基于DSP的双电动机同步控制平台设计

无刷直流电动机采用电子换向装置，根据位置传感器检测到的位置信号，通过DSP(数字信号处理器)产生一定的逻辑控制PWM波形来驱动电动机，实现无刷直流电动机的平稳运转。近年来，随着工业的快速发展，对产品性能的要求也在逐年提高。对于现代某些产品，单单控制一台电动机已经不能满足需求了，需要同时控制多台电动机协调有序地工作才能满足功能需要。

设计以TI公司的TMS320F28335作为处理器，采用驱动芯片和MOSFET的形式驱动两台无刷直流电动机。在完成硬件设计的基础上，根据软件设计的不同控制方式，可以同步或者按照某一规律驱动电动机运转。

1　双电动机同步控制系统

控制对象为两台三相直流无刷电动机，额定功率为3 kW，额定转速为1 500 r/min，主要用在需要同步行走的场合，控制两台电动机同步行走。

直流无刷电动机的控制系统主要由控制部分、驱动及逆变电路部分、转子位置检测及电流采样电路构成。其中，以TMS320F28335为核心的控制部分负责控制运算、模拟采样等任务;驱动电路将控制电路输出的弱电信号进行功率放大，输出具有一定驱动能力的强电信号去控制逆变电路的开关管工作，实现将直流电逆变转换供给电动机，达到对电动机的控制目的;位置检测部分检测电动机转子信号，并送给控制部分处理;电流采样部分完成对直流电源母线电流的检测。整个系统外围器件少，减小了设计难度，采用高性能传感器检测，提高了系统的精度。

2　控制系统硬件设计

2.1　系统的电源设计

TMS320F28335不同的外设需要的电压不同，内核电压1.8 V，I/O电压3.3 V;上电次序也要求I/O电压先于内核电压，因此需要设计满足控制系统需求的电源。选用TI公司的TPS767D318作为电源芯片，将输入的5 V电压转换成3.3 V和1.8 V，作为DSP的电源输入;而无刷直流电动机的电压为24 V，相应的驱动芯片电压选用 15 V或者-15 V，这样利用DC/DC模块将5 V电压转换成 15 V或者-15 V作为驱动芯片的电源。这样，整个系统只需要供应5 V和24 V的电压就能满足需求。TPS767D318的外围电路如图1所示。

图1　TPS767D318的外围电路

DC/DC模块如图2所示。

图2　DC/DC模块

图3　驱动芯片IR2136及MOSFET管外围电路设计

2.2　驱动芯片及外围电路设计

无刷直流电动机以电子换向代替直流电动机的机械换向，以一定的规律对电动机不同的相通电来驱动电动机转动。从性能和成本的比较来看，现在比较常用的方法是三相星形全控桥电路。通过获得无刷直流电动机自身的霍尔传感器的各相位置信号，决定无刷直流电动机各个时刻各相的通断状态。DSP芯片按照设置生成一定规律的PWM波形信号，驱动芯片将DSP输出的PWM信号放大，输出具有一定驱动能力的信号控制逆变电路中的开关管工作。逆变电路由功率半导体器件MOSFET组成，输出电动机需要的控制逻辑信号驱动电动机转动。驱动芯片IR2136和MOSFET管外围电路如图3所示，其中PWM1~6是来自DSP的波形信号，A、B、C分别接到电动机的不同相。

2.3　控制系统的检测电路设计

驱动芯片IR2136输出的PWM信号控制开关管电路以一定的规律通断，从而使无刷直流电动机的不同相在不同时刻通电。为了能够在运转过程中实时地了解电动机的参数，保证电动机在正常的条件下工作，必须对电动机的运行状态进行检测。需要检测的信号有各相位置信号、电流信号、电压信号。下面针对各种需要检测的信号设计电路。

2.3.1　位置信号检测

无刷直流电动机的轴上有3个霍尔传感器，每个传感器会产生180°脉宽的输出信号来指示电动机各时刻所处的位置。3个传感器的输出信号互有120°的相位差，无刷直流电动机的位置信号如图4所示。这样在每个机械转中会产生6个上升沿或者下降沿，正好对应着6个换向时刻。利用TMS320F28335的EV模块的CAP功能(设置成双沿触发)来获得每个需要换向的边沿，从而控制电动机换向，将输出的位置信号与CAP引脚端口连接可以实现相应的功能。

图4　无刷直流电动机的位置信号

2.3.2　电流信号检测

电动机在运转过程中每次只有两相通电(一相正向通电，另一相反向通电)，因此每次只需要控制一个电流，将电阻安放在电源对地端就可以实现电流反馈，并实时监管。电流反馈的输出经滤波放大后送到DSP的ADC端口进行处理，每个PWM周期对电流进行采样，对速度(PWM占空比)进行控制。这里选用线性隔离放大器HCNR200对输出波形进行处理，电流信号检测电路如图5所示。

图5　电流信号检测电路

2.3.3　电压信号检测

电动机在运转过程中，需要对电动机的直流母线电压进行检测，使其处在电动机的额定电压的范围内。通过DSP的A/D采样来了解电动机的过压或者欠压状态。电压信号检测电路如图6所示。

图6　电压信号检测电路

2.4　其他外围电路设计

为使整个控制系统能够运行，还需要其他外围电路的设计，比如DSP的时钟电路、复位电路、JTAG电路、RS232电路以及DSP功能口的扩展设计。在一些重要的地方还需要加上指示灯，方便对控制系统运行过程的了解。由于DSP系统的高频特性，设计时还需要考虑电磁兼容等问题，以使整个系统正常工作。

3　系统软件设计

控制系统中控制任务的最终实现是靠软件来完成的。因此，在完成硬件设计的基础上，必须对软件进行设计。应用程序的好坏直接决定整个控制系统的质量和效率。电动机控制一般是一个快速过程，要求在一定时间内完成一系列的软件处理过程。例如，对电动机被控参数(转速、电流、电压等)的反馈信号进行采样、计算和判断并作出相应的处理。为了满足系统的实时性要求，控制系统需要用中断方式对实时性强的输入、输出进行监测。软件设计充分利用TMS320F28335的中断处理能力来完成电流采样、位置捕获及PWM波形产生等任务，ADC完成电流和电压的采样，CAP完成位置信号的捕获和换向逻辑的确定。软件任务主要包括主程序和各中断子程序，其流程如图7所示。

图7　系统控制软件流程

根据控制平台软硬件设计，调试后，电动机运转较为平稳。运转时某一相的相电压如图8所示。

图8　电动机运转时的相电压图

4　结论

本文提出了一个通用的双电机控制平台的硬件设计方案，使用TI公司的TMS320F28335作为主处理芯片，加之高度集成的外围电路设计使得电路简便;使用TMS320F28335的丰富外设使系统控制性能较好;由于TMS320F28335有两个功能相同的EV模块，因此可以一个控制器同时控制两台电动机，节省了成本。在本控制平台的基础上，将控制系统与实际的控制策略相结合，可以实现不同的控制功能和方式，进而应用于不同的场合。