(jī)DSP控制系統(tǒng)PC機(jī)的串行通信。采用DSP和PC的主從結(jié)構(gòu)既能發(fā)揮DSP的數(shù)值處理能力，又具有良好的人機(jī)接口界面，方便了無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)試。同時(shí)在Matlab環(huán)境下，利用Matlab功能強(qiáng)大的工具箱，對采集來的轉(zhuǎn)速、電流等數(shù)據(jù)的處理非常便捷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案界面友好，結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，易于實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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