基于DSP的雙電動機同步控制平臺設計

引言

長期以來，電動機作為機械能和電能的轉換裝置，在各個領域得到了廣泛應用。無刷直流電動機綜合了直流電動機和交流電動機的優(yōu)點，既具有交流電動機結構簡單、運行可靠、維護方便的特點，又具有直流電動機運行效率高、調速性能好的優(yōu)點。正是這些優(yōu)點使得無刷直流電動機在當今國民經(jīng)濟的很多領域得到了廣泛的應用。無刷直流電動機采用電子換向裝置，根據(jù)位置傳感器檢測到的位置信號，通過DSP(數(shù)字信號處理器)產(chǎn)生一定的邏輯控制PWM波形來驅動電動機，實現(xiàn)無刷直流電動機的平穩(wěn)運轉。近年來，隨著工業(yè)的快速發(fā)展，對產(chǎn)品性能的要求也在逐年提高。對于現(xiàn)代某些產(chǎn)品，單單控制一臺電動機已經(jīng)不能滿足需求了，需要同時控制多臺電動機協(xié)調有序地工作才能滿足功能需要。

設計以TI公司的TMS320F28335作為處理器，采用驅動芯片和MOSFET的形式驅動兩臺無刷直流電動機。在完成硬件設計的基礎上，根據(jù)軟件設計的不同控制方式，可以同步或者按照某一規(guī)律驅動電動機運轉。

1　雙電動機同步控制系統(tǒng)

控制對象為兩臺三相直流無刷電動機，額定功率為3 kW，額定轉速為1 500 r/min，主要用在需要同步行走的場合，控制兩臺電動機同步行走。

直流無刷電動機的控制系統(tǒng)主要由控制部分、驅動及逆變電路部分、轉子位置檢測及電流采樣電路構成。其中，以TMS320F28335為核心的控制部分負責控制運算、模擬采樣等任務;驅動電路將控制電路輸出的弱電信號進行功率放大，輸出具有一定驅動能力的強電信號去控制逆變電路的開關管工作，實現(xiàn)將直流電逆變轉換供給電動機，達到對電動機的控制目的;位置檢測部分檢測電動機轉子信號，并送給控制部分處理;電流采樣部分完成對直流電源母線電流的檢測。整個系統(tǒng)外圍器件少，減小了設計難度，采用高性能傳感器檢測，提高了系統(tǒng)的精度。

2　控制系統(tǒng)硬件設計

2.1　系統(tǒng)的電源設計

TMS320F28335不同的外設需要的電壓不同，內核電壓1.8 V，I/O電壓3.3 V;上電次序也要求I/O電壓先于內核電壓，因此需要設計滿足控制系統(tǒng)需求的電源。選用TI公司的TPS767D318作為電源芯片，將輸入的5 V電壓轉換成3.3 V和1.8 V，作為DSP的電源輸入;而無刷直流電動機的電壓為24 V，相應的驅動芯片電壓選用+15 V或者-15 V，這樣利用DC/DC模塊將5 V電壓轉換成+15 V或者-15 V作為驅動芯片的電源。這樣，整個系統(tǒng)只需要供應5 V和24 V的電壓就能滿足需求。TPS767D318的外圍電路如圖1所示。

圖1　TPS767D318的外圍電路

DC/DC模塊如圖2所示。

圖2　DC/DC模塊

圖3　驅動芯片IR2136及MOSFET管外圍電路設計

2.2　驅動芯片及外圍電路設計

無刷直流電動機以電子換向代替直流電動機的機械換向，以一定的規(guī)律對電動機不同的相通電來驅動電動機轉動。從性能和成本的比較來看，現(xiàn)在比較常用的方法是三相星形全控橋電路。通過獲得無刷直流電動機自身的霍爾傳感器的各相位置信號，決定無刷直流電動機各個時刻各相的通斷狀態(tài)。DSP芯片按照設置生成一定規(guī)律的PWM波形信號，驅動芯片將DSP輸出的PWM信號放大，輸出具有一定驅動能力的信號控制逆變電路中的開關管工作。逆變電路由功率半導體器件MOSFET組成，輸出電動機需要的控制邏輯信號驅動電動機轉動。驅動芯片IR2136和MOSFET管外圍電路如圖3所示，其中PWM1~6是來自DSP的波形信號，A、B、C分別接到電動機的不同相。

2.3　控制系統(tǒng)的檢測電路設計

驅動芯片IR2136輸出的PWM信號控制開關管電路以一定的規(guī)律通斷，從而使無刷直流電動機的不同相在不同時刻通電。為了能夠在運轉過程中實時地了解電動機的參數(shù)，保證電動機在正常的條件下工作，必須對電動機的運行狀態(tài)進行檢測。需要檢測的信號有各相位置信號、電流信號、電壓信號。下面針對各種需要檢測的信號設計電路。

2.3.1　位置信號檢測

無刷直流電動機的軸上有3個霍爾傳感器，每個傳感器會產(chǎn)生180°脈寬的輸出信號來指示電動機各時刻所處的位置。3個傳感器的輸出信號互有120°的相位差，無刷直流電動機的位置信號如圖4所示。這樣在每個機械轉中會產(chǎn)生6個上升沿或者下降沿，正好對應著6個換向時刻。利用TMS320F28335的EV模塊的CAP功能(設置成雙沿觸發(fā))來獲得每個需要換向的邊沿，從而控制電動機換向，將輸出的位置信號與CAP引腳端口連接可以實現(xiàn)相應的功能。

圖4　無刷直流電動機的位置信號

2.3.2　電流信號檢測

電動機在運轉過程中每次只有兩相通電(一相正向通電，另一相反向通電)，因此每次只需要控制一個電流，將電阻安放在電源對地端就可以實現(xiàn)電流反饋，并實時監(jiān)管。電流反饋的輸出經(jīng)濾波放大后送到DSP的ADC端口進行處理，每個PWM周期對電流進行采樣，對速度(PWM占空比)進行控制。這里選用線性隔離放大器HCNR200對輸出波形進行處理，電流信號檢測電路如圖5所示。

圖5　電流信號檢測電路

2.3.3　電壓信號檢測

電動機在運轉過程中，需要對電動機的直流母線電壓進行檢測，使其處在電動機的額定電壓的范圍內。通過DSP的A/D采樣來了解電動機的過壓或者欠壓狀態(tài)。電壓信號檢測電路如圖6所示。