基于DSP的雙電動機(jī)同步控制平臺設(shè)計

　　引言

　　長期以來，電動機(jī)作為機(jī)械能和電能的轉(zhuǎn)換裝置，在各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。無刷直流電動機(jī)綜合了直流電動機(jī)和交流電動機(jī)的優(yōu)點，既具有交流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護(hù)方便的特點，又具有直流電動機(jī)運行效率高、調(diào)速性能好的優(yōu)點。正是這些優(yōu)點使得無刷直流電動機(jī)在當(dāng)今國民經(jīng)濟(jì)的很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。無刷直流電動機(jī)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(qū)動電動機(jī)，實現(xiàn)無刷直流電動機(jī)的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。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(jī)已經(jīng)不能滿足需求了，需要同時控制多臺電動機(jī)協(xié)調(diào)有序地工作才能滿足功能需要。

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

　　1　雙電動機(jī)同步控制系統(tǒng)

　　控制對象為兩臺三相直流無刷電動機(jī)，額定功率為3 kW，額定轉(zhuǎn)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(jī)同步行走。

　　直流無刷電動機(jī)的控制系統(tǒng)主要由控制部分、驅(qū)動及逆變電路部分、轉(zhuǎn)子位置檢測及電流采樣電路構(gòu)成。其中，以TMS320F28335為核心的控制部分負(fù)責(zé)控制運算、模擬采樣等任務(wù);驅(qū)動電路將控制電路輸出的弱電信號進(jìn)行功率放大，輸出具有一定驅(qū)動能力的強(qiáng)電信號去控制逆變電路的開關(guān)管工作，實現(xiàn)將直流電逆變轉(zhuǎn)換供給電動機(jī)，達(dá)到對電動機(jī)的控制目的;位置檢測部分檢測電動機(jī)轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)計

　　2.1　系統(tǒng)的電源設(shè)計

　　TMS320F28335不同的外設(shè)需要的電壓不同，內(nèi)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(nèi)核電壓，因此需要設(shè)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(zhuǎn)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(jī)的電壓為24 V，相應(yīng)的驅(qū)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(zhuǎn)換成+15 V或者-15 V作為驅(qū)動芯片的電源。這樣，整個系統(tǒng)只需要供應(yīng)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(qū)動芯片IR2136及MOSFET管外圍電路設(shè)計

　　2.2　驅(qū)動芯片及外圍電路設(shè)計

　　無刷直流電動機(jī)以電子換向代替直流電動機(jī)的機(jī)械換向，以一定的規(guī)律對電動機(jī)不同的相通電來驅(qū)動電動機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)自身的霍爾傳感器的各相位置信號，決定無刷直流電動機(jī)各個時刻各相的通斷狀態(tài)。DSP芯片按照設(shè)置生成一定規(guī)律的PWM波形信號，驅(qū)動芯片將DSP輸出的PWM信號放大，輸出具有一定驅(qū)動能力的信號控制逆變電路中的開關(guān)管工作。逆變電路由功率半導(dǎo)體器件MOSFET組成，輸出電動機(jī)需要的控制邏輯信號驅(qū)動電動機(jī)轉(zhuǎn)動。驅(qū)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(jī)的不同相。

　　2.3　控制系統(tǒng)的檢測電路設(shè)計

　　驅(qū)動芯片IR2136輸出的PWM信號控制開關(guān)管電路以一定的規(guī)律通斷，從而使無刷直流電動機(jī)的不同相在不同時刻通電。為了能夠在運轉(zhuǎn)過程中實時地了解電動機(jī)的參數(shù)，保證電動機(jī)在正常的條件下工作，必須對電動機(jī)的運行狀態(tài)進(jìn)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(shè)計電路。

　　2.3.1　位置信號檢測

　　無刷直流電動機(jī)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(jī)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(jī)的位置信號如圖4所示。這樣在每個機(jī)械轉(zhuǎn)中會產(chǎn)生6個上升沿或者下降沿，正好對應(yīng)著6個換向時刻。利用TMS320F28335的EV模塊的CAP功能(設(shè)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(jī)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(yīng)的功能。

　　圖4　無刷直流電動機(jī)的位置信號

　　2.3.2　電流信號檢測

　　電動機(jī)在運轉(zhuǎn)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(jìn)行處理，每個PWM周期對電流進(jìn)行采樣，對速度(PWM占空比)進(jìn)行控制。這里選用線性隔離放大器HCNR200對輸出波形進(jìn)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(jī)在運轉(zhuǎn)過程中，需要對電動機(jī)的直流母線電壓進(jìn)行檢測，使其處在電動機(jī)的額定電壓的范圍內(nèi)。通過DSP的A/D采樣來了解電動機(jī)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(shè)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(shè)計，比如DSP的時鐘電路、復(fù)位電路、JTAG電路、RS232電路以及DSP功能口的擴(kuò)展設(shè)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(shè)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(shè)計

　　控制系統(tǒng)中控制任務(wù)的最終實現(xiàn)是靠軟件來完成的。因此，在完成硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，必須對軟件進(jìn)行設(shè)計。應(yīng)用程序的好壞直接決定整個控制系統(tǒng)的質(zhì)量和效率。電動機(jī)控制一般是一個快速過程，要求在一定時間內(nèi)完成一系列的軟件處理過程。例如，對電動機(jī)被控參數(shù)(轉(zhuǎn)速、電流、電壓等)的反饋信號進(jìn)行采樣、計算和判斷并作出相應(yīng)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(qiáng)的輸入、輸出進(jìn)行監(jiān)測。軟件設(shè)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(chǎn)生等任務(wù)，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(wù)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(jù)控制平臺軟硬件設(shè)計，調(diào)試后，電動機(jī)運轉(zhuǎn)較為平穩(wěn)。運轉(zhuǎn)時某一相的相電壓如圖8所示。

　　圖8　電動機(jī)運轉(zhuǎn)時的相電壓圖

　　4　結(jié)論

　　本文提出了一個通用的雙電機(jī)控制平臺的硬件設(shè)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(shè)計使得電路簡便;使用TMS320F28335的豐富外設(shè)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(jī)，節(jié)省了成本。在本控制平臺的基礎(chǔ)上，將控制系統(tǒng)與實際的控制策略相結(jié)合，可以實現(xiàn)不同的控制功能和方式，進(jìn)而應(yīng)用于不同的場合。