基于DSP28335的無刷直流力矩電機驅(qū)動器的設(shè)計

蔡立華++于帥北

摘要：本文應(yīng)用DSP28335和FPGA 設(shè)計了一種新型無刷直流電機驅(qū)動器，對硬件電路的進行分析和設(shè)計，同時對整個驅(qū)動器軟件的控制流程進行介紹，經(jīng)過實際應(yīng)用，此新型的驅(qū)動器能夠很好對無刷力矩電機的力矩輸出和轉(zhuǎn)速進行控制。

關(guān)鍵詞：DSP28335 無刷直流電機

中圖分類號：FP273 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0178-02

1 引言

隨著伺服控制精度的要求越來越高，無刷直流力矩電機及相關(guān)的驅(qū)動技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，無刷力矩電機沒有用于換向的電刷，所以在運轉(zhuǎn)時沒有電火花，對控制系統(tǒng)的其他弱電路部分干擾很少，同時還具有調(diào)速范圍寬、低速性能好及運行平穩(wěn)等特點。本文應(yīng)用DSP28335及FPGA設(shè)計了一套新型的無刷電機驅(qū)動器。DSP28335具有很強的運算速度及內(nèi)存資源，可應(yīng)用更復(fù)雜的控制算法，提高系統(tǒng)的控制性能。FPGA芯片的應(yīng)用使硬件的設(shè)計更加靈活、降低了硬件的成本、提高了可靠性。

2 無刷直流電機驅(qū)動器的硬件設(shè)計

2.1 無刷直流電機驅(qū)動器的原理及組成

無刷電機驅(qū)動器的主要功能是對電機轉(zhuǎn)速的控制，合適的無刷電機的調(diào)速方法是保證無刷力矩電機平穩(wěn)轉(zhuǎn)動、滿足速度控制精度的關(guān)鍵，無刷電機的調(diào)速方式分為調(diào)壓調(diào)速和調(diào)磁調(diào)速，本文設(shè)計的驅(qū)動器采用的是PWM調(diào)壓方式進行調(diào)速。無刷直流電機器模塊框圖如圖1所示。

按功能大致可劃分為以下3個部分：DSP數(shù)字控制電路、FPGA數(shù)字電路部分及功率電路部分。

*DSP數(shù)字控制電路實現(xiàn)驅(qū)動控制系統(tǒng)的速度環(huán)及電流環(huán)的運算及整個程序的流程；

*FPGA數(shù)字電路部分采用VHDL語言進行編程，實現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯綜合與處理；

*功率電路的功能主要實現(xiàn)了整流和逆變的功能，同時還包含PWM信號驅(qū)動隔離電路、電流采樣、保護電路等功能。

2.2 DSP及FPGA數(shù)字控制電路

本驅(qū)動器選用美國TI公司的DSP 28335芯片，該芯片是目前控制領(lǐng)域運算速率最快的浮點型DSP芯片，具有較高的實時控制能力，另外片內(nèi)具有高達256K的16位FLASH程序存儲器和34K的16位SRAM，可保證存儲及數(shù)據(jù)保存的需要。目前，該芯片已廣泛用于伺服控制、開關(guān)電源等領(lǐng)域。

本驅(qū)動器選用Cyclone公司系列FPGA中的EP1C12Q240C8作為整個伺服控制器的時序和邏輯控制核心，EP1C12Q240C8提供12060個邏輯單元（LE）和173個I/O口，可以內(nèi)嵌4K的RAM。

DSP 28335主要完成對整個驅(qū)動控制程序的控制，內(nèi)部集成了精確的閉環(huán)控制，包括電流環(huán)、速度環(huán)及位置環(huán)的控制，應(yīng)用了先進的控制算法，提高了系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度。

FPGA主要完成了整個電路的邏輯綜合控制，主要包括PWM調(diào)寬波的輸出與控制，A/D等芯片的選通控制、外部按鍵輸入信號和保護電路信號的防抖處理等功能。

2.3 主功率電路設(shè)計

從功能上，主功率電路部分分為整流穩(wěn)壓電路和逆變電路。電機所需要的直流電源是通過市電經(jīng)過整流橋整流，并通過濾波后獲得的。逆變電路采用三相全橋電路結(jié)構(gòu)，電機采用120°導(dǎo)通方式換向。主功率電路設(shè)計重點考慮了電磁兼容性， 在驅(qū)動系統(tǒng)中由于存在瞬態(tài)脈沖干擾，調(diào)寬波的驅(qū)動信號和數(shù)字控制芯片容易收到干擾，會造成PWM調(diào)寬波信號上出現(xiàn)大量的尖峰，信號出現(xiàn)畸變，影響功率器件的正常導(dǎo)通，影響直流電機的穩(wěn)速效果。在本設(shè)計中，采用了TLP431高速驅(qū)動光耦芯片和六路獨立的相互隔離的輔助電源實現(xiàn)驅(qū)動信號的隔離，從實際測試結(jié)果看，有效的抑制了電磁干擾。

