《工业控制计算机》2010年23卷第1期
基于DSP的电机双闭环控制系统
桂文斌（东南大学自动化学院，江苏南京210096）
DesignofDualClosed－loopControlSystemBasedonDSPforDCMotor
工业生产中通常采用单片机控制直流电机的运行，但是单
片机运算速度慢、接口资源少，难以满足实际应用中实时控制电
机的要求。随着大规模集成电路的发展，数字信号处理（DSP）技
术不断成熟完善，在性价比、存储容量和运算速度等方面得到很
大的提高。TMS320F2812数字信号处理器是TI公司推出的
DSP控制器，它是基于C／C＋＋高效32位内核，可实现浮点运
算，不但运算速度快并且提供了丰富的接口资源，包括MCBSP、
CAP、SCI、16通道A／D、16通道PWM、CAN总线和SPI等工
业控制中常用接口。
文献[2]中采用单闭环控制系统，动态性能不佳。为了实现
电机转速的精确控制，采用双闭环系统进行转速控制。双闭环控
制系统内环为电流环，采用电流传感器采样并且转换为电压信
号输入至DSP的ADC模块，外环为速度环，采用光电编码器采
样，将脉冲信号输入至DSP。本文首先分析了双闭环电机控制
系统的原理，包括系统结构和双闭环控制算法。然后，给出了各
个模块的具体设计方法。最后，通过在MATLAB的SIMULINK
仿真环境中，建立直流电机双闭环系统仿真模型，对系统中的双
闭环控制算法进行仿真并获得到较好的仿真效果。
1系统原理
1．1基于F2812的电机控制系统
双闭环电机控制系统由上位机模块和下位机模块两大部分
组成，其系统结构图如图1所示。上位机为PC，下位机由DSP、
电机驱动模块、电机、显示模块和检测模块五部分组成，上位机和
下位机之间通过串口进行通信。上位机通过串口发送电机转速和
PID参数至下位机并接收从下位机发送的速度信息。在下位机模
块中，DSP通过串行外设接口SPI将电机实时信息显示在LED
显示器中，同时DSP接收检测模块的速度、电流信息，通过运算
处理将相应的PWM波输出至驱动模块，从而驱动电机转动；同
时检测模块将电机信息反馈至DSP，从而构成双闭环控制系统。
1．2速度电流双闭环控制
要实现速度反馈和电流反馈的精确控制，需要在控制系统
中引入速度调节器和电流调节器，组成电流负反馈控制环和速
度负反馈控制环，其中电流反馈环为内环，速度反馈环为外环，
控制框图如图2所示。为了获得良好的静态和动态性能，电流环
和速度环均采用PI调节器。速度环根据给定速度与检测到的实
际速度差值，经过速度PI调节器对相应的差值进行处理，处理
结果作为电流环的给定值；同样，电流环需要根据电流给定值与
检测到的实际电流差值，通过电流PI调节器处理差值，并将差
值输出一定占空比的PWM波，该PWM波经驱动电路后作为功
率部分开关元件的门极信号。电机启动时电流环起决定作用，当
电机速度稳定时速度环起主要作用。电流环的主要功能为：①启
动过程的加速，②对反拉时的电流保护，③对电压波动的抗干
扰。转速环的主要功能为：①实现转速调节无静差，②对负载变
化起抗扰作用，③能对电流环进行饱和非线性控制。
摘要
提出了一种基于DSP的电机双闭环控制系统设计方法，解决了采用单片机控制电机时运算速度慢和运用单闭环控制
时动态性能不佳的问题。采用速度环和电流环组成双闭环控制系统，运用增量式编码器对直流电机测速和霍尔电流传感器
检测电流，充分利用F2812的接口资源，同时结合PI算法实现电机速度精确控制。在MATLABSIMULINK仿真环境中建
立直流电机双闭环系统模型，对双闭环控制算法进行仿真并获得到较好的效果。基于DSP的双闭环控制系统结构简单，外
围设备少，易进行控制算法的二次开发。
关键词：DSP，直流电机，双闭环，MATLAB
Abstract
ADSP－baseddesignschemafordualclosed－loopcontrolsystemofDCmotorisputforward．Theproblems,lowspeedwhile
thecontrolsystemisbasedonSCMandpoordynamicperformancewhilesingleclosed－loopcontrolisused,areresolvedinthis
designschema．Basedonthedualclosed－loopcontrolsystembythecompositionofspeedloopandcurrentloop,andtheincre-
mentalrotaryencoderusedtomeasurethecurrentaswellastheHallcurrentsensorappliedtomeasurethecurrent,inaddition,
theinterfacesofF2812arefullyutilizedandPIalgorithmisusedinthisdesign,thus,thissystemcanachievetheprecisecontrol
