DSPTMS320F240在电机控制中的应用
设计应用 DESIGN APPLICATION
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引言
永磁无刷直流电机(PM-BLDC)，由于具有恒定
机械转矩和优良机械功率特性等特点，再加上我国稀
土资源丰富，被众多电机专家认为是21世纪的新型换
代产品。随着半导体集成电路，电力电子器件，控制
原理和稀土材料工业的发展，可以预见这种产品必然
会逐步取代传统结构的交流电动机加变频调速器的模
式。
对永磁无刷直流电机的控制经历了从模拟控制电
路到以单片机为核心的数字控制电路的发展过程，但
都存在内在的缺陷。前者由于采用模拟元件，易老化，
且对温度变化敏感；后者虽然克服模拟元件的内在缺
陷，但运算速度慢，难以实现现代工业对电机实时控
制的要求。本文采用TI 公司的专用电机控制芯片
TMS320F240，对永磁无刷直流电机控制。
基于 TMS320F240 的电机控制系统方案
TMS320F240
TMS320F240 芯片内部有 544字的双端口数据 /
程序 RAM，16K 的 FLASH E2 PROM；由于采用哈
佛结构，三级流水线操作，TMS320F240 大大提高了
指令执行速度，在内部时钟20MHz 时，指令周期为
50ns；优化的CPU 结构，更加快了指令执行速度，达
到20MIPS。一次 32 位的计算只需一个指令周期，即
50ns，这为复杂控制算法的实现提供了良好的条件。
同时，TMS320F240 的指令系统是与其它数字信号处
理器一脉相承的，它提供了丰富的“乘累加”指令，
这使电机控制中的数字滤波，如IIR、FIR 等，可以
方便快速的实现。
控制系统的硬件构成
图1示出系统框图。系统主要由DSP（TMS320F240），
存储器扩展模块，驱动放大电路，BLDC 电机，电流检
测装置和光盘编码器组成。当无线通讯模块接受主机
发出的参考输入(转角和角速度)，将其转换为PWM输
出，经过驱动放大送给电机，产生输出。通过电路检
测装置检测相电流，光盘编码器检测电机的转动方向
及转角，反馈回DSP 系统，形成闭环控制，实时有效
地控制运动精度。
其中，考虑存储器扩展主要是 TMS320F240 内部
存储容量有限，包括慢速 EPROM 和高速SRAM。选
择慢速 EPROM，主要是出于降低系统成本考虑，选
择两片 27C256-15，用于存储程序和初始化数据，高
速SRAM 用于程序执行和数据的暂存，程序和数据共
用两片高速 CY7C199-25，简化了系统硬件，也能满
足系统的控制要求。
无刷直流电机控制方案
对于中低速运行的无刷直流电机，可忽略绕组的
电感，不考虑绕组换向过渡过程和电枢反应，只计及
各物理量对时间的平均值[4]，可以得到以下简化方程：
DSP TMS320F240 在
电机控制中的应用
DSP TMS320F240 Application in BLDC Motor Control
上海交通大学 谢洪友 吕恬生 罗青 李智军
摘要:本文介绍了专用的电机控制芯片 TMS320F240 在无刷直流电机控制中的应用，给出了硬件、软件设计
及输出结果。
关键词：DSP;无刷直流电机;PWM
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电压方程式：
u- Δu=IavReq+KE ω (1)
运动方程式：
Tem=(Jm+JL)d ω /dt+D ω +Tf +TL (2)
式中：
Iav－平均电流(A)
Tem —平均电磁转矩(N.m)
ω—平均角速度(rad/s)
u－直流电源电压(V)
Δu－等效功率管导通压降(V)
KE－等效电压常数[V/(rad.s-1)]
Req－等效电阻(Ω)
D －粘性阻尼系数[N.m/(rad.s-1)]
Jm －电动机转动惯量(Kg.m2)
JL －负载转动惯量(Kg.m2)
Tf －摩擦转矩(N.m)
TL －负载转矩(N.m)
t－时间(s)
在恒定电源电压，稳态情况下，运动方程式可以
简化为：
Tem ＝K T ×I av (3)
其中，K T －等效转矩常数[N.m/A]
上述方程式说明，BLDC电机的机械特性(转矩－
转速特性)、转矩－电流特性是线性的。由此可以设计
出BLDC 电机的速度与电流环控制回路。(见图 2)
检测回路
·电流检测
如图1所示，可以使用分流电阻来检测相电流。其
位于功率驱动桥的低电压端和功率板之间。检测到的
电流由TMS320F240上的A/D
变成数字信号。为实现
20KHz 的电流环，采样周期
为50ms。
·位置与角速度检测
在TMS320F240的事件管
理器(EV)中，有一个正交编
码器脉冲(QEP)电路。当QEP
电路使能时，会对引脚CAP1/QEP1 和CAP2/QEP2上的
正交编码脉冲进行解码和计数。正交编码脉冲包含两
