基于DSP的無刷直流電機控制系統的硬件設計

摘 要：無刷直流電機具有結構簡單、運行可靠、維護方便、動靜態特性好等優點，在工業上已得到越來越廣泛的應用。本文詳細闡述了無刷直流電機控制系統的硬件設計，以TI公司的TMS320LF2407A芯片為控制核心，設計了無刷直流電機控制電路、驅動電路、檢測電路以及保護電路。其主要優勢在于利用數字信號處理器的高速運算功能，易于實現各種高效的控制算法，達到無刷直流電機的高精度控制的目的。

關鍵詞：無刷直流電機;DSP;TMS320LF2407A

無刷直流電機的特點是結構簡單、運行可靠、維護方便。它又有傳統直流電機控制簡單、調速性能好、功率密度高、輸出轉矩大等特點。因此，無刷直流電機在工業機器人控制、數控設備、紡織、化工等工業控制領域得到了廣泛的應用。所以，對無刷直流電機及其控制方法進行系統、深入的研究有十分重要的意義。

一、無刷直流電機系統的硬件設計

1.硬件系統總體設計

系統的硬件部分主要由主電路、控制電路和輔助電路等構成，其主電路部分包括整流、濾波、逆變電路等。逆變電路是由功率開關管構成的三相橋式結構。逆變電路對整流、濾波后的直流電壓進行斬波，形成電壓、頻率可調的三相交流電，供給無刷直流電機，這樣無刷直流電機就開始運轉起來。控制電路以美國TI公司的TMS320F2407A芯片為核心，構成全數字化控制系統，對系統的控制與保護等負責，系統的控制參數和故障信息等保存在TMS320F2407A的存儲器中。輔助電路由電源電路、驅動電路、檢測與保護電路等組成。系統的硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件結構框圖

無刷直流無刷電機控制系統主要由如下部分組成：（1）逆變主電路;（2）TMS320F2407A控制單元;（3）驅動電路;（4）檢測電路;（5）保護電路

2. TMS320F2407A控制單元

（1）控制器的選擇

控制器是無刷直流電機控制器的核心，選用控制器需要考慮的是控制器要可靠，易于維護，可移植性強，效率高。有以下幾種：1）專用芯片;2）單片機;3）數字信號處理器，其中數字信號處理器（DSP）采用了不同的內部結構。傳統的通用微處理器大多采用的是馮·諾依曼結構（Von Neumann Architecture），它片內的程序空間與數據空間共用一個公共的存儲空間。為了提高速度，現代DSP芯片內部一般采用的是哈佛結構（Harvard Architecture）或改進的哈佛結構。而哈佛結構最大特點是計算機具有獨立的數據和程序存儲空間[19]。這樣允許CPU可以同時執行取指令和取數據，提高了數據吞吐率，進而提升了系統的運算速度。流水線技術也可以幫助系統提高效率。硬件乘法器可以使得DSP在單周期內就可以完成取操作數，相乘并把結果放在累加器中。除此之外，特殊的DSP指令也會大大提高系統的性能，DSP有著非常豐富的片內外設。利用DSP來進行電機控制，可以減小系統的成本，另外，DSP還有如下的優勢：1）速度快; 2）存儲容量大;3）軟件編程靈活;由此可見，數字信號處理器比較適合作為電機控制的中央控制單元。基于以上分析，本設計中采用TI公司用于電機控制的2000系列CPU，其型號為TMS320F2407A。

（2）控制板設計

由前面分析可知，系統采用的控制器是TI公司的TMS320F2407A DSP芯片[19]。下面介紹DSP及其最小系統的外圍接口電路。主控制板結構框圖如圖2所示：

DSP控制板主要由DSP芯片、外擴存儲器、JTAG仿真調試接口和CPLD譯碼電路組成。下面介紹下外擴存儲器電路，JTAG仿真調試接口和CPLD譯碼電路組成。TMS320F2407A內部存儲容量有限，同時考慮到調試過程中可以將程序下載到片外高速SRAM中，系統進行了外部RAM的擴展，系統選用兩片IS61LV6416[1]，用于存儲數據。在DSP存儲器的擴展中，需要注意的是存儲芯片的數據讀寫速度，因為DSP的指令周期都很短，對于速度很慢的存儲器需要插入很多等待周期，以免DSP對它的讀寫發生錯誤。

