DSP28335驅動控制系統設計

邵陽學院電氣工程學院 胡添貴 林 立 王智琦 王宏宇

本文介紹了DSP在無刷直流電機控制系統中的應用研究，實現電機的閉環控制，設計了上位監控系統，給出了數字化、智能化的實現方案，其成品可應用于高校實驗教學，加快了教學儀器產品的升級換代，實踐結果證明了系統的平穩性和快速性。

隨著現代教育技術在教學中的廣泛應用，在教學過程中也必然會用到新的專業技術，也會使用到各種先進的數字化教學儀器，其特征帶來了教學儀器產品的升級換代。而且數字型教學儀器設備的市場需求受到國家宏觀經濟政策，投資政策的影響大，市場需求變得更加廣泛，而我國的數字化教學儀器在國內沒有形成大規模的生產企業，產品的創新性有待提高，且企業的不良競爭拉低了產品的質量和技術含量，所以數字化教學儀器的研制與生產具有很大的市場空間。在此背景下，該項目旨在為客戶提供專業的電機驅動和電控系統解決方案，具有具有重要的理論、實踐及現實意義。

1 電驅動控制系統總體介紹

電機驅動和電控系統主要由DSP28335控制板、自主研發驅動板、直流電源、直流電機、直流電機控制器和永磁同步電機組成。該系統提供24V、12V和5V三個電壓等級的電源并分別給主電路、驅動板、DSP供電兩臺電機分別由逆變器和直流電機控制器提供三相交流電和受控可調的直流電。硬件連接示意圖如圖1所示。

圖1 硬件連接示意圖

2 電路各模塊設計及說明

2.1 控制電路及通訊設計

圖2所示為試驗箱定制電路及通訊連接圖。PMSM由逆變器提供電能驅動，設有1000線的增量式光電編碼器與電機同軸聯接，編碼器產生的六路差分信號經轉換后由TMS320F28335的eQEP外設捕獲以獲取電機的轉速和位置信息。逆變器內設有電流傳感器，采集A、B兩相電流信息，輸出0～3V模擬信號至F28335的AD外設，再由ePWM外設產生六路PWM信號控制逆變器中IGBT的導通；直流電機由單獨的控制器驅動控制。

圖2 控制電路及通訊示意圖

2.2 驅動板設計

2.2.1 PWM信號光耦隔離系統PWM控制信號為3.3V，主電路電壓等級為24V，需要進行驅動設計，如圖3所示，在接收到來自DSP的3.3VPWM控制信號后，首先使用6N137光耦模塊對信號進行隔離，防止信號受到干擾。

圖3 6N137模塊

2.2.2 PWM信號功率變換

6N137模塊從引腳6輸出5VPWM信號后，如圖4所示，該信號通過HIN輸入IR2110S模塊進行功率變換，一個IR2110S模塊可對一路PWM信號進行功率變換，之后通過HO與LO引腳輸出一路IGBT控制信號，該信號電壓等級為15V。

圖4 IR2110S模塊

2.2.3 主電路設計

主電路原理圖如圖5所示，IR2110S模塊輸出的PWM信號將直接對三路IGBT模塊進行開關控制。PWM控制信號示意圖如圖6所示，PWM信號由DSP中經算法運算后產生，并通過IO口輸出至驅動板，信號首先在驅動板上通過6N137模塊進行光耦隔離，之后再通過IR2110S模塊進行功率變換，目的是滿足IGBT模塊開關信號的電壓等級，變換后的PWM信號可直接對IGBT進行開關控制。

圖5 主電路原理圖

圖6 PWM控制信號示意圖

2.3 上位機監控界面設計

試驗箱上位機監控程序是基于MATLAB-GUI設計，基于M函數編寫的串口通訊程序，其界面如圖7所示，主要作用是對系統采集到的電流和轉速信號在線進行圖形可視化，便于分析控制系統的性能，并通過串口通訊對控制系統的一些控制參數進行在線調試，便于對控制系統進行性能優化。且界面具有離線數據保留，圖形窗口調整等基本功能。

圖7 監控界面

2.4 監控界面數據收發設計

（1）數據發送

F28335需要將電機A、B相電流及機械轉速共三組數據上傳至上位機，設計三組數據循環發送。為確保采樣數據準確性，抑制傳感器白噪聲，每組數據均采樣三次，發送結果取三次的均值。其數據發送流程如圖10所示，將三組數據排序后，先發送第一組數據，第二、三組數據分別完成第二、第一次數據采集；第二步完成第二組數據的第三次采集，將結果取均值后發送，同時進行第一、三組數據的第一、第二次數據采集；最后第三組數據第三次數據采集完成，取均值后發送，同時完成第一、第二組數據的第二、第一次采集，再循環至第一步實現三組數據的循環發送。

（2）數據接收

試驗箱中F28335需要接收的數據主要有轉速指令、加載指令和運行模式三組指令，每組指令對應不同的一個16位地址，需要F28335接收并識別指令類型再將不同的指令發送至其對應地址。

其接收流程如圖11所示，F28335接收到一組數據后，先進入效驗碼一驗證，驗證無誤后繼續驗證效驗碼二，前兩組校驗碼驗證完成后，先后接收數據低八位和高八位并將其存入臨時地址，繼而驗證校驗碼三、四，其中任一校驗碼驗證失敗DSP便將該組數據視為無效并丟棄，重新進入等待狀態；待四組校驗碼驗證完成后，根據校驗碼的不同鑒別出數據的完整性和指令的類型，最后根據指令類型的不同存入相應的地址中，完成數據的接收和驗證。

圖8 數據發送流程圖

3 設備功能及實現

本系統采用了dsp28335芯片作為直流電機控制系統的控制核心，并依據此芯片的特點以及調速原理，專門搭建了基于DSP的直流電機調速系統的實驗平臺，實現了電機的測速、調速、性能顯示顯示等功能，在原始基礎上完成了系統的硬件設計、系統的軟件設計。因為是通過DSP來控制整個電機所需的各種功能，因此，目標系統的體積可以做到相對較小，減少了外部元器件的個數，使得整個系統結構更加簡單，安全度更高，功能更強，可靠性更高。

該項目旨在為客戶提供專業的電機驅動和電控系統解決方案，其中電機驅動采用升級改造版本的驅動板，更加符合電機驅動的要求，以及增加的電源模塊，解決了產品適用范圍窄的問題，為產品增加了更多的潛在客戶；而團隊自主設計研發的電機運行狀態在線監控界面，完美解決了一些控制參數的可視化問題，且極大的提高了系統對控制策略的研發效率。

在高校自動化學院中，《現代電機控制技術》《運動控制系統》《電力電子技術》和《DSP原理及應用》等課程，傳統形式上為模擬型實驗設備，較為陳舊，略顯笨重一些，相應的實驗內容也相對較為單一，安全性能稍差一些，導致院系學科的合理發展受到了限制。因此電機驅動和電控系統的研發充分結合了實際且滿足當今的課程改革需求，符合國家未來智能化的發展趨勢，具有較大的市場前景。

圖9 數據接收流程圖