基于DSP的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

摘 要：無刷直流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、動(dòng)靜態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)上已得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文詳細(xì)闡述了無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，以TI公司的TMS320LF2407A芯片為控制核心，設(shè)計(jì)了無刷直流電機(jī)控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路以及保護(hù)電路。其主要優(yōu)勢(shì)在于利用數(shù)字信號(hào)處理器的高速運(yùn)算功能，易于實(shí)現(xiàn)各種高效的控制算法，達(dá)到無刷直流電機(jī)的高精度控制的目的。

關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī);DSP;TMS320LF2407A

無刷直流電機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便。它又有傳統(tǒng)直流電機(jī)控制簡(jiǎn)單、調(diào)速性能好、功率密度高、輸出轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn)。因此，無刷直流電機(jī)在工業(yè)機(jī)器人控制、數(shù)控設(shè)備、紡織、化工等工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。所以，對(duì)無刷直流電機(jī)及其控制方法進(jìn)行系統(tǒng)、深入的研究有十分重要的意義。

一、無刷直流電機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分主要由主電路、控制電路和輔助電路等構(gòu)成，其主電路部分包括整流、濾波、逆變電路等。逆變電路是由功率開關(guān)管構(gòu)成的三相橋式結(jié)構(gòu)。逆變電路對(duì)整流、濾波后的直流電壓進(jìn)行斬波，形成電壓、頻率可調(diào)的三相交流電，供給無刷直流電機(jī)，這樣無刷直流電機(jī)就開始運(yùn)轉(zhuǎn)起來。控制電路以美國TI公司的TMS320F2407A芯片為核心，構(gòu)成全數(shù)字化控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的控制與保護(hù)等負(fù)責(zé)，系統(tǒng)的控制參數(shù)和故障信息等保存在TMS320F2407A的存儲(chǔ)器中。輔助電路由電源電路、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)與保護(hù)電路等組成。系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

無刷直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)主要由如下部分組成：（1）逆變主電路;（2）TMS320F2407A控制單元;（3）驅(qū)動(dòng)電路;（4）檢測(cè)電路;（5）保護(hù)電路

2. TMS320F2407A控制單元

（1）控制器的選擇

控制器是無刷直流電機(jī)控制器的核心，選用控制器需要考慮的是控制器要可靠，易于維護(hù)，可移植性強(qiáng)，效率高。有以下幾種：1）專用芯片;2）單片機(jī);3）數(shù)字信號(hào)處理器，其中數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）采用了不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的通用微處理器大多采用的是馮·諾依曼結(jié)構(gòu)（Von Neumann Architecture），它片內(nèi)的程序空間與數(shù)據(jù)空間共用一個(gè)公共的存儲(chǔ)空間。為了提高速度，現(xiàn)代DSP芯片內(nèi)部一般采用的是哈佛結(jié)構(gòu)（Harvard Architecture）或改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)。而哈佛結(jié)構(gòu)最大特點(diǎn)是計(jì)算機(jī)具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)空間[19]。這樣允許CPU可以同時(shí)執(zhí)行取指令和取數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)吞吐率，進(jìn)而提升了系統(tǒng)的運(yùn)算速度。流水線技術(shù)也可以幫助系統(tǒng)提高效率。硬件乘法器可以使得DSP在單周期內(nèi)就可以完成取操作數(shù)，相乘并把結(jié)果放在累加器中。除此之外，特殊的DSP指令也會(huì)大大提高系統(tǒng)的性能，DSP有著非常豐富的片內(nèi)外設(shè)。利用DSP來進(jìn)行電機(jī)控制，可以減小系統(tǒng)的成本，另外，DSP還有如下的優(yōu)勢(shì)：1）速度快; 2）存儲(chǔ)容量大;3）軟件編程靈活;由此可見，數(shù)字信號(hào)處理器比較適合作為電機(jī)控制的中央控制單元。基于以上分析，本設(shè)計(jì)中采用TI公司用于電機(jī)控制的2000系列CPU，其型號(hào)為TMS320F2407A。

（2）控制板設(shè)計(jì)

由前面分析可知，系統(tǒng)采用的控制器是TI公司的TMS320F2407A DSP芯片[19]。下面介紹DSP及其最小系統(tǒng)的外圍接口電路。主控制板結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：

DSP控制板主要由DSP芯片、外擴(kuò)存儲(chǔ)器、JTAG仿真調(diào)試接口和CPLD譯碼電路組成。下面介紹下外擴(kuò)存儲(chǔ)器電路，JTAG仿真調(diào)試接口和CPLD譯碼電路組成。TMS320F2407A內(nèi)部存儲(chǔ)容量有限，同時(shí)考慮到調(diào)試過程中可以將程序下載到片外高速SRAM中，系統(tǒng)進(jìn)行了外部RAM的擴(kuò)展，系統(tǒng)選用兩片IS61LV6416[1]，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。在DSP存儲(chǔ)器的擴(kuò)展中，需要注意的是存儲(chǔ)芯片的數(shù)據(jù)讀寫速度，因?yàn)镈SP的指令周期都很短，對(duì)于速度很慢的存儲(chǔ)器需要插入很多等待周期，以免DSP對(duì)它的讀寫發(fā)生錯(cuò)誤。

