基于DSP28335的多相電機(jī)控制器

宋臻 李金金 朱建光

摘要：多相永磁同步電機(jī)相比于傳統(tǒng)電機(jī)有更優(yōu)秀的性能，其冗余的特點(diǎn)使其在缺相或斷相后仍能保持運(yùn)行。該文以TMS320F28335為核心，設(shè)計(jì)了多相永磁同步電機(jī)控制器，給出了DSP最小系統(tǒng)和外圍電路的設(shè)計(jì)方法，并針對控制器設(shè)計(jì)了50W的供電電源。

關(guān)鍵詞：電機(jī)控制；DSP28335；開關(guān)電源

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）14-0251-02

Abstract：Compared with traditional motors， multi-phase permanent magnet synchronous motors have better performance， and their redundant characteristics keep them running after phase loss or phase failure. In this paper， TMS320F28335 as the core， designed a multiphase permanent magnet synchronous motor controller， given the DSP minimum system and peripheral circuit design methods， and designed for the controller 50W power supply.

Key words： motor control； DSP28335； switching power supply

近年來，伴隨著工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ谡{(diào)速系統(tǒng)可靠性的要求越來越高，同時(shí)伴隨著材料技術(shù)和電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，使得高性能的多相變頻調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為可能，其優(yōu)勢和應(yīng)用范圍都有了進(jìn)一步的提高和擴(kuò)大，尤其是在軍事應(yīng)用領(lǐng)域和重要工業(yè)領(lǐng)域，高性能多相電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性是系統(tǒng)運(yùn)行的重要保證。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，多相電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)勢越來越明顯，在軍事和民用領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，例如：航天航空、水面艦艇、潛艇、以及電動(dòng)汽車等領(lǐng)域中。TMS320F28335型數(shù)字信號處理器TI公司的一款TMS320C28X系列浮點(diǎn)DSP控制器。與以往的定點(diǎn)DSP相比，該器件的精度高，成本低， 功耗小，性能高，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)以及程序存儲量大，A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等。故本系統(tǒng)以DSP28335為核心，設(shè)計(jì)了多相永磁同步電機(jī)控制器 [1]。

1 控制器的硬件設(shè)計(jì)

TMS320F28335是TI公司近幾年研發(fā)的一款浮點(diǎn)型數(shù)字信號處理器，較以往C2000系列DSP各方面性能有很大提高[2]。它具有強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力，其次它又集成了大量外設(shè)，供控制使用，又具有微控制器的功能，以及改進(jìn)型的哈弗結(jié)構(gòu)、循環(huán)尋址和DSP的執(zhí)行速度[3]。

DSP控制系統(tǒng)包括：最小系統(tǒng)和外圍電路。最小系統(tǒng)由電源、復(fù)位、時(shí)鐘以及JTAG電路組成，外圍電路根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)。其整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.1 DSP電源電路

DSP芯片電源采用TPS767D301，它是TI公司為DSP專門設(shè)計(jì)的供電芯片，可以輸出兩路電壓：一路輸出+3.3V，一路輸出電壓可調(diào)。由于DSP28335芯片采用+3.3V和+1.9V雙電源供電，因此需要配比第二路電源，使其輸出+1.9V穩(wěn)定電壓。DSP供電原理圖如圖2所示。

1.2 PWM信號處理電路

配置DSP的I/O口， DSP可以輸出6路互補(bǔ)的PWM信號，由于DSP的I/O輸出能力有限，PWM信號極易受到外部干擾，從而影響后面控制電路，因此需要將PWM信號與外電路隔離開來，本文采用74LVX3245驅(qū)動(dòng)芯片和6N136隔離芯片，驅(qū)動(dòng)電路如下。

1.3 電流信號檢測電路

本文采用LEM-HAS50電流傳感器檢測六相永磁同步電機(jī)的每相電流，該傳感器采用霍爾效應(yīng)測量原理，一次回路和二次回路采用變壓器隔離，隔離電壓3000V，體積小易于安裝并且節(jié)省了空間，有較強(qiáng)的抗干擾能力，精度為1%，輸入電流INP=50A，輸出電壓VOUT=±4V。圖5是電流采樣原理圖，將IC1電流信號轉(zhuǎn)換為0～+3V的電壓信號輸入到DSP的ADC引腳。

