引言

    長(zhǎng)期以來,，電動(dòng)機(jī)作為機(jī)械能和電能的轉(zhuǎn)換裝置，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)綜合了直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn),，既具有交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠,、維護(hù)方便的特點(diǎn),，又具有直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好的優(yōu)點(diǎn),。正是這些優(yōu)點(diǎn)使得無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在當(dāng)今國(guó)民經(jīng)濟(jì)的很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)采用電子換向裝置，根據(jù)位置傳感器檢測(cè)到的位置信號(hào),，通過DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）產(chǎn)生一定的邏輯控制PWM波形來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī),，實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。近年來,，隨著工業(yè)的快速發(fā)展,，對(duì)產(chǎn)品性能的要求也在逐年提高。對(duì)于現(xiàn)代某些產(chǎn)品,，單單控制一臺(tái)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)不能滿足需求了,，需要同時(shí)控制多臺(tái)電動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)有序地工作才能滿足功能需要。

    設(shè)計(jì)以TI公司的TMS320F28335作為處理器，采用驅(qū)動(dòng)芯片和MOSFET的形式驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī),。在完成硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,，根據(jù)軟件設(shè)計(jì)的不同控制方式，可以同步或者按照某一規(guī)律驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),。

1　雙電動(dòng)機(jī)同步控制系統(tǒng)

控制對(duì)象為兩臺(tái)三相直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī),，額定功率為3 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,，主要用在需要同步行走的場(chǎng)合,，控制兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步行走。

    直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)主要由控制部分,、驅(qū)動(dòng)及逆變電路部分,、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)及電流采樣電路構(gòu)成,。其中,，以TMS320F28335為核心的控制部分負(fù)責(zé)控制運(yùn)算、模擬采樣等任務(wù),；驅(qū)動(dòng)電路將控制電路輸出的弱電信號(hào)進(jìn)行功率放大,，輸出具有一定驅(qū)動(dòng)能力的強(qiáng)電信號(hào)去控制逆變電路的開關(guān)管工作，實(shí)現(xiàn)將直流電逆變轉(zhuǎn)換供給電動(dòng)機(jī),，達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制目的,；位置檢測(cè)部分檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子信號(hào)，并送給控制部分處理,；電流采樣部分完成對(duì)直流電源母線電流的檢測(cè),。整個(gè)系統(tǒng)外圍器件少，減小了設(shè)計(jì)難度,，采用高性能傳感器檢測(cè),，提高了系統(tǒng)的精度。

2　控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1　系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)

    TMS320F28335不同的外設(shè)需要的電壓不同,，內(nèi)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(nèi)核電壓,，因此需要設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換成3.3 V和1.8 V,，作為DSP的電源輸入,；而無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電壓為24 V，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)芯片電壓選用+15 V或者-15 V,，這樣利用DC/DC模塊將5 V電壓轉(zhuǎn)換成+15 V或者-15 V作為驅(qū)動(dòng)芯片的電源,。這樣，整個(gè)系統(tǒng)只需要供應(yīng)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,。

圖1　TPS767D318的外圍電路

DC/DC模塊如圖2所示,。

圖2　DC/DC模塊


圖3　驅(qū)動(dòng)芯片IR2136及MOSFET管外圍電路設(shè)計(jì)

2.2　驅(qū)動(dòng)芯片及外圍電路設(shè)計(jì)

    無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)以電子換向代替直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向，以一定的規(guī)律對(duì)電動(dòng)機(jī)不同的相通電來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),。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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)自身的霍爾傳感器的各相位置信號(hào),，決定無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)各個(gè)時(shí)刻各相的通斷狀態(tài),。DSP芯片按照設(shè)置生成一定規(guī)律的PWM波形信號(hào)，驅(qū)動(dòng)芯片將DSP輸出的PWM信號(hào)放大,，輸出具有一定驅(qū)動(dòng)能力的信號(hào)控制逆變電路中的開關(guān)管工作,。逆變電路由功率半導(dǎo)體器件MOSFET組成，輸出電動(dòng)機(jī)需要的控制邏輯信號(hào)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),。驅(qū)動(dòng)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(hào)，A,、B,、C分別接到電動(dòng)機(jī)的不同相。

2.3　控制系統(tǒng)的檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

     驅(qū)動(dòng)芯片IR2136輸出的PWM信號(hào)控制開關(guān)管電路以一定的規(guī)律通斷,，從而使無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的不同相在不同時(shí)刻通電,。為了能夠在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中實(shí)時(shí)地了解電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，保證電動(dòng)機(jī)在正常的條件下工作,，必須對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè),。需要檢測(cè)的信號(hào)有各相位置信號(hào)、電流信號(hào),、電壓信號(hào),。下面針對(duì)各種需要檢測(cè)的信號(hào)設(shè)計(jì)電路。

