基于DSP的永磁同步電機控制系統硬件設計

李 琛，潘松峰

LI Chen,PAN Song-feng

（青島大學 自動化與電氣工程學院，青島 266071）

0 引言

永磁同步電機擁有許多實用性的特點，比如它有比較小的體積、相對于其它電機有比較簡單的結構、而且還有比較高的功率因數。如今其他領域的相關技術在飛速的發展，比如電機控制技術、電力電子的相關理論、計算機的運用等的進步與發展，使得永磁同步電機在控制系統中的運用得到了更深入的發展。永磁同步電機已經應用到機器人、航空航天、數控加工等更加廣闊的領域[1,2]。

目前，在伺服驅動的研究中，永磁同步電機正逐漸的替代了步進電機與直流電機的位置，獲得了更多的使用。永磁同步電機的矢量控制系統的控制效果比其它控制系統精度更高、動態性能更好、調速范圍更大。因此，為達到更好的控制效果，數字控制的交流永磁同步電機調速系統得到了廣泛使用。

TI生產的F28335x系列DSP芯片計算能力非常強，并且配備有浮點處理的單元以及很強大的外設功能，是一類專門設計用來控制電機的處理芯片。

本文的控制單元采用的是美國T I公司的數字信號處理器TMS320F28335DSP，設計了永磁同步電機控制系統的硬件系統，可對永磁同步電機的位置、速度、加速度和輸出轉矩進行有效的控制，結構比較簡單的同時還能夠實現高精度、高可靠性的要求[3]。

1 控制系統總體硬件設計

本硬件系統中TMS320F28335DSP作為控制核心，與多種外圍擴展進行結合，組成一套功能相對完善、驅動較為簡單的PMSM驅動系統，系統的結構框圖如圖1所示。由圖1可知，本系統的硬件結構主要由以下的部分構成：DSP的主控單元、PMSM、速度與位置檢測電路、主功率部分和驅動電路、電流檢測電路以及保護電路。

圖1 硬件系統框圖

主電路由IR2106以及6支P-MOSFET管IRF540N組成的三相逆變橋構成。通過霍爾傳感器與光電編碼器獲取轉子的速度以及位置的信號。同時使用霍爾傳感器來獲取電機電流信號。電源模塊提供系統所需電壓。DSP作為控制電路的核心，對采集的永磁同步電機的信號進行處理，輸出SVPWM信號對逆變器的輸出進行控制[4,5]。

DSP選用的是TMS320F28335。這是一款TI公司設計的產品，能夠滿足各種電動機控制。單片具有非常高性能的DSP內核以及多種微控制器的外設，而且得益于其浮點運算單元，可以減少很多工作量，使控制算法的編寫更高效。

28335DSP的處理能力可以達到150MHz，帶有32位浮點處理單元，6個DMA通道支持ADC、McBSP以及EMIF。而且它的功能還在不斷的增強，來滿足電機運動控制和嵌入式系統控制的相關需求。

2 主電路

如圖2所示，主電路由橋驅動（IR2106）和6支P-MOSFET管（IRF540N）組成。

IR2106是半橋驅動集成芯片，內部集成的驅動輸出電路相互之間獨立。但是，它內部的6個驅動器的輸出阻抗比較低，如果直接使用此器件會造成此器件的迅速導通和關斷，會使此器件漏-源極之間產生震蕩，會使其受到過高的du/dt，從而使其擊穿。因此，在此次設計中在MOSFET管的柵極和IR2160的輸出之間串聯一個5Ω的電阻。因為DSP28335包含的EPWM模塊會產生PWM信號控制6個IGBT時，I/O口的驅動能力會限制此功能，所以，我們要添加驅動電路來保護PWM的驅動電路不受主回路的影響。我們使用的是6N137高速光耦合芯片，來作為信號隔離電路，此芯片的信號單向傳遞的速度是10Mbit/s，能夠滿足PWM信號傳輸的要求。

按照被控對象相關參數，逆變電路功率開關器件采用MOSFET管IRF540N。6支P-MOSFET管IRF540N組成三相橋式的逆變電路。為了解決功率管不易散熱的問題，使用壁貼的方式安裝功率管，能夠使滿足系統的電壓、電流要求，同時使系統的可靠性提高。直流母線電壓采用市電220V，此外電壓還存在一定的波動，還要加入600V/6A的整流二極管，還要考慮濾除直流脈動電壓，加入330μF/450V的濾波電容。本結構可以確保系統有充足的電壓、電流裕量，能夠使系統的可靠性得到提高[6,7]。

3 保護電路

由圖3可以看出，芯片IR2106加采樣電阻就組成了系統保護電路。過流檢測的點是ITRIP，過流故障輸出的引腳是FLT。此設計為硬件保護，能夠對問題進行迅速的響應。使用電位計是為了能夠便捷的調整此過流保護的值。當檢測到過流信號時，三相逆變器電路就會截止，同時向CPU報警，而且，一旦電路進入保護，就算采樣電流不再過流，系統也不再重新工作。只有當系統退出保護狀態之后，系統才能夠重新開始工作[8,9]。

4 電流信號檢測電路與D/A轉換電路

為方便對調試電機的過程中出現的有關中間變量進行觀測，硬件系統增加了D/A輸出電路。使用TLC5620芯片外加雙極性輸出電路作為系統的D/A轉換電路，TLC5620為串聯型的8位D/A轉換器。在控制TLC5620時，只要控制芯片的DATA，CLK，LDAC，LOAD端口即可。

圖2 主電路圖

圖3 故障信號電平轉換電路

為了精確的對PMSM進行控制，我們需要對電機三相電流進行采集，之后經過矢量變換反饋到電流調節器。使用霍爾傳感器檢測的方法，將電流的采樣電路接入到電機的定子側，因為PMSM的繞組屬于星型接法，所以三相電流對稱，即有，因此只需要檢測兩相電流即可。并且，采用電磁隔離霍爾電流傳感器CS040G來檢測電流。

使用霍爾傳感器能夠使系統動態響應加快，并且精度更高。本系統所采用的霍爾傳感器的額定輸入電流是40A，電流測量的范圍是-80A～+80A。

在電流信號中包含高頻雜波，并且考慮到負載效應，將電壓跟隨器與低通濾波器接在霍爾傳感器的輸出端。可以有效的解決相關問題帶來的影響。

5 結語

對于永磁同步電機伺服控制系統的研究，本文以TI公司生產的TMS320F28335DSP為控制核心，對其控制系統硬件電路進行了設計。主要介紹了系統主回路、保護電路、D/A轉換以及電流檢測相關電路相應的設計。本次硬件設計能夠最大程度的發揮TMS320F28335DSP控制電機運動方面的性能，具有簡單的電路結構和較高的可靠性。在已經運用此硬件系統的永磁同步電機伺服控制系統中，配合相關軟件算法，可以獲得了較好的控制效果。

圖4 電流檢測電路