基于DSPIC30F4011的直流减速电机控制研究

王　伟　西安石油大学　710065



基于DSPIC30F4011的直流减速电机控制研究

王伟西安石油大学710065

【文章摘要】

介绍了DSPIC30F4011芯片的性能和优点，重点介绍了芯片QEI模块的原理及功能。设计了由DSPIC30F4011为处理器的直流减速电机速度及位置的检测与控制，利用由芯片QEI模块的正交编码器接口电路以及光电编码器可以方便的检测电机的速度与位置。设计了相应的软件程序实现控制。

【关键词】

电机控制；DSPIC30F4011；QEI；光电编码器

0　引言

随着嵌入式系统和单片机芯片的不断发展，嵌入式系统在航天航空，机器人控制，医疗机械控制等领域得到了广泛应用。美国微芯科技公司（Microchip Technology）推出的DSPIC数字信号控制器拥有数字信号处理器（DSP）的计算能力以及高数据处理能力，其运算速度最高可达30MIPS，并能在工业级温度范围内工作。以16位单片机为核心的DSPIC30F4011有强大功能的外围设备和优秀的中断处理能力，是嵌入式设计的最佳解决方案。这些性能使其成为需要更高精度、更高转速的电机控制应用领域的理想解决方案。除此之外，芯片还可以应用在传感器控制、汽车电子、网络连接等领域。

1　DSPIC30F4011功能简介及QEI模块原理

1.1DSPIC30F4011芯片功能简介

Dspic30f4011采用改进的哈佛架构，拥有24位指令字，工作寄存器由16个16位寄存器构成，可以存储数据、地址等。DSP引擎由一个高速17X17位乘法器、40位算术逻辑单元以及一个40位双向桶行移位寄存器和两个40位饱和累加器组成，显著提高了内核运算能力和吞吐量。芯片具有2KB数据RAM，48KB程序FLASH，除此之外，还包括10位高速模数转换器模块，6路PWM可改写输出模块、可用于带霍尔传感器电机的输入捕捉模块，以及正交编码器模块接口和通用异步收发器模块等，使得DSPIC30F4011芯片具有操作简单，准确等特性。

1.2QEI模块原理

光电编码器用于检测旋转运动系统的位置和速度，可以对多种电机实现闭环控制。典型的观点编码器有三路脉冲输出，分别为A相输出，B相输出和索引（INDEX）脉冲相输出。处理器芯片DSPIC30F4011带有正交编码器接口暨QEI（Quadrature Encoder Interface）模块，QEI模块有与位置编码器三相相对应的接口。如果A相超前于B相表示电机正转，反之表示反转。

QEI模块主要包括了3路输入引脚（QEA,QEB,INDEX相）；可编程数字噪声滤波器；正交解码器；16位向上、向下的计数器等。电机带动编码器旋转，产生相对持续稳定的A相,B相和索引脉冲信号，且A相与B相相差1/2T个脉冲。信号通过QEI模块的正交解码逻辑，每有一个A相或者B相的上升沿，便使得16位计数器POSCNT加1或者减1，索引信号用来复位计数器的数值。100脉冲的正交编码器转一周对应的计数器个数为0 到399，即计数器的个数与电机转过的角度成比例。所以通过读取计数器的数值，可读取电机的角度位置。

3　直流减速电机控制硬件电路设计

根据DSPIC30F4011芯片QEI模块的功能，结合芯片自带的PWM模块，可以实现电机位置与速度的精准控制。选用12V,60RPM配有减速箱的直流减速电机，100脉冲的光电编码器，采用L239B芯片和典型的桥式电路作为电机的驱动电路，采用MAX7219芯片显示电机当前的位置与速度，MAX7219芯片具有8位数字7段LED显示功能。

DSPIC30F4011芯片作为核心处理器，QEI模块的三个输入引脚与光电编码器侧面引出的三相A,B,INDEX分别连接。由于芯片的标准电压是5V，所以光电编码器的输出方式采用集电极开路输出，光电编码器与直流电机同轴相连，用联轴器紧固。电机的尾端通过L239B芯片连入PWM模块，构成主要的控制回路。其中核心处理器的QEA，QEB，INDEX引脚作为输入检测光电编码器的脉冲信号，PWMH1、PWML1引脚作为输出分别与L239B芯片的2号引脚与7号引脚连接，给电机提供高低电频并控制电机的速度。RC1，RC2，RC3端口作为输出控制MAX7219芯片显示速度和角度。通过软件程序调试，使MAX7219前4位显示速度，后四位显示角度，并且实现闭环控制。

4　软件调试

DSPIC30F4011芯片通过单片机烧写器ICD2.5连接到PC端。使用软件MPLAB IDE V8.70软件对芯片对程序进行烧写。程序首先初始化QEI模块和MAX7219芯片，随后计算电机的位置和速度，用POSCNST计数器的值判断电机是否达到预设的角度，当电机达到预设角度后停转并显示角度和速度。通过此程序，可以使电机以预定的速度转过预定的角度。

在初始化QEI模块中，首先配置QEI的引脚为数字输入。设置索引脉冲复位位置计数器即索引脉冲使POSCNT计数器清0，并设置工作模式为X4模式，X4模式每遇到一个A相和B相的信号边沿使POSCNT计数器加1或者减1，这样可以获得更好的分辨率，以及更精确的位置控制。QEI模块的使能数字滤波器能过滤光电编码器上可能出现的干扰，通过计算光电编码器的最小脉冲宽度（MIN_PULSE）可以求得滤波分频配置（FILTER_DIV），最小脉冲宽度是由电机的最大速度确定的，由于采用直流减速电机的最大速度较小，所以这里采用了最大的256分频数。

角位置应把位置计数器的结果转换为对应的角度，根据QEI模块的配置信息和光电编码器的线程数可以得到分辨率，100脉冲的光电编码器的分辨率为360°/399=0.9°，根据这个分辨率，位置计数器需要从0~399变化成对应的角度 ，即POSCNT计数器的值与角度 的比例系数为0.9。速度是一个固定时间周期的增量数，通过周期中断产生。中断间隔小于最大速度下产生半转所需要的最小时间，通过中断间隔可以测得电机的速度。

5　结论

由直流减速电机位置与速度控制实验可以看出DSPIC30F4011芯片功能强大，应用简单，不需要复杂的电路和程序便可以完成控制。由DSPCI30F系列芯片的嵌入式控制可以应用于各个领域的精准控制，直流减速电机的位置与速度控制已经应用于机器人手臂的控制，以及旋转导向钻井稳定平台的控制等。

【参考文献】

[1]罗战强,芦刚,李声晋.采用dsPIC30F6010的无刷直流电动机控制系统设计[J].威特电机，2007,1:27-29

[2]彭志刚,胡邦南.基于dsPIC30F6010的无传感器无刷直流电机控制[J].自动化与仪器仪表.2011(02)

王伟（1987-），男(汉族) ，陕西省户县人，硕士研究生，主要研究方向调制式旋转导向钻井，直流电机位置控制。

【作者简介】