圖2 主控制板結構框圖

3. 驅動電路設計

由前面的逆變主電路可知，整個系統的核心就是DSP產生6路PWM波，并且控制每個PWM的脈沖寬度和導通時間，PWM信號經過驅動電路來控制MOSFET，MOSFET是IR公司的IRF3205，這是一款電壓型控制器件，其開通電壓為12-15V，但DSP輸出的電壓高電平為3.3V，不能滿足驅動IRF3205的要求。則需要設計一個電平轉換電路來把DSP的3.3V信號，轉化為15V信號，此時就考慮到用一個光電器件。由于PWM頻率為10K，則就需要選擇一個高速的光耦，一般高速光耦有HCPL4504、PC817和東芝系列的TLP250。我們選擇了日本東芝公司的TLP250，光耦TLP250是一種可直接驅動小功率MOSFET和IGBT的功率型光耦，由日本東芝公司生產，其最大驅動能力達1.5A。選用TLP250光耦既保證了功率驅動電路與PWM脈寬調制電路的可靠隔離，又具備了直接驅動MOSFET的能力，使驅動電路特別簡單。

圖3 下橋臂的MOSFET驅動電路

三相逆變主電路中有六個MOSFET需要控制，可以分為三對開關管。V1與V2為一對管。V1與V2兩個不能同時導通，否則會出現電源與地直通情況。六個MOSFET都需要控制。其中下橋臂的三個MOSFET可以共地。采用典型的TLP250應用電路來實現MOSFET的驅動。電路圖如圖3所示：

4.保護電路設計

系統的保護電路分為欠壓、過流保護。欠壓保護就是檢測輸入端直流電壓 ，要是系統發生短路，當采樣電壓低于設定的門限值時，DSP將PWM輸出引腳置為高阻態，封鎖PWM的信號的輸出，達到保護電路電機本體和功率管的目的。

過流保護電路是為了防止電機在過載、起動和運行異常時由于電流過大而對功率開關管和電機本體產生損害而設計的。特別是當電機堵轉的時候，此時電流非常大，DSP一定得做出相應的動作來保護整個系統。

二、結語

無刷直流電機憑其自身的特點使其得到了越來越廣泛的應用，特別是在電機驅動、機器人等領域。無刷直流電機采用電子換向，與傳統的直流電機相比，它提高了系統的可靠性和維護性，同時又保持了直流電機的良好的調速控制性能。并且隨著電力電子技術、計算機控制技術以及DSP技術的飛速發展，使得無刷直流電機控制系統有了很高質量的硬件平臺。本文介紹了無刷直流電機控制系統的硬件實現。首先介紹了整個系統硬件構架。然后詳細介紹了系統的主電路，控制電路，功率驅動電路、檢測與保護電路。對電路的方案選擇以及參數計算做了詳細的闡述，對DSP控制單元及并且設計了控制板的外圍電路，該設計結合算法能夠使無刷直流電機控制系統獲得更快的響應速度，更高的穩態精度，更好的抗干擾性能。

參考文獻：

[1]殷云華. 基于DSP的無刷直流電機控制系統的設計和仿真研究：[碩士論文].中北大學，2007.

[2]李文. 集成化無刷直流電機及其控制系統設計與研究：[碩士論文].武漢理工大學，2009.

[3]何錦權. 基于泛布爾代數的永磁同步電機控制策略的研究：[碩士論文].武漢理工大學，2009.

[4]Shannon，C.E.. A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits. Translations of the American Institute of Electrical Engineers，1938.

作者簡介：肖青青，女，漢族，湖北省荊州市長江大學文理學院，專業：機電與信息工程系。