3 無刷直流電機驅(qū)動器的軟件設(shè)計

驅(qū)動器的DSP軟件是在CCS3.3編程環(huán)境下編寫的和編譯的，軟件主要包括系統(tǒng)初始化程序和控制主程序。

3.1 初始化程序

系統(tǒng)初始化程序流程如圖2所示。通過系統(tǒng)的初始化程序，設(shè)定了系統(tǒng)各部分的功能與時序，主要完成的功能有DSP的初始化設(shè)置、控制參數(shù)的初始化設(shè)置、中斷的初始化等。

3.2 系統(tǒng)控制主程序

主程序的程序流程圖如圖3所示。系統(tǒng)控制主程序主要完成對電機的力矩輸出控制和轉(zhuǎn)速控制，主要包含光電編碼器位置數(shù)據(jù)的接收、速度回路控制算法、電流環(huán)控制算法及PWM調(diào)寬波的控制輸出等程序部分。光電編碼器采用16位絕對式編碼器，用于測量電機轉(zhuǎn)子所在的位置，控制程序按照定子繞線決定開啟或關(guān)閉橋路中晶體管的開啟順序，當(dāng)電機運行后，程序根據(jù)給定速度控制PWM調(diào)寬波的占空比和方向。無刷電機的控制原理如圖4所示。

4 結(jié)語

本文以DSP 28335和FPGA EP1C12Q240C8為核心，設(shè)計了一種新型的無刷電機驅(qū)動器，對硬件電路的原理進行了分析設(shè)計，利用DSP 28335高速的運算能力，使此控制器具有很高的控制精度，另外，采用FPGA設(shè)計硬件電路，簡化了電路設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可靠性，同時對系統(tǒng)軟件程序進行了設(shè)計。本套驅(qū)動器已經(jīng)應(yīng)用到實際產(chǎn)品中，取得了滿意的效果。

參考文獻

[1]張琛，直流無刷電動機原理及應(yīng)用，北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[2]林平，韋鯤，張仲超.新型無刷直流電機換向轉(zhuǎn)矩脈動的抑制控制方法，電機工程學(xué)報，2006，26（3）：153-158.

[3] 袁林興.稀土永磁無刷直流魚雷推進電機控制系統(tǒng)設(shè)計研究，[碩士學(xué)位論文]，西安：西北工業(yè)大學(xué)，2006.endprint

摘要：本文應(yīng)用DSP28335和FPGA 設(shè)計了一種新型無刷直流電機驅(qū)動器，對硬件電路的進行分析和設(shè)計，同時對整個驅(qū)動器軟件的控制流程進行介紹，經(jīng)過實際應(yīng)用，此新型的驅(qū)動器能夠很好對無刷力矩電機的力矩輸出和轉(zhuǎn)速進行控制。

關(guān)鍵詞：DSP28335 無刷直流電機

中圖分類號：FP273 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0178-02

1 引言

隨著伺服控制精度的要求越來越高，無刷直流力矩電機及相關(guān)的驅(qū)動技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，無刷力矩電機沒有用于換向的電刷，所以在運轉(zhuǎn)時沒有電火花，對控制系統(tǒng)的其他弱電路部分干擾很少，同時還具有調(diào)速范圍寬、低速性能好及運行平穩(wěn)等特點。本文應(yīng)用DSP28335及FPGA設(shè)計了一套新型的無刷電機驅(qū)動器。DSP28335具有很強的運算速度及內(nèi)存資源，可應(yīng)用更復(fù)雜的控制算法，提高系統(tǒng)的控制性能。FPGA芯片的應(yīng)用使硬件的設(shè)計更加靈活、降低了硬件的成本、提高了可靠性。