个脉冲序列，有变化的频率和四分之一周期(900)的
固定相位偏移。当电机轴上的光盘编码器产生正交编
码脉冲时，通过检测两个序列中哪个序列领先，可以
测出电机的正反转；并据此对捕获的信号进行加减计
数，如图3所示，从而得到当前的计数值和计数方向，
即电机的角位移和转向。电机的角速度可以通过脉冲
的频率测出。
PWM 波生成
如图 1所示，该电机直流驱动且仅两相工作，即
一相供给直流，另一相是返回电流，第三相空出。所
以，在任一时刻仅有两个MOSFET管导通电流。假定M1
和M4为导通的两个功率开关元件，那就有两种方法获
得相应两相的理想电流：硬件斩波和软件斩波。
软件斩波过程中，M4在60o 相位改变内保持“关”
状态，同时M1根据电流环输出任务周期改变状态；硬
件斩波过程中，根据同样的波形，M1 和M4 均改变状
态。TMS320F240 支持两种斩波操作，过程如下：
软件斩波：CPU时钟 =20MHz，PWM周期 =20KHz，PWM
任务周期对应变量 COMP
LACC COMP ；将任务周期装入累加器
LDP #0E8H ；读入数据页指针
SPLK #OF3DH, ACTR ；全比较动作控制寄
存器赋值，控制输出引脚PWM1－ 6 的动作模式
SACL CMPR1 ；取全比较单元比较存储器1
的低8位至累加器
SPLK #0000, CMPR2 ；全比较单元比较存
储器2清零
SPLK #0000, CMPR3 ；全比较单元比较存
储器3清零
硬件斩波：CPU时钟 =20MHz，PWM周期 =20KHz，PWM
任务周期对应变量 COMP
LACC COMP ；将任务周期装入累加器
LDP #0E8H ；装入数据页指针
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SPLK #OF7DH, ACTR ；全比较动作控制寄
存器赋值，控制输出引脚 PWM1－6的动作模式
SACL CMPR1 ；取全比较单元比较存储器1
的低8位至累加器
SACL CMPR2 ；取全比较单元比较存储器1
的低8位至累加器
要的。最快的 SAR ADC 采用前置
放大器级串联，提供二进制位“加权”的16个二进制
加权电容器阵列(和另一个LSB用的电容器）连接到比
较器的非倒相输入。取样和在电容器阵列上捕获ADC
的输入信号。与取样电容器阵列相同值的第二虚电容
器阵列连接到比较器的倒相输入。
随Convert Start(变换开始)信号开始变换过程
（在菊花链中变换开始信号适合于多 ADC级联）。 然
后，从输入断开电容器阵列，每个电容器在 2.5V 基
准和参考地之间开关转换，改变到比较器的输入(二
进制电压档为Vref/21,Vref/22??Vref/216)这有效地
使捕获信号与不同的“位”加权达到平衡，最终获得
代表输入信号的不同“位”精确的组
合，从而把模拟信号变换为 16 位数字
等效值。
对于比较器中带放大器级的 ADC，
可以用每个放大器的输出调零开关进
行复位，用自动调零开关清除输入失
调。用片上时钟可定序这些开关。
希望SAR ADC结构的输入设计能够
接受双极和单极输入以及单5V 电源工
作。这样的输入可包含一个电阻定标器
和二极管，以便在输入时提供静电放电
保护。输入可对于输入地取样(在相同的时间进行取
样）， 因此对两个输入提供小信号共模抑制。现在 16
位SAR ADC 都用 CMOS 工艺，所以，可使器件功耗低
到15mw(100s/s)。
ADC 在固有的模拟世界和为人为的数字域之间
架设起关键的链络。随着几十年来稳步地发展，ADC
在性能方面有惊人的增强，而价格却奇迹般地降低。
很多公司在生产商业ADC的同时，大学继续着眼于
新理论 / 实验设计。最新的SAR ADC 上市为接入
领域设计的光应用提供理想的器件。■（彭京湘译）
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SPLK #0000, CMPR3 ；全比较单元比较存
储器3清零
图4 是在软件斩波中，获得的 PWM 波形。
结语
专用电机控制芯片TMS320F240，功能全面，开发
工具齐全，控制BLDC电机方便实用，将在运动控制领
域逐步取代中高档单片机。■
参考文献
1 Digital Signal Processor Solutions for BLDC motor，Application
Report Texas Instruments part #MPRA055
2 TMS320C2XX高速数字信号处理器原理与应用，北京闻亭
科技发展有限公司，1998.4
3 陈振翼，电气传动控制系统，中国纺织出版社，1998.12
4 电机工程手册（第二版）， 机械工业出版社，1996
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