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，根據位置傳感器檢測到的位置信號，通過DSP(數字信號處理器)產生一定的邏輯控制PWM波形來驅動電動機，實現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，對產品性能的要求也在逐年提高。對于現代某些產品，單單控制一臺電動機已經不能滿足需求了，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，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電流反饋，并實時監(jiān)管。電流反饋的輸出經濾波放大后送到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。

　　圖6　電壓信號檢測電路

　　2.4　其他外圍電路設計

　　為使整個控制系統(tǒng)能夠運行，還需要其他外圍電路的設計，比如DSP的時鐘電路、復位電路、JTAG電路、RS232電路以及DSP功能口的擴展設計。在一些重要的地方還需要加上指示燈，方便對控制系統(tǒng)運行過程的了解。由于DSP系統(tǒng)的高頻特性，設計時還需要考慮電磁兼容等問題，以使整個系統(tǒng)正常工作。

　　3　系統(tǒng)軟件設計

　　控制系統(tǒng)中控制任務的最終實現是靠軟件來完成的。因此，在完成硬件設計的基礎上，必須對軟件進行設計。應用程序的好壞直接決定整個控制系統(tǒng)的質量和效率。電動機控制一般是一個快速過程，要求在一定時間內完成一系列的軟件處理過程。例如，對電動機被控參數(轉速、電流、電壓等)的反饋信號進行采樣、計算和判斷并作出相應的處理。為了滿足系統(tǒng)的實時性要求，控制系統(tǒng)需要用中斷方式對實時性強的輸入、輸出進行監(jiān)測。軟件設計充分利用TMS320F28335的中斷處理能力來完成電流采樣、位置捕獲及PWM波形產生等任務，ADC完成電流和電壓的采樣，CAP完成位置信號的捕獲和換向邏輯的確定。軟件任務主要包括主程序和各中斷子程序，其流程如圖7所示。

　　圖7　系統(tǒng)控制軟件流程

　　根據控制平臺軟硬件設計，調試后，電動機運轉較為平穩(wěn)。運轉時某一相的相電壓如圖8所示。

　　圖8　電動機運轉時的相電壓圖

　　4　結論

　　本文提出了一個通用的雙電機控制平臺的硬件設計方案，使用TI公司的TMS320F28335作為主處理芯片，加之高度集成的外圍電路設計使得電路簡便;使用TMS320F28335的豐富外設使系統(tǒng)控制性能較好;由于TMS320F28335有兩個功能相同的EV模塊，因此可以一個控制器同時控制兩臺電動機，節(jié)省了成本。在本控制平臺的基礎上，將控制系統(tǒng)與實際的控制策略相結合，可以實現不同的控制功能和方式，進而應用于不同的場合。