2 無刷直流電機驅(qū)動器的硬件設(shè)計

2.1 無刷直流電機驅(qū)動器的原理及組成

無刷電機驅(qū)動器的主要功能是對電機轉(zhuǎn)速的控制，合適的無刷電機的調(diào)速方法是保證無刷力矩電機平穩(wěn)轉(zhuǎn)動、滿足速度控制精度的關(guān)鍵，無刷電機的調(diào)速方式分為調(diào)壓調(diào)速和調(diào)磁調(diào)速，本文設(shè)計的驅(qū)動器采用的是PWM調(diào)壓方式進行調(diào)速。無刷直流電機器模塊框圖如圖1所示。

按功能大致可劃分為以下3個部分：DSP數(shù)字控制電路、FPGA數(shù)字電路部分及功率電路部分。

*DSP數(shù)字控制電路實現(xiàn)驅(qū)動控制系統(tǒng)的速度環(huán)及電流環(huán)的運算及整個程序的流程；

*FPGA數(shù)字電路部分采用VHDL語言進行編程，實現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯綜合與處理；

*功率電路的功能主要實現(xiàn)了整流和逆變的功能，同時還包含PWM信號驅(qū)動隔離電路、電流采樣、保護電路等功能。

2.2 DSP及FPGA數(shù)字控制電路

本驅(qū)動器選用美國TI公司的DSP 28335芯片，該芯片是目前控制領(lǐng)域運算速率最快的浮點型DSP芯片，具有較高的實時控制能力，另外片內(nèi)具有高達256K的16位FLASH程序存儲器和34K的16位SRAM，可保證存儲及數(shù)據(jù)保存的需要。目前，該芯片已廣泛用于伺服控制、開關(guān)電源等領(lǐng)域。

本驅(qū)動器選用Cyclone公司系列FPGA中的EP1C12Q240C8作為整個伺服控制器的時序和邏輯控制核心，EP1C12Q240C8提供12060個邏輯單元（LE）和173個I/O口，可以內(nèi)嵌4K的RAM。

DSP 28335主要完成對整個驅(qū)動控制程序的控制，內(nèi)部集成了精確的閉環(huán)控制，包括電流環(huán)、速度環(huán)及位置環(huán)的控制，應(yīng)用了先進的控制算法，提高了系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度。

FPGA主要完成了整個電路的邏輯綜合控制，主要包括PWM調(diào)寬波的輸出與控制，A/D等芯片的選通控制、外部按鍵輸入信號和保護電路信號的防抖處理等功能。

2.3 主功率電路設(shè)計

從功能上，主功率電路部分分為整流穩(wěn)壓電路和逆變電路。電機所需要的直流電源是通過市電經(jīng)過整流橋整流，并通過濾波后獲得的。逆變電路采用三相全橋電路結(jié)構(gòu)，電機采用120°導(dǎo)通方式換向。主功率電路設(shè)計重點考慮了電磁兼容性， 在驅(qū)動系統(tǒng)中由于存在瞬態(tài)脈沖干擾，調(diào)寬波的驅(qū)動信號和數(shù)字控制芯片容易收到干擾，會造成PWM調(diào)寬波信號上出現(xiàn)大量的尖峰，信號出現(xiàn)畸變，影響功率器件的正常導(dǎo)通，影響直流電機的穩(wěn)速效果。在本設(shè)計中，采用了TLP431高速驅(qū)動光耦芯片和六路獨立的相互隔離的輔助電源實現(xiàn)驅(qū)動信號的隔離，從實際測試結(jié)果看，有效的抑制了電磁干擾。

3 無刷直流電機驅(qū)動器的軟件設(shè)計

驅(qū)動器的DSP軟件是在CCS3.3編程環(huán)境下編寫的和編譯的，軟件主要包括系統(tǒng)初始化程序和控制主程序。

3.1 初始化程序

系統(tǒng)初始化程序流程如圖2所示。通過系統(tǒng)的初始化程序，設(shè)定了系統(tǒng)各部分的功能與時序，主要完成的功能有DSP的初始化設(shè)置、控制參數(shù)的初始化設(shè)置、中斷的初始化等。

