基于DSP28335的無刷直流力矩電機驅動器的設計

蔡立華++于帥北

摘要：本文應用DSP28335和FPGA 設計了一種新型無刷直流電機驅動器，對硬件電路的進行分析和設計，同時對整個驅動器軟件的控制流程進行介紹，經過實際應用，此新型的驅動器能夠很好對無刷力矩電機的力矩輸出和轉速進行控制。

關鍵詞：DSP28335 無刷直流電機

中圖分類號：FP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0178-02

1 引言

隨著伺服控制精度的要求越來越高，無刷直流力矩電機及相關的驅動技術得到了迅速的發展，無刷力矩電機沒有用于換向的電刷，所以在運轉時沒有電火花，對控制系統的其他弱電路部分干擾很少，同時還具有調速范圍寬、低速性能好及運行平穩等特點。本文應用DSP28335及FPGA設計了一套新型的無刷電機驅動器。DSP28335具有很強的運算速度及內存資源，可應用更復雜的控制算法，提高系統的控制性能。FPGA芯片的應用使硬件的設計更加靈活、降低了硬件的成本、提高了可靠性。

2 無刷直流電機驅動器的硬件設計

2.1 無刷直流電機驅動器的原理及組成

無刷電機驅動器的主要功能是對電機轉速的控制，合適的無刷電機的調速方法是保證無刷力矩電機平穩轉動、滿足速度控制精度的關鍵，無刷電機的調速方式分為調壓調速和調磁調速，本文設計的驅動器采用的是PWM調壓方式進行調速。無刷直流電機器模塊框圖如圖1所示。

按功能大致可劃分為以下3個部分：DSP數字控制電路、FPGA數字電路部分及功率電路部分。

*DSP數字控制電路實現驅動控制系統的速度環及電流環的運算及整個程序的流程；

*FPGA數字電路部分采用VHDL語言進行編程，實現系統的邏輯綜合與處理；

*功率電路的功能主要實現了整流和逆變的功能，同時還包含PWM信號驅動隔離電路、電流采樣、保護電路等功能。

2.2 DSP及FPGA數字控制電路

本驅動器選用美國TI公司的DSP 28335芯片，該芯片是目前控制領域運算速率最快的浮點型DSP芯片，具有較高的實時控制能力，另外片內具有高達256K的16位FLASH程序存儲器和34K的16位SRAM，可保證存儲及數據保存的需要。目前，該芯片已廣泛用于伺服控制、開關電源等領域。

本驅動器選用Cyclone公司系列FPGA中的EP1C12Q240C8作為整個伺服控制器的時序和邏輯控制核心，EP1C12Q240C8提供12060個邏輯單元（LE）和173個I/O口，可以內嵌4K的RAM。

DSP 28335主要完成對整個驅動控制程序的控制，內部集成了精確的閉環控制，包括電流環、速度環及位置環的控制，應用了先進的控制算法，提高了系統的控制精度和響應速度。

FPGA主要完成了整個電路的邏輯綜合控制，主要包括PWM調寬波的輸出與控制，A/D等芯片的選通控制、外部按鍵輸入信號和保護電路信號的防抖處理等功能。

2.3 主功率電路設計

從功能上，主功率電路部分分為整流穩壓電路和逆變電路。電機所需要的直流電源是通過市電經過整流橋整流，并通過濾波后獲得的。逆變電路采用三相全橋電路結構，電機采用120°導通方式換向。主功率電路設計重點考慮了電磁兼容性， 在驅動系統中由于存在瞬態脈沖干擾，調寬波的驅動信號和數字控制芯片容易收到干擾，會造成PWM調寬波信號上出現大量的尖峰，信號出現畸變，影響功率器件的正常導通，影響直流電機的穩速效果。在本設計中，采用了TLP431高速驅動光耦芯片和六路獨立的相互隔離的輔助電源實現驅動信號的隔離，從實際測試結果看，有效的抑制了電磁干擾。

