TMS320F28335的雙電動機同步控制平臺設計

摘要：在分析無刷直流電動機數(shù)學模型的基礎上，重點闡述了雙電動機控制系統(tǒng)的硬件設計。采用TI公司的TMS320F28335為核心處理器，IR公司的IR2136為驅動芯片作為核心，構成雙電動機的控制系統(tǒng)。硬件設計包括電源設計、驅動芯片及外圍電路設計、檢測電路以及其他外圍電路設計。系統(tǒng)能同時控制兩臺無刷直流電動機，并通過軟件編程實現(xiàn)同步控制。
關鍵詞：無刷直流電動機；硬件設計；TMS320F28335；雙電動機

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(jīng)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(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波形來驅動電動機，實現(xiàn)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(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已經(jīng)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(jù)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3kW，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(xiàn)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+1 5 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。

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    DC／DC模塊如圖2所示。

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(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(shù)，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沒計電路。[!--empirenews.page--]
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(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)相應的功能。

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(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。

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。

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。
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3 系統(tǒng)軟件設計
    控制系統(tǒng)中控制任務的最終實現(xiàn)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(shù)(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(chǎn)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。

    根據(jù)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。

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(xiàn)不同的控制功能和方式，進而應用于不同的場合。