3.2 系統(tǒng)控制主程序

主程序的程序流程圖如圖3所示。系統(tǒng)控制主程序主要完成對電機的力矩輸出控制和轉(zhuǎn)速控制，主要包含光電編碼器位置數(shù)據(jù)的接收、速度回路控制算法、電流環(huán)控制算法及PWM調(diào)寬波的控制輸出等程序部分。光電編碼器采用16位絕對式編碼器，用于測量電機轉(zhuǎn)子所在的位置，控制程序按照定子繞線決定開啟或關(guān)閉橋路中晶體管的開啟順序，當(dāng)電機運行后，程序根據(jù)給定速度控制PWM調(diào)寬波的占空比和方向。無刷電機的控制原理如圖4所示。

4 結(jié)語

本文以DSP 28335和FPGA EP1C12Q240C8為核心，設(shè)計了一種新型的無刷電機驅(qū)動器，對硬件電路的原理進行了分析設(shè)計，利用DSP 28335高速的運算能力，使此控制器具有很高的控制精度，另外，采用FPGA設(shè)計硬件電路，簡化了電路設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可靠性，同時對系統(tǒng)軟件程序進行了設(shè)計。本套驅(qū)動器已經(jīng)應(yīng)用到實際產(chǎn)品中，取得了滿意的效果。

參考文獻

[1]張琛，直流無刷電動機原理及應(yīng)用，北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[2]林平，韋鯤，張仲超.新型無刷直流電機換向轉(zhuǎn)矩脈動的抑制控制方法，電機工程學(xué)報，2006，26（3）：153-158.

[3] 袁林興.稀土永磁無刷直流魚雷推進電機控制系統(tǒng)設(shè)計研究，[碩士學(xué)位論文]，西安：西北工業(yè)大學(xué)，2006.endprint

摘要：本文應(yīng)用DSP28335和FPGA 設(shè)計了一種新型無刷直流電機驅(qū)動器，對硬件電路的進行分析和設(shè)計，同時對整個驅(qū)動器軟件的控制流程進行介紹，經(jīng)過實際應(yīng)用，此新型的驅(qū)動器能夠很好對無刷力矩電機的力矩輸出和轉(zhuǎn)速進行控制。

關(guān)鍵詞：DSP28335 無刷直流電機

中圖分類號：FP273 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0178-02

1 引言

隨著伺服控制精度的要求越來越高，無刷直流力矩電機及相關(guān)的驅(qū)動技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，無刷力矩電機沒有用于換向的電刷，所以在運轉(zhuǎn)時沒有電火花，對控制系統(tǒng)的其他弱電路部分干擾很少，同時還具有調(diào)速范圍寬、低速性能好及運行平穩(wěn)等特點。本文應(yīng)用DSP28335及FPGA設(shè)計了一套新型的無刷電機驅(qū)動器。DSP28335具有很強的運算速度及內(nèi)存資源，可應(yīng)用更復(fù)雜的控制算法，提高系統(tǒng)的控制性能。FPGA芯片的應(yīng)用使硬件的設(shè)計更加靈活、降低了硬件的成本、提高了可靠性。

2 無刷直流電機驅(qū)動器的硬件設(shè)計

2.1 無刷直流電機驅(qū)動器的原理及組成

無刷電機驅(qū)動器的主要功能是對電機轉(zhuǎn)速的控制，合適的無刷電機的調(diào)速方法是保證無刷力矩電機平穩(wěn)轉(zhuǎn)動、滿足速度控制精度的關(guān)鍵，無刷電機的調(diào)速方式分為調(diào)壓調(diào)速和調(diào)磁調(diào)速，本文設(shè)計的驅(qū)動器采用的是PWM調(diào)壓方式進行調(diào)速。無刷直流電機器模塊框圖如圖1所示。

按功能大致可劃分為以下3個部分：DSP數(shù)字控制電路、FPGA數(shù)字電路部分及功率電路部分。

*DSP數(shù)字控制電路實現(xiàn)驅(qū)動控制系統(tǒng)的速度環(huán)及電流環(huán)的運算及整個程序的流程；

*FPGA數(shù)字電路部分采用VHDL語言進行編程，實現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯綜合與處理；

*功率電路的功能主要實現(xiàn)了整流和逆變的功能，同時還包含PWM信號驅(qū)動隔離電路、電流采樣、保護電路等功能。

2.2 DSP及FPGA數(shù)字控制電路

本驅(qū)動器選用美國TI公司的DSP 28335芯片，該芯片是目前控制領(lǐng)域運算速率最快的浮點型DSP芯片，具有較高的實時控制能力，另外片內(nèi)具有高達256K的16位FLASH程序存儲器和34K的16位SRAM，可保證存儲及數(shù)據(jù)保存的需要。目前，該芯片已廣泛用于伺服控制、開關(guān)電源等領(lǐng)域。

