摘  要：采用DSP雖然可以實現(xiàn)無刷直流機的高性能實時控制，但僅靠DSP，很難再對系統(tǒng)的關(guān)鍵信息進行深入的分析和處理。為此，本文采用PC機和DSP的主從結(jié)構(gòu)，在Matlab環(huán)境下，設(shè)計了一種PC機和DSP控制系統(tǒng)的串行通信實現(xiàn)方案。該方案利用了Matlab強大的數(shù)值分析功能，不但可以實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速、電樞電流等信號的實時采集和分析，而且可以對控制系統(tǒng)參數(shù)進行在線調(diào)試。該方案界面友好，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。實驗結(jié)果表明，這種方案是可行的。
關(guān)鍵詞：無刷直流電動機(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口較少以及人機界面不太友好，DSP軟件資源也沒有PC機豐富，這些因素限制了DSP的應(yīng)用。采用PC機和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現(xiàn)無刷直流機DSP控制系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)試、轉(zhuǎn)速信號實時采集及處理。

目前國內(nèi)外有大量文獻介紹關(guān)于串行通信的實現(xiàn)方案，都取得了較好的效果，但大部分文獻介紹的是采用WINDOWS API函數(shù)或者VB、VC、DELPH來實現(xiàn)上位機的界面和串行通信^[3][4][5]。然而，在無刷直流機速度控制系統(tǒng)中，為使調(diào)試者實時了解系統(tǒng)運 行的信息，需要實時采集電機轉(zhuǎn)速、電樞電流等信息，并進行數(shù)據(jù)分析和加工處理。顯然，利用現(xiàn)有的PC機與DSP串行通信方案，可以很方便地實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速、電樞電流等信息的實時采集。如果還要進行復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析和處理，就不太方便了�？紤]到Matlab具有強大的數(shù)值分析計算功能，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實現(xiàn)PC機與與DSP之間的串行通信。這樣，不但可以實現(xiàn)PC機與與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)進行分析、加工、處理。

圖1  無刷直流電機控制系統(tǒng)

2 無刷直流電機控制系統(tǒng)

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

3 串行通信的實現(xiàn)

DSP與PC機之間串行通信的實現(xiàn)包括通信硬件設(shè)計、上位機程序設(shè)計、下位機程序設(shè)計三個部分。

3.1 通信硬件設(shè)計

PC機的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，該芯片具有一個專有的低壓降發(fā)送器輸出級，只需要4個1μf的外接電容就可實現(xiàn)，具體主電路如圖2所示。

3.2 上位機程序的設(shè)計

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。上位機程序界面就是通過這種方式實現(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現(xiàn)做詳細敘述。

對于Windows系統(tǒng)而言，硬件設(shè)備的驅(qū)動程序有著嚴格的規(guī)范，可以用C和匯編語言開發(fā)，而Matlab本身是個跨平臺軟件，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行響應(yīng)，必須采用比較復(fù)雜的事件和回調(diào)函數(shù)機制，同時由于類serial建立在Java的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)起來效率比較低。但是對于PC機和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。實驗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：

BaudRate：串口傳輸?shù)牟ㄌ芈�，試驗中取為�?8400”

Parity：   串口傳輸?shù)钠媾夹ｒ炍�，試驗中取值為“none”

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

StopBits： 串口傳輸?shù)耐Ｖ刮�，實驗中取值為�?” ''

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

3.2 下位機程序的設(shè)計

本系統(tǒng)所用的DSP為TI公司專為數(shù)字電機控制而設(shè)計的TMS320LF2407A，具有可編程串行通信接口模塊（SCI），支持CPU與其它使用標準格式的異步外設(shè)之間的數(shù)字通信。DSP與上位機的接收和發(fā)送都是通過此模塊進行的。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)進行間斷檢測、奇偶性、超時以及幀錯誤檢測。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)中上位機每次將確定個數(shù)的

SPLK    #0fh,SCICCR      ;一個停止位，無奇偶校驗位，8個數(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)計思想和方法，在Matlab環(huán)境下，實現(xiàn)了無刷直流電機DSP控制系統(tǒng)PC機的串行通信。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，又具有良好的人機接口界面，方便了無刷直流電機控制系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)試。同時在Matlab環(huán)境下，利用Matlab功能強大的工具箱，對采集來的轉(zhuǎn)速、電流等數(shù)據(jù)的處理非常便捷。實驗結(jié)果表明該方案界面友好，結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，易于實現(xiàn)。

參考文獻

[1]       汪銳, 許靜宇. 基于DSP芯片的永磁無刷直流電機控制器[J]. 微電機, 2000, 33(4): 27-29

[2]       謝洪友, 呂恬生. 基于數(shù)字信號處理器的無刷直流電機控制系統(tǒng) [J]. 機電工程，2003，19(2): 43-45

[3]       許國平, 盧慧芬. 利用VB6.0實現(xiàn)PC機與DSP之間的串行數(shù)據(jù)通信[J]. 計算機應(yīng)用, 2001, 27(9): 7-10

[4]       汪大全, ****. 基于VC6.0實現(xiàn)DSP與PC之間的串行通信[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2002，15(6): 29-31

[5]       張鵬, 李漢強， 丁琳. 矢量控制系統(tǒng)中DSP與PC機通信的實現(xiàn)[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報，2002，26(2): 214-216

[6]       劉和平, 王維俊等. TMS320LF240xDSP C語言開發(fā)應(yīng)用. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003