圖2 主控制板結(jié)構(gòu)框圖

3. 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

由前面的逆變主電路可知，整個(gè)系統(tǒng)的核心就是DSP產(chǎn)生6路PWM波，并且控制每個(gè)PWM的脈沖寬度和導(dǎo)通時(shí)間，PWM信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路來控制MOSFET，MOSFET是IR公司的IRF3205，這是一款電壓型控制器件，其開通電壓為12-15V，但DSP輸出的電壓高電平為3.3V，不能滿足驅(qū)動(dòng)IRF3205的要求。則需要設(shè)計(jì)一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路來把DSP的3.3V信號(hào)，轉(zhuǎn)化為15V信號(hào)，此時(shí)就考慮到用一個(gè)光電器件。由于PWM頻率為10K，則就需要選擇一個(gè)高速的光耦，一般高速光耦有HCPL4504、PC817和東芝系列的TLP250。我們選擇了日本東芝公司的TLP250，光耦TLP250是一種可直接驅(qū)動(dòng)小功率MOSFET和IGBT的功率型光耦，由日本東芝公司生產(chǎn)，其最大驅(qū)動(dòng)能力達(dá)1.5A。選用TLP250光耦既保證了功率驅(qū)動(dòng)電路與PWM脈寬調(diào)制電路的可靠隔離，又具備了直接驅(qū)動(dòng)MOSFET的能力，使驅(qū)動(dòng)電路特別簡(jiǎn)單。

圖3 下橋臂的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

三相逆變主電路中有六個(gè)MOSFET需要控制，可以分為三對(duì)開關(guān)管。V1與V2為一對(duì)管。V1與V2兩個(gè)不能同時(shí)導(dǎo)通，否則會(huì)出現(xiàn)電源與地直通情況。六個(gè)MOSFET都需要控制。其中下橋臂的三個(gè)MOSFET可以共地。采用典型的TLP250應(yīng)用電路來實(shí)現(xiàn)MOSFET的驅(qū)動(dòng)。電路圖如圖3所示：

4.保護(hù)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的保護(hù)電路分為欠壓、過流保護(hù)。欠壓保護(hù)就是檢測(cè)輸入端直流電壓 ，要是系統(tǒng)發(fā)生短路，當(dāng)采樣電壓低于設(shè)定的門限值時(shí)，DSP將PWM輸出引腳置為高阻態(tài)，封鎖PWM的信號(hào)的輸出，達(dá)到保護(hù)電路電機(jī)本體和功率管的目的。

過流保護(hù)電路是為了防止電機(jī)在過載、起動(dòng)和運(yùn)行異常時(shí)由于電流過大而對(duì)功率開關(guān)管和電機(jī)本體產(chǎn)生損害而設(shè)計(jì)的。特別是當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)的時(shí)候，此時(shí)電流非常大，DSP一定得做出相應(yīng)的動(dòng)作來保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)。

二、結(jié)語

無刷直流電機(jī)憑其自身的特點(diǎn)使其得到了越來越廣泛的應(yīng)用，特別是在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、機(jī)器人等領(lǐng)域。無刷直流電機(jī)采用電子換向，與傳統(tǒng)的直流電機(jī)相比，它提高了系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)性，同時(shí)又保持了直流電機(jī)的良好的調(diào)速控制性能。并且隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)以及DSP技術(shù)的飛速發(fā)展，使得無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)有了很高質(zhì)量的硬件平臺(tái)。本文介紹了無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)。首先介紹了整個(gè)系統(tǒng)硬件構(gòu)架。然后詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的主電路，控制電路，功率驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)與保護(hù)電路。對(duì)電路的方案選擇以及參數(shù)計(jì)算做了詳細(xì)的闡述，對(duì)DSP控制單元及并且設(shè)計(jì)了控制板的外圍電路，該設(shè)計(jì)結(jié)合算法能夠使無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)獲得更快的響應(yīng)速度，更高的穩(wěn)態(tài)精度，更好的抗干擾性能。

參考文獻(xiàn)：

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[4]Shannon，C.E.. A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits. Translations of the American Institute of Electrical Engineers，1938.

作者簡(jiǎn)介：肖青青，女，漢族，湖北省荊州市長(zhǎng)江大學(xué)文理學(xué)院，專業(yè)：機(jī)電與信息工程系。