基于DSP的雙電動(dòng)機(jī)同步控制平臺(tái)設(shè)計(jì)

引言

長期以來，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)使得無刷直流電動(dòng)機(jī)在當(dāng)今國民經(jīng)濟(jì)的很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。無刷直流電動(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(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)

控制對象為兩臺(tái)三相直流無刷電動(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合，控制兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步行走。

直流無刷電動(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)到對電動(dòng)機(jī)的控制目的;位置檢測部分檢測電動(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直流電源母線電流的檢測。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，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，必須對電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測。需要檢測的信號(hào)有各相位置信號(hào)、電流信號(hào)、電壓信號(hào)。下面針對各種需要檢測的信號(hào)設(shè)計(jì)電路。

2.3.1　位置信號(hào)檢測

無刷直流電動(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　無刷直流電動(dòng)機(jī)的位置信號(hào)

2.3.2　電流信號(hào)檢測

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周期對電流進(jìn)行采樣，對速度(PWM占空比)進(jìn)行控制。這里選用線性隔離放大器HCNR200對輸出波形進(jìn)行處理，電流信號(hào)檢測電路如圖5所示。

圖5　電流信號(hào)檢測電路

2.3.3　電壓信號(hào)檢測

電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，需要對電動(dòng)機(jī)的直流母線電壓進(jìn)行檢測，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)檢測電路如圖6所示。

圖6　電壓信號(hào)檢測電路

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)需要用中斷方式對實(shí)時(shí)性強(qiáng)的輸入、輸出進(jìn)行監(jiān)測。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)用于不同的場合。