基于TMS320F28335处理器实现驱动双电动机同步控制系统的设计

引言

长期以来，电动机作为机械能和电能的转换装置，在各个领域得到了广泛应用。无刷直流电动机综合了直流电动机和交流电动机的优点，既具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便的特点，又具有直流电动机运行效率高、调速性能好的优点。正是这些优点使得无刷直流电动机在当今国民经济的很多领域得到了广泛的应用。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。