3 無刷直流電機驅動器的軟件設計

驅動器的DSP軟件是在CCS3.3編程環境下編寫的和編譯的，軟件主要包括系統初始化程序和控制主程序。

3.1 初始化程序

系統初始化程序流程如圖2所示。通過系統的初始化程序，設定了系統各部分的功能與時序，主要完成的功能有DSP的初始化設置、控制參數的初始化設置、中斷的初始化等。

3.2 系統控制主程序

主程序的程序流程圖如圖3所示。系統控制主程序主要完成對電機的力矩輸出控制和轉速控制，主要包含光電編碼器位置數據的接收、速度回路控制算法、電流環控制算法及PWM調寬波的控制輸出等程序部分。光電編碼器采用16位絕對式編碼器，用于測量電機轉子所在的位置，控制程序按照定子繞線決定開啟或關閉橋路中晶體管的開啟順序，當電機運行后，程序根據給定速度控制PWM調寬波的占空比和方向。無刷電機的控制原理如圖4所示。

4 結語

本文以DSP 28335和FPGA EP1C12Q240C8為核心，設計了一種新型的無刷電機驅動器，對硬件電路的原理進行了分析設計，利用DSP 28335高速的運算能力，使此控制器具有很高的控制精度，另外，采用FPGA設計硬件電路，簡化了電路設計，提高了系統的可靠性，同時對系統軟件程序進行了設計。本套驅動器已經應用到實際產品中，取得了滿意的效果。

參考文獻

[1]張琛，直流無刷電動機原理及應用，北京：機械工業出版社，2004.

[2]林平，韋鯤，張仲超.新型無刷直流電機換向轉矩脈動的抑制控制方法，電機工程學報，2006，26（3）：153-158.

[3] 袁林興.稀土永磁無刷直流魚雷推進電機控制系統設計研究，[碩士學位論文]，西安：西北工業大學，2006.endprint

摘要：本文應用DSP28335和FPGA 設計了一種新型無刷直流電機驅動器，對硬件電路的進行分析和設計，同時對整個驅動器軟件的控制流程進行介紹，經過實際應用，此新型的驅動器能夠很好對無刷力矩電機的力矩輸出和轉速進行控制。

關鍵詞：DSP28335 無刷直流電機

中圖分類號：FP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0178-02

1 引言

隨著伺服控制精度的要求越來越高，無刷直流力矩電機及相關的驅動技術得到了迅速的發展，無刷力矩電機沒有用于換向的電刷，所以在運轉時沒有電火花，對控制系統的其他弱電路部分干擾很少，同時還具有調速范圍寬、低速性能好及運行平穩等特點。本文應用DSP28335及FPGA設計了一套新型的無刷電機驅動器。DSP28335具有很強的運算速度及內存資源，可應用更復雜的控制算法，提高系統的控制性能。FPGA芯片的應用使硬件的設計更加靈活、降低了硬件的成本、提高了可靠性。

2 無刷直流電機驅動器的硬件設計

2.1 無刷直流電機驅動器的原理及組成

無刷電機驅動器的主要功能是對電機轉速的控制，合適的無刷電機的調速方法是保證無刷力矩電機平穩轉動、滿足速度控制精度的關鍵，無刷電機的調速方式分為調壓調速和調磁調速，本文設計的驅動器采用的是PWM調壓方式進行調速。無刷直流電機器模塊框圖如圖1所示。

按功能大致可劃分為以下3個部分：DSP數字控制電路、FPGA數字電路部分及功率電路部分。

*DSP數字控制電路實現驅動控制系統的速度環及電流環的運算及整個程序的流程；

*FPGA數字電路部分采用VHDL語言進行編程，實現系統的邏輯綜合與處理；

*功率電路的功能主要實現了整流和逆變的功能，同時還包含PWM信號驅動隔離電路、電流采樣、保護電路等功能。

2.2 DSP及FPGA數字控制電路

本驅動器選用美國TI公司的DSP 28335芯片，該芯片是目前控制領域運算速率最快的浮點型DSP芯片，具有較高的實時控制能力，另外片內具有高達256K的16位FLASH程序存儲器和34K的16位SRAM，可保證存儲及數據保存的需要。目前，該芯片已廣泛用于伺服控制、開關電源等領域。

本驅動器選用Cyclone公司系列FPGA中的EP1C12Q240C8作為整個伺服控制器的時序和邏輯控制核心，EP1C12Q240C8提供12060個邏輯單元（LE）和173個I/O口，可以內嵌4K的RAM。

DSP 28335主要完成對整個驅動控制程序的控制，內部集成了精確的閉環控制，包括電流環、速度環及位置環的控制，應用了先進的控制算法，提高了系統的控制精度和響應速度。