本驅(qū)動器選用Cyclone公司系列FPGA中的EP1C12Q240C8作為整個伺服控制器的時序和邏輯控制核心，EP1C12Q240C8提供12060個邏輯單元（LE）和173個I/O口，可以內(nèi)嵌4K的RAM。

DSP 28335主要完成對整個驅(qū)動控制程序的控制，內(nèi)部集成了精確的閉環(huán)控制，包括電流環(huán)、速度環(huán)及位置環(huán)的控制，應(yīng)用了先進的控制算法，提高了系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度。

FPGA主要完成了整個電路的邏輯綜合控制，主要包括PWM調(diào)寬波的輸出與控制，A/D等芯片的選通控制、外部按鍵輸入信號和保護電路信號的防抖處理等功能。

2.3 主功率電路設(shè)計

從功能上，主功率電路部分分為整流穩(wěn)壓電路和逆變電路。電機所需要的直流電源是通過市電經(jīng)過整流橋整流，并通過濾波后獲得的。逆變電路采用三相全橋電路結(jié)構(gòu)，電機采用120°導(dǎo)通方式換向。主功率電路設(shè)計重點考慮了電磁兼容性， 在驅(qū)動系統(tǒng)中由于存在瞬態(tài)脈沖干擾，調(diào)寬波的驅(qū)動信號和數(shù)字控制芯片容易收到干擾，會造成PWM調(diào)寬波信號上出現(xiàn)大量的尖峰，信號出現(xiàn)畸變，影響功率器件的正常導(dǎo)通，影響直流電機的穩(wěn)速效果。在本設(shè)計中，采用了TLP431高速驅(qū)動光耦芯片和六路獨立的相互隔離的輔助電源實現(xiàn)驅(qū)動信號的隔離，從實際測試結(jié)果看，有效的抑制了電磁干擾。

3 無刷直流電機驅(qū)動器的軟件設(shè)計

驅(qū)動器的DSP軟件是在CCS3.3編程環(huán)境下編寫的和編譯的，軟件主要包括系統(tǒng)初始化程序和控制主程序。

3.1 初始化程序

系統(tǒng)初始化程序流程如圖2所示。通過系統(tǒng)的初始化程序，設(shè)定了系統(tǒng)各部分的功能與時序，主要完成的功能有DSP的初始化設(shè)置、控制參數(shù)的初始化設(shè)置、中斷的初始化等。

3.2 系統(tǒng)控制主程序

主程序的程序流程圖如圖3所示。系統(tǒng)控制主程序主要完成對電機的力矩輸出控制和轉(zhuǎn)速控制，主要包含光電編碼器位置數(shù)據(jù)的接收、速度回路控制算法、電流環(huán)控制算法及PWM調(diào)寬波的控制輸出等程序部分。光電編碼器采用16位絕對式編碼器，用于測量電機轉(zhuǎn)子所在的位置，控制程序按照定子繞線決定開啟或關(guān)閉橋路中晶體管的開啟順序，當(dāng)電機運行后，程序根據(jù)給定速度控制PWM調(diào)寬波的占空比和方向。無刷電機的控制原理如圖4所示。

4 結(jié)語

本文以DSP 28335和FPGA EP1C12Q240C8為核心，設(shè)計了一種新型的無刷電機驅(qū)動器，對硬件電路的原理進行了分析設(shè)計，利用DSP 28335高速的運算能力，使此控制器具有很高的控制精度，另外，采用FPGA設(shè)計硬件電路，簡化了電路設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可靠性，同時對系統(tǒng)軟件程序進行了設(shè)計。本套驅(qū)動器已經(jīng)應(yīng)用到實際產(chǎn)品中，取得了滿意的效果。

參考文獻

[1]張琛，直流無刷電動機原理及應(yīng)用，北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[2]林平，韋鯤，張仲超.新型無刷直流電機換向轉(zhuǎn)矩脈動的抑制控制方法，電機工程學(xué)報，2006，26（3）：153-158.

[3] 袁林興.稀土永磁無刷直流魚雷推進電機控制系統(tǒng)設(shè)計研究，[碩士學(xué)位論文]，西安：西北工業(yè)大學(xué)，2006.endprint