無刷直流電機(jī)控制電路硬件設(shè)計(jì)

王群 康瑤

摘 要：無刷直流電機(jī)（簡(jiǎn)稱BLDCM）是近年隨著電子技術(shù)的迅速推廣運(yùn)用而發(fā)展起來的一種新型電機(jī)。在具有直流電機(jī)良好的機(jī)械特性和調(diào)速特性的同時(shí)，還具有交流異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行可靠和壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，因此在各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)主要研究無刷直流電機(jī)的控制器。以數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28035為控制核心；以DRV8301為驅(qū)動(dòng)核心，設(shè)計(jì)的無刷直流電機(jī)控制器具有體積相對(duì)較小，調(diào)速、穩(wěn)速性能較好，與計(jì)算機(jī)終端通信簡(jiǎn)便，控制比較容易等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；控制器；PID；數(shù)字信號(hào)處理器；功率驅(qū)動(dòng)；

一、硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

無刷直流電機(jī)控制器的硬件系統(tǒng)主要由DSP控制板、功率驅(qū)動(dòng)板和無刷直流電機(jī)三個(gè)部分構(gòu)成：控制板部分是以數(shù)字信號(hào)處理器DSP為核心的多個(gè)模塊組成，包括穩(wěn)壓電路、EEPROM存儲(chǔ)電路、SCI通信電路、CAP捕獲電路、AD轉(zhuǎn)換和PWM 驅(qū)動(dòng)電路。DSP控制板的主要功能是接收和處理來自功率驅(qū)動(dòng)板的信號(hào)，并通過功率驅(qū)動(dòng)板來控制電機(jī)運(yùn)行和停止；功率驅(qū)動(dòng)板由DRV8301驅(qū)動(dòng)器、傳感器接口和功率開關(guān)電路組成。功率驅(qū)動(dòng)板一端連著DSP主控制板，一端連著電機(jī)，是整個(gè)控制系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)。功率驅(qū)動(dòng)板需要接收來自 DSP主控制板的控制指令，并根據(jù)指令控制電機(jī)的狀態(tài)；同時(shí)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的工作狀態(tài)，并反饋給主控制板。

二、DSP控制板的設(shè)計(jì)

（一）DSP控制核心器

本設(shè)計(jì)控制器的主控芯片選用由TI公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的32位高效率定點(diǎn)DSP芯片TMS320F28035。作為一款數(shù)字信號(hào)處器，其數(shù)字信號(hào)處理能力強(qiáng)，還具有與單片機(jī)類似的豐富的外圍接口，以及良好的嵌入式開發(fā)能力，可以很好地滿足許多控制系統(tǒng)的需求。本設(shè)計(jì)采用TMS320F2803564引腳薄型四方扁平（TQFP）封裝。

（二）穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

TMS320F28035工作電壓為3.3V，由于控制板的輸入電壓為5V，因此需要電源忘片完成電壓的轉(zhuǎn)換。考慮到TMS320F28035對(duì)電源敏感，本設(shè)計(jì)采用電壓精度較高的線性穩(wěn)壓器AMS1117-3.3。AMS1117-3.3在1A電流下壓降僅為1.2V，精度較高，同時(shí)內(nèi)部集成了過熱保護(hù)和限流電路，可靠性高。

（三）上位機(jī)通信電路設(shè)計(jì)

串行通信口（SCI）是采用兩根信號(hào)線的異步串行通信接口。SCI模塊由發(fā)送器和接收器兩部分組成，兩者的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相似，但是彼此是可以獨(dú)立工作的，互不影響，都可以單獨(dú)配置與工作，因而可以完成數(shù)據(jù)的單工、半雙工以及全雙工的發(fā)送與接收；而且該模塊還可以設(shè)定通信的波特率、起止位、校驗(yàn)位等標(biāo)志位，操作靈活。

DSP控制板在工作開始前需要先與上位機(jī)完成通信，用于程序的下載。同時(shí)在工作過程中，為更好的觀察電機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，需要接受來自上位機(jī)的控制指令。本設(shè)計(jì)選擇FT2232HL集成芯片，并通過板上的mini-USB接口實(shí)現(xiàn)硬件仿真、程序下載、串口通信等功能。

（四）EEPROM電路設(shè)計(jì)

