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      基于DSP28335的多相電機(jī)控制器

      2018-07-12 09:37:50宋臻李金金朱建光
      電腦知識與技術(shù) 2018年14期
      關(guān)鍵詞:開關(guān)電源

      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.

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