ofmotorspeed．Thispaperbuildsadualclosed－loopdcmotorsystemmodelonMATLAB－SIMULINK．
Keywords:DSP,DCmotor,dualclosed－loop,MATLAB
图1电机控制系统结构图
图2双闭环系统控制框图
41
基于DSP的电机双闭环控制系统
2系统设计
由图1可知，下位机是以DSP为核心，显示、检测、电机、
SCI和驱动模块为外设的控制系统，下面将给出各个模块的详
细设计。
2．1转速检测
要实现速度负反馈的控制，需要对电机的运行速度进行实
时检测，控制系统采用增量式编码器实现对直流电机的速度检
测。增量式编码器是测量电机转速的常用传感器，它将位移信息
转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉
冲的个数表示电机位移量。测速模块中将码盘固定在电机轴上，
当码盘随着电机转轴旋转一圈时，光电接收端接收透过码盘孔
的光源，利用光电效应转换为电脉冲，电脉冲经过整形放大电路
后输出至DSP的CAP端口进行计数。
设时钟脉冲频率为f，码盘上一圈孔的数目为N，M
1
为一个
测量时间周期内测速脉冲计数值，M
2
为高频时钟脉冲计数值，
则转速为：
n＝
60M
1
f
NM
2
（1）
2．2电流检测
要实现电流负反馈的控制，需要对电流进行检测，控制系统采
用茶花电子的电流霍尔传感器（CSM050AP）检测电流。CSM－
050AP传感器将采集的电流信号经过精密采样电阻转换成电压信
号，然后经过电压调理电路将电压信号调整为满足DSP输入要求
的电压（0～3V），最后DSP的ADC口对调理电路输出的电压信号
进行采样，采样电路的调理电路图如图3所示。调理电路检测的电
流信号范围为（－50A～＋50A），输出电压信号的范围为（0～3V）。
F2812芯片的ADC模块是一个具有12位分辨率的、流水
线结构的模－数转换器，并且拥有16个模拟输入通道，模拟输
入电压范围为0～3V。每当ADC收到一个启动转换请求，ADC
就可按照配置顺序自动执行转换，转换结果被保存在结果寄存
器中；当整个序列转换结束后，ADC向系统发出中断请求，以便
处理采集转换后的电流信息。
图3电流采样电路的调理电路图
根据检测模块得到的速度值和电流值实现电机转速控制。
当测量的实际转速低于设定转速时，速度调节器的积分作用使
速度环输出增加，即电流给定上升，并通过电流环调节使PWM
占空比增加，电动机电流增加，从而使电机获得加速转矩，电机
转速上升；当测量的实际转速高于设定转速时，转速调节器速度
环的输出减小，电流给定下降，并通过电流环调节使PWM占空
比减小，电机电流下降，从而使电机因电磁转矩的减小而减速。
当转速调节器处于饱和状态时，速度环输出达到限幅值，电流环
即以最大限制电流实现电机加速，使电机以最大加速度加速。
2．3PWM波输出
F2812有两个事件管理器：EVA和EVB，它们是电机控制
应用中非常重要的外设。每个事件管理器包括通用定时器
（GP）、比较器、PWM单元、捕获单元以及正交编码脉冲电路
（QEP）。
控制系统采用一个比较单元和一个通用定时器产生输出脉
冲。计数器根据所配置时钟计数，工作在连续增的工作模式下，
当计数器的值达到周期寄存器的值时，返回零值并重新开始计
数。在计数过程中，比较器的值不断与计数器的值比较，当发生
比较匹配时，输出脉冲波，同时相应的比较中断标志被置位。
F2812经过电流环PI控制运算后，通过修改比较器的值，产生
不同占空比的PWM波。
2．4显示与通信
串行接口SPI和SCI模块是控制器最基本的接口模块。
F2812中的SPI常用于为DSP扩展出更多的外设模块。双闭环
控制系统中的显示器模块由MAX7219和LED显示屏组成，使
用DSP的SPI接口连接显示器模块，将转速信息和电流信息实
时的显示在显示屏中。
串口通信方式是工业中常用的上位机与下位机之间的通信
方式，F2812中SCI常用于与其它DSP或PC进行通信，控制
系统通过对16位的波特率控制寄存器进行编程，配置出与PC
端相同的波特率。为了保证数据的完整性，SCI模块对接收到的
数据进行差错检测。上位机通过串口通信方式，发送给定转速和
PI参数至下位机，并通过串口实时接收下位机的速度。
3系统仿真
在MATLABSIMULINK仿真环境下使用额定转速为
1750RPM、5HP、240V的直流电机构建双闭环控制系统，控制
系统模型仿真图如图4所示。
图4a给出电机最高转速时的速度曲线，从曲线中可以知，
控制系统在高速时超调量不大（13％），上升时间tr＝0．15s，峰值
时间tp＝0．2s。图4b给出电机最低转速时的速度曲线，从曲线
中可知，控制系统在低速时无超调，上升时间tr＝0．5s。图4a和
图4b表明，在高速和低速启动过程中，双闭环系统具有较好的
加速性能。（下转第44页）