DSP時(shí)鐘和復(fù)位電路

本文采用外部有源30MHz晶振，接X1和X2引腳，經(jīng)過DSP內(nèi)部分頻處理達(dá)到150MHz。系統(tǒng)復(fù)位電路采用TI公司提供的TPS3823-3.3芯片，接XRST引腳。

1.4 轉(zhuǎn)速測量電路

電機(jī)運(yùn)行需要實(shí)時(shí)測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，因此本系統(tǒng)采用OIH-48-2500P4-L6-5V編碼器。編碼器由一個(gè)中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器讀取獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D，每個(gè)正弦波相差90度相位差（相對于一個(gè)周波為360度），將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號；另每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)Z相脈沖以代表零位參考位。因?yàn)榫幋a器與電機(jī)直接相連，如果將編碼器信號直接送入DSP，那么干擾信號也將隨著進(jìn)入DSP，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此將編碼器的輸出信號通過光耦接到DSP，DSP內(nèi)部有增強(qiáng)正交編碼模塊（eQEP），在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，eQEP模塊和光電編碼器配合就可以得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置信息。該控制器實(shí)物如圖6所示。

2 開關(guān)電源設(shè)計(jì)

開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新。目前，開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。電源電路的穩(wěn)定性關(guān)系到控制電路和信號采集電路的穩(wěn)定性，因此電源電路應(yīng)具有良好的抗過壓，過流能力。

2.1 開關(guān)電源匝比計(jì)算

本文采用反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)電源，其輸入端的電壓為220VAC（±10%的波動(dòng)），輸出為兩路+24V/300mA、一路±15V/600mA和一路+5V/2A電源，故設(shè)置輸出功率50W。

開關(guān)電源采用UC3844作為電源控制芯片，根據(jù)公式[4]計(jì)算得到變壓器的匝數(shù)如下所示：

Np=75匝，Ns1=10匝，Ns2=15匝，Ns3=17匝。

2.2 開關(guān)電源RCD回路

RCD回路的主要作用是吸收反射電壓和漏電壓，保護(hù)MOSFET，當(dāng)選則高耐壓的MOSFET時(shí)可以省略。注意，RCD參數(shù)應(yīng)在調(diào)試過程中確定，計(jì)算值只是一個(gè)粗略的范圍，準(zhǔn)確值應(yīng)該在滿載情況下確定，目的是削弱尖峰電壓，使電壓波形達(dá)到近似的方波，保護(hù)MOSFET。經(jīng)過調(diào)試得R=102kΩ ，C=2.2nF。MOSFET漏極對地電壓波形如圖7所示。

3軟件流程圖

軟件在CCS（Code Composer Studio）環(huán)境下編程，CCS是一種針對TMS320系列DSP的集成開發(fā)環(huán)境，在Windows操作系統(tǒng)下采用圖形接口界面，提供有環(huán)境配置、源文件編輯、程序調(diào)試、跟蹤和分析等工具。CCS集成了代碼的編輯、編譯、鏈接和調(diào)試等諸多功能，而且支持C/C++和匯編的混合編程。主程序流程圖如圖8所示：

主程序運(yùn)行首先對系統(tǒng)內(nèi)所有硬件進(jìn)行初始化工作，接著AD對系統(tǒng)內(nèi)所有信號進(jìn)行采集。當(dāng)系統(tǒng)工作正常并且確認(rèn)啟動(dòng)的情況下，程序首先檢測編碼器信息，判斷出電機(jī)轉(zhuǎn)子位置以及轉(zhuǎn)速方向，轉(zhuǎn)速等信息，然后依次進(jìn)行速度環(huán)和電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)，PARK變換，SVPWM控制。

4 結(jié)論

綜上所述，本文以TMS320F28335為核心設(shè)計(jì)六相永磁同步電機(jī)控制器，并對其進(jìn)行改進(jìn)，使控制器在控制進(jìn)度和抗干擾方面有進(jìn)一步提升。

參考文獻(xiàn)：

[1] 熊永康，李躍忠，全麗希.基于TMS320F28335的微位移步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，2014（4）.

[2] 劉青健，潘松峰，勞匆匆.基于DSP28335永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2005（7）.

[3] 符曉，朱洪順. TMS320F2833XDSP應(yīng)用開發(fā)與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

[4] 王健強(qiáng)，等，譯.精通開關(guān)電源計(jì)算[M].北京：人民郵電出版社，2015.