TMS320F28035的內(nèi)部具有64K*16位的片載閃存，但是當(dāng)程序代碼段大于其存儲(chǔ)容量，就需要外擴(kuò)存儲(chǔ)空間來保證其穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)功能，選用串行EEPROM存儲(chǔ)芯片96LC46作為外擴(kuò)存儲(chǔ)空間，上位機(jī)通信過程中的接口模式和USB描述字符也需要在外部存儲(chǔ)器中進(jìn)行配置。

（五）CAN電路設(shè)計(jì)

TMS320F28035具有一個(gè)eCAN模塊，支持CAN2.0B協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)的通信。使用SN65HVD23芯片作為CAN收發(fā)器，此外該芯片同時(shí)具有電平轉(zhuǎn)換功能，使DSP的eCAN模塊能夠和高速CAN總線之間的電平特性相符。

（六）捕獲單元

高性能的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中對(duì)轉(zhuǎn)速的精確檢測(cè)不可或缺，DSP內(nèi)部的CAP模塊當(dāng)捕獲到脈沖發(fā)生指定的電平變化時(shí)，便立即啟動(dòng)定時(shí)器記錄下電平變化的時(shí)間，從而計(jì)算得出脈沖信號(hào)的寬度，即可完成對(duì)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)。

（七）A/D轉(zhuǎn)換模塊

本設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)板的電壓和電流檢測(cè)電路輸出的電壓和電流是模擬量，因此在DSP處理前需轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。A/D轉(zhuǎn)換模塊集成于DSP TMS320F28035芯片內(nèi)部，該轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)采用流水線結(jié)構(gòu)，分辨率為個(gè)16*12位，可通過16路A/D端口完成模數(shù)轉(zhuǎn)換工作。

三、驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)

（一）驅(qū)動(dòng)器DRV8301

本設(shè)計(jì)使用TI公司的專用驅(qū)動(dòng)芯片DRV8301作為伺服系統(tǒng)的主驅(qū)動(dòng)電路，該芯片集成了多個(gè)功能模塊，在完成PWM波控制的輸出運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)柵極驅(qū)動(dòng)的同時(shí)，還擁有電流放大電路、電壓轉(zhuǎn)換電路以及各種保護(hù)電路，充分了保證無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)高效、可靠地運(yùn)行。

（二）功率開關(guān)電路

功率開關(guān)電路選用IRF1010場(chǎng)效應(yīng)管作為橋式開關(guān)器件。DRV8301芯片通過同時(shí)控制六個(gè)大功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF1010 的導(dǎo)通和斷開順序，驅(qū)動(dòng)器通過上橋臂控制信號(hào)控制對(duì)應(yīng)的三個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通或關(guān)斷，而驅(qū)動(dòng)器下橋臂控制信號(hào)控制對(duì)應(yīng)的下半橋的導(dǎo)通或關(guān)斷。通過控制功率場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通和關(guān)斷來達(dá)到電機(jī)換相和功率分配的目的。

（三）位置傳感器接口電路

系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)板為無刷直流電機(jī)提供了霍爾信號(hào)的接口，由于傳感器信號(hào)在傳輸過程極易收到干擾信號(hào)的影響，為提高位置傳感器信號(hào)的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的抗干擾能力，需采用數(shù)字隔離器件為媒介，將霍爾傳感器信號(hào)傳遞給DSP控制芯片，本設(shè)計(jì)采用TI公司的ISO7230數(shù)字隔離器件，該器件采用電容耦合技術(shù)，可以很好地抵抗外界磁場(chǎng)的干擾。

四、調(diào)試及結(jié)果

其軟件設(shè)計(jì)由主程序設(shè)計(jì)和中斷程序設(shè)計(jì)兩部分組成，利用CCS v5開發(fā)環(huán)境完成了主控制板程序的編寫，主程序的主要工作是完成系統(tǒng)初始化和外設(shè)模塊初始化。中斷服務(wù)程序由多個(gè)子程序組成，是整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心，該部分主要完成轉(zhuǎn)子位置的讀取，雙環(huán)控制算法的實(shí)現(xiàn)、電機(jī)換向等工作。經(jīng)過測(cè)試，該無刷直流電機(jī)體積相對(duì)較小，性能較好。

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作者簡(jiǎn)介：

王群，1995 年09月27日，男，漢族，河北省唐山市人；職稱：學(xué)生；單位：鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院；專業(yè)：物理電子專業(yè)；研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)

康瑤，1995 年03月14日，女，彝族，貴州省六盤水市人；職稱：學(xué)生；單位：鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院；專業(yè)：物理電子專業(yè)；研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)