FPGA主要完成了整個電路的邏輯綜合控制，主要包括PWM調寬波的輸出與控制，A/D等芯片的選通控制、外部按鍵輸入信號和保護電路信號的防抖處理等功能。

2.3 主功率電路設計

從功能上，主功率電路部分分為整流穩壓電路和逆變電路。電機所需要的直流電源是通過市電經過整流橋整流，并通過濾波后獲得的。逆變電路采用三相全橋電路結構，電機采用120°導通方式換向。主功率電路設計重點考慮了電磁兼容性， 在驅動系統中由于存在瞬態脈沖干擾，調寬波的驅動信號和數字控制芯片容易收到干擾，會造成PWM調寬波信號上出現大量的尖峰，信號出現畸變，影響功率器件的正常導通，影響直流電機的穩速效果。在本設計中，采用了TLP431高速驅動光耦芯片和六路獨立的相互隔離的輔助電源實現驅動信號的隔離，從實際測試結果看，有效的抑制了電磁干擾。

3 無刷直流電機驅動器的軟件設計

驅動器的DSP軟件是在CCS3.3編程環境下編寫的和編譯的，軟件主要包括系統初始化程序和控制主程序。

3.1 初始化程序

系統初始化程序流程如圖2所示。通過系統的初始化程序，設定了系統各部分的功能與時序，主要完成的功能有DSP的初始化設置、控制參數的初始化設置、中斷的初始化等。

3.2 系統控制主程序

主程序的程序流程圖如圖3所示。系統控制主程序主要完成對電機的力矩輸出控制和轉速控制，主要包含光電編碼器位置數據的接收、速度回路控制算法、電流環控制算法及PWM調寬波的控制輸出等程序部分。光電編碼器采用16位絕對式編碼器，用于測量電機轉子所在的位置，控制程序按照定子繞線決定開啟或關閉橋路中晶體管的開啟順序，當電機運行后，程序根據給定速度控制PWM調寬波的占空比和方向。無刷電機的控制原理如圖4所示。

4 結語

本文以DSP 28335和FPGA EP1C12Q240C8為核心，設計了一種新型的無刷電機驅動器，對硬件電路的原理進行了分析設計，利用DSP 28335高速的運算能力，使此控制器具有很高的控制精度，另外，采用FPGA設計硬件電路，簡化了電路設計，提高了系統的可靠性，同時對系統軟件程序進行了設計。本套驅動器已經應用到實際產品中，取得了滿意的效果。

參考文獻

[1]張琛，直流無刷電動機原理及應用，北京：機械工業出版社，2004.

[2]林平，韋鯤，張仲超.新型無刷直流電機換向轉矩脈動的抑制控制方法，電機工程學報，2006，26（3）：153-158.

[3] 袁林興.稀土永磁無刷直流魚雷推進電機控制系統設計研究，[碩士學位論文]，西安：西北工業大學，2006.endprint

摘要：本文應用DSP28335和FPGA 設計了一種新型無刷直流電機驅動器，對硬件電路的進行分析和設計，同時對整個驅動器軟件的控制流程進行介紹，經過實際應用，此新型的驅動器能夠很好對無刷力矩電機的力矩輸出和轉速進行控制。

關鍵詞：DSP28335 無刷直流電機

中圖分類號：FP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0178-02

1 引言

隨著伺服控制精度的要求越來越高，無刷直流力矩電機及相關的驅動技術得到了迅速的發展，無刷力矩電機沒有用于換向的電刷，所以在運轉時沒有電火花，對控制系統的其他弱電路部分干擾很少，同時還具有調速范圍寬、低速性能好及運行平穩等特點。本文應用DSP28335及FPGA設計了一套新型的無刷電機驅動器。DSP28335具有很強的運算速度及內存資源，可應用更復雜的控制算法，提高系統的控制性能。FPGA芯片的應用使硬件的設計更加靈活、降低了硬件的成本、提高了可靠性。

2 無刷直流電機驅動器的硬件設計

2.1 無刷直流電機驅動器的原理及組成

無刷電機驅動器的主要功能是對電機轉速的控制，合適的無刷電機的調速方法是保證無刷力矩電機平穩轉動、滿足速度控制精度的關鍵，無刷電機的調速方式分為調壓調速和調磁調速，本文設計的驅動器采用的是PWM調壓方式進行調速。無刷直流電機器模塊框圖如圖1所示。