图4双闭环直流调速系统转速曲线
42
通用分布式地面测试系统模型
（上接第42页）
图4c给出电机以1000RPM转动时，突然增加25N·m的
负载的情况下，电机的电流曲线和速度曲线图。从曲线中可知，
在t＝0．6s时加入负载，引起速度突降，电流增大至20A。图4d
给出当带有25N·m的负载的电机以1000RPM转动时，突然将
负载降为0时系统的电流曲线和速度曲线图。从曲线中可以知，
在t＝0．6s突减负载，速度突增，电流减小至0A。
图4c和图4d表明，电机有负载扰动时，转速会发生变化，
需要依靠速度环抑制负载扰动。当负载突变时，必然会引起动态
速度变化。在图4c中，由于突加负载引起速降，速度环输出增
加，电流环调节器作用使得电机电流增加；在图4d中，突减负载
引起速度上升，速度环输出减少，电流环调节器作用使得电机电
流减少，所以，双闭环可以很好的对负载变化起抗扰作用。
图4e给出控制系统给定的速度曲线为方波时的电机速度
曲线图，从图中可以看出速度曲线超调量较小，响应速度较快。
以上仿真图表明双闭环控制系统动态调节速度快、精度高，能很
好的满足高性能的要求。
4结束语
本文使用TMS320F2812设计了基于速度环和电流环的电
机双闭环控制系统。通过研究直流电机控制原理和控制算法，采
用双闭环控制直流电机的转速，大大提高了控制系统的动态响
应速度和抗干扰能力，易于实现对直流电动机的高效连续速度
调节控制。系统采用TMS320F2812作为核心芯片，满足了电机
转速高精度控制的要求，改善了控制系统性能，提高了系统的可
靠性，同时利用F2812丰富的接口资源，减少了对外围设备的
需求，方便系统扩展。
参考文献
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［收稿日期：2009．7．28］
了重配置的意义。解决此问题，关键在于测试系统的软、硬件体
系结构和被测系统的模块化、标准化。如果被测系统硬件接口按
一定的约束限制在有限类中，其相应测试系统的测试设备前端
的通用性问题就可以较好地解决；如果被测系统能达到模块化
（包括功能），则可减少软件配置量。在这两个前提下，提出如图
3所示通用分布式地面测试系统模型。
图3分布式通用地面测试系统架构
具体描述如下：
1）专用计算机网：安全可靠，要求有足够带宽，能同时进行
数据、文字、声音和视频传输。本地计算机测试网：专用的计算机
测试网。
2）测试数据中心：管理各测试目标的测试系统配置、测试用
例、测试结果及其它测试记录。
3）测试系统中心：根据测试目标的不同对测试系统进行配
置，其中包括任务配置、测试用例配置和测试前端设备的配置。
并协调各测试前端设备完成测试任务。
4）测试前端设备：标准模块化结构的设备，模拟与被测设备
互连的设备。除具有基本的功能，能够完成规定任务以外，可通
过系统在线配置单独完成较复杂任务，同时可执行测试系统中
心的指令，与其它设备协同工作完成测试任务，并将测试数据送
测试系统中心。测试前端设备内部总线可选用适于模块化的
VXI、PXI等总线，以充分利用商品测试仪器、测试模块等资源，
以及满足对实时性、精度有高要求的测试任务需求。
5）网关：主要实现TCP／IP数据包于外总线上的数据交换。
对于具有计算机网络接口的前端设备可以直接接入本地计算机
测试网。
6）外总线：外总线种类比较多，地面比较常用的如RS－232C、
RS－422A／485、GPIB、USB、CAN等。USB总线，其2．0版速率
已达到480Mbps，其热拔插特性更适合系统的灵活配置和现场
测试。其缺点是总线传输距离比较短。
7）本地测试终端：根据测试系统中心的配置，在本地测试网
的终端上可以输入有关的测试命令，选择测试任务，并对测试结
果进行检查。有些终端可能需要人工监控。本地测试网的建立有
利于集合、优化配置本地测试资源，加强过程测试和质量控制，
提高工程化水平。
8）远程终端：通过专用计算机网络在异地对产品进行测试，
特别是需研制人员远程解决问题时，通过测试数据、文字、视频
等提高工作效率节约时间。
需要说明，本模型的适用是有一定条件约束的：①要有高速
的本地计算机测试网。②建立安全可靠的专用计算机网络。③航
天产品的模块化、标准化程度。
4结束语
测试问题对于小批量航天产品研制生产的重要性是无疑
的，解决好这个问题，效益巨大。利用计算机网络，发展远程测
试、协同测试；研究、应用先进产品设计和测试技术，提高产品可
测性和测试覆盖率；研究、应用软硬件重用、可重配置技术，降低
测试开销、提高测试效率，应当是航天产品测试技术的发展方
向。目前，应当重点研究测试系统（设备）的体系结构和软硬件重
用、可重配置技术。
参考文献
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［收稿日期：2009．8．24］
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