2.3.1　位置信號(hào)檢測(cè)

    無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的軸上有3個(gè)霍爾傳感器,，每個(gè)傳感器會(huì)產(chǎn)生180°脈寬的輸出信號(hào)來指示電動(dòng)機(jī)各時(shí)刻所處的位置,。3個(gè)傳感器的輸出信號(hào)互有120°的相位差，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的位置信號(hào)如圖4所示,。這樣在每個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)中會(huì)產(chǎn)生6個(gè)上升沿或者下降沿,，正好對(duì)應(yīng)著6個(gè)換向時(shí)刻。利用TMS320F28335的EV模塊的CAP功能（設(shè)置成雙沿觸發(fā)）來獲得每個(gè)需要換向的邊沿,，從而控制電動(dòng)機(jī)換向,，將輸出的位置信號(hào)與CAP引腳端口連接可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

圖4　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的位置信號(hào)

2.3.2　電流信號(hào)檢測(cè)

     電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)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(gè)電流，將電阻安放在電源對(duì)地端就可以實(shí)現(xiàn)電流反饋，并實(shí)時(shí)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(jìn)行處理,，每個(gè)PWM周期對(duì)電流進(jìn)行采樣，對(duì)速度（PWM占空比）進(jìn)行控制,。這里選用線性隔離放大器HCNR200對(duì)輸出波形進(jìn)行處理,，電流信號(hào)檢測(cè)電路如圖5所示。

圖5　電流信號(hào)檢測(cè)電路

2.3.3　電壓信號(hào)檢測(cè)

   電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,，需要對(duì)電動(dòng)機(jī)的直流母線電壓進(jìn)行檢測(cè),，使其處在電動(dòng)機(jī)的額定電壓的范圍內(nèi)。通過DSP的A/D采樣來了解電動(dòng)機(jī)的過壓或者欠壓狀態(tài),。電壓信號(hào)檢測(cè)電路如圖6所示,。

圖6　電壓信號(hào)檢測(cè)電路

2.4　其他外圍電路設(shè)計(jì)

    為使整個(gè)控制系統(tǒng)能夠運(yùn)行，還需要其他外圍電路的設(shè)計(jì),，比如DSP的時(shí)鐘電路,、復(fù)位電路、JTAG電路,、RS232電路以及DSP功能口的擴(kuò)展設(shè)計(jì),。在一些重要的地方還需要加上指示燈,，方便對(duì)控制系統(tǒng)運(yùn)行過程的了解,。由于DSP系統(tǒng)的高頻特性，設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮電磁兼容等問題,，以使整個(gè)系統(tǒng)正常工作,。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)中控制任務(wù)的最終實(shí)現(xiàn)是靠軟件來完成的。因此,，在完成硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,，必須對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。應(yīng)用程序的好壞直接決定整個(gè)控制系統(tǒng)的質(zhì)量和效率,。電動(dòng)機(jī)控制一般是一個(gè)快速過程,，要求在一定時(shí)間內(nèi)完成一系列的軟件處理過程。例如,，對(duì)電動(dòng)機(jī)被控參數(shù)（轉(zhuǎn)速,、電流、電壓等）的反饋信號(hào)進(jìn)行采樣,、計(jì)算和判斷并作出相應(yīng)的處理,。為了滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，控制系統(tǒng)需要用中斷方式對(duì)實(shí)時(shí)性強(qiáng)的輸入,、輸出進(jìn)行監(jiān)測(cè),。軟件設(shè)計(jì)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(wù)，ADC完成電流和電壓的采樣,，CAP完成位置信號(hào)的捕獲和換向邏輯的確定,。軟件任務(wù)主要包括主程序和各中斷子程序，其流程如圖7所示,。

圖7　系統(tǒng)控制軟件流程

根據(jù)控制平臺(tái)軟硬件設(shè)計(jì),，調(diào)試后，電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)較為平穩(wěn),。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)某一相的相電壓如圖8所示,。

圖8　電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的相電壓圖

4　結(jié)論

    本文提出了一個(gè)通用的雙電機(jī)控制平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)使得電路簡(jiǎn)便,；使用TMS320F28335的豐富外設(shè)使系統(tǒng)控制性能較好；由于TMS320F28335有兩個(gè)功能相同的EV模塊,，因此可以一個(gè)控制器同時(shí)控制兩臺(tái)電動(dòng)機(jī),，節(jié)省了成本。在本控制平臺(tái)的基礎(chǔ)上,，將控制系統(tǒng)與實(shí)際的控制策略相結(jié)合,，可以實(shí)現(xiàn)不同的控制功能和方式，進(jìn)而應(yīng)用于不同的場(chǎng)合,。