按功能大致可劃分為以下3個部分：DSP數字控制電路、FPGA數字電路部分及功率電路部分。

*DSP數字控制電路實現驅動控制系統的速度環及電流環的運算及整個程序的流程；

*FPGA數字電路部分采用VHDL語言進行編程，實現系統的邏輯綜合與處理；

*功率電路的功能主要實現了整流和逆變的功能，同時還包含PWM信號驅動隔離電路、電流采樣、保護電路等功能。

2.2 DSP及FPGA數字控制電路

本驅動器選用美國TI公司的DSP 28335芯片，該芯片是目前控制領域運算速率最快的浮點型DSP芯片，具有較高的實時控制能力，另外片內具有高達256K的16位FLASH程序存儲器和34K的16位SRAM，可保證存儲及數據保存的需要。目前，該芯片已廣泛用于伺服控制、開關電源等領域。

本驅動器選用Cyclone公司系列FPGA中的EP1C12Q240C8作為整個伺服控制器的時序和邏輯控制核心，EP1C12Q240C8提供12060個邏輯單元（LE）和173個I/O口，可以內嵌4K的RAM。

DSP 28335主要完成對整個驅動控制程序的控制，內部集成了精確的閉環控制，包括電流環、速度環及位置環的控制，應用了先進的控制算法，提高了系統的控制精度和響應速度。

FPGA主要完成了整個電路的邏輯綜合控制，主要包括PWM調寬波的輸出與控制，A/D等芯片的選通控制、外部按鍵輸入信號和保護電路信號的防抖處理等功能。

2.3 主功率電路設計

從功能上，主功率電路部分分為整流穩壓電路和逆變電路。電機所需要的直流電源是通過市電經過整流橋整流，并通過濾波后獲得的。逆變電路采用三相全橋電路結構，電機采用120°導通方式換向。主功率電路設計重點考慮了電磁兼容性， 在驅動系統中由于存在瞬態脈沖干擾，調寬波的驅動信號和數字控制芯片容易收到干擾，會造成PWM調寬波信號上出現大量的尖峰，信號出現畸變，影響功率器件的正常導通，影響直流電機的穩速效果。在本設計中，采用了TLP431高速驅動光耦芯片和六路獨立的相互隔離的輔助電源實現驅動信號的隔離，從實際測試結果看，有效的抑制了電磁干擾。

3 無刷直流電機驅動器的軟件設計

驅動器的DSP軟件是在CCS3.3編程環境下編寫的和編譯的，軟件主要包括系統初始化程序和控制主程序。

3.1 初始化程序

系統初始化程序流程如圖2所示。通過系統的初始化程序，設定了系統各部分的功能與時序，主要完成的功能有DSP的初始化設置、控制參數的初始化設置、中斷的初始化等。

3.2 系統控制主程序

主程序的程序流程圖如圖3所示。系統控制主程序主要完成對電機的力矩輸出控制和轉速控制，主要包含光電編碼器位置數據的接收、速度回路控制算法、電流環控制算法及PWM調寬波的控制輸出等程序部分。光電編碼器采用16位絕對式編碼器，用于測量電機轉子所在的位置，控制程序按照定子繞線決定開啟或關閉橋路中晶體管的開啟順序，當電機運行后，程序根據給定速度控制PWM調寬波的占空比和方向。無刷電機的控制原理如圖4所示。

4 結語

本文以DSP 28335和FPGA EP1C12Q240C8為核心，設計了一種新型的無刷電機驅動器，對硬件電路的原理進行了分析設計，利用DSP 28335高速的運算能力，使此控制器具有很高的控制精度，另外，采用FPGA設計硬件電路，簡化了電路設計，提高了系統的可靠性，同時對系統軟件程序進行了設計。本套驅動器已經應用到實際產品中，取得了滿意的效果。

參考文獻

[1]張琛，直流無刷電動機原理及應用，北京：機械工業出版社，2004.

[2]林平，韋鯤，張仲超.新型無刷直流電機換向轉矩脈動的抑制控制方法，電機工程學報，2006，26（3）：153-158.

[3] 袁林興.稀土永磁無刷直流魚雷推進電機控制系統設計研究，[碩士學位論文]，西安：西北工業大學，2006.endprint