基于DSP的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

李 琛，潘松峰

LI Chen,PAN Song-feng

（青島大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，青島 266071）

0 引言

永磁同步電機(jī)擁有許多實(shí)用性的特點(diǎn)，比如它有比較小的體積、相對(duì)于其它電機(jī)有比較簡單的結(jié)構(gòu)、而且還有比較高的功率因數(shù)。如今其他領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)在飛速的發(fā)展，比如電機(jī)控制技術(shù)、電力電子的相關(guān)理論、計(jì)算機(jī)的運(yùn)用等的進(jìn)步與發(fā)展，使得永磁同步電機(jī)在控制系統(tǒng)中的運(yùn)用得到了更深入的發(fā)展。永磁同步電機(jī)已經(jīng)應(yīng)用到機(jī)器人、航空航天、數(shù)控加工等更加廣闊的領(lǐng)域[1,2]。

目前，在伺服驅(qū)動(dòng)的研究中，永磁同步電機(jī)正逐漸的替代了步進(jìn)電機(jī)與直流電機(jī)的位置，獲得了更多的使用。永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)的控制效果比其它控制系統(tǒng)精度更高、動(dòng)態(tài)性能更好、調(diào)速范圍更大。因此，為達(dá)到更好的控制效果，數(shù)字控制的交流永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)得到了廣泛使用。

TI生產(chǎn)的F28335x系列DSP芯片計(jì)算能力非常強(qiáng)，并且配備有浮點(diǎn)處理的單元以及很強(qiáng)大的外設(shè)功能，是一類專門設(shè)計(jì)用來控制電機(jī)的處理芯片。

本文的控制單元采用的是美國T I公司的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335DSP，設(shè)計(jì)了永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)，可對(duì)永磁同步電機(jī)的位置、速度、加速度和輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行有效的控制，結(jié)構(gòu)比較簡單的同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高可靠性的要求[3]。

1 控制系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)

本硬件系統(tǒng)中TMS320F28335DSP作為控制核心，與多種外圍擴(kuò)展進(jìn)行結(jié)合，組成一套功能相對(duì)完善、驅(qū)動(dòng)較為簡單的PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由圖1可知，本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由以下的部分構(gòu)成：DSP的主控單元、PMSM、速度與位置檢測電路、主功率部分和驅(qū)動(dòng)電路、電流檢測電路以及保護(hù)電路。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

主電路由IR2106以及6支P-MOSFET管IRF540N組成的三相逆變橋構(gòu)成。通過霍爾傳感器與光電編碼器獲取轉(zhuǎn)子的速度以及位置的信號(hào)。同時(shí)使用霍爾傳感器來獲取電機(jī)電流信號(hào)。電源模塊提供系統(tǒng)所需電壓。DSP作為控制電路的核心，對(duì)采集的永磁同步電機(jī)的信號(hào)進(jìn)行處理，輸出SVPWM信號(hào)對(duì)逆變器的輸出進(jìn)行控制[4,5]。

DSP選用的是TMS320F28335。這是一款TI公司設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，能夠滿足各種電動(dòng)機(jī)控制。單片具有非常高性能的DSP內(nèi)核以及多種微控制器的外設(shè)，而且得益于其浮點(diǎn)運(yùn)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(dá)到150MHz，帶有32位浮點(diǎn)處理單元，6個(gè)DMA通道支持ADC、McBSP以及EMIF。而且它的功能還在不斷的增強(qiáng)，來滿足電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制和嵌入式系統(tǒng)控制的相關(guān)需求。

2 主電路

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

IR2106是半橋驅(qū)動(dòng)集成芯片，內(nèi)部集成的驅(qū)動(dòng)輸出電路相互之間獨(dú)立。但是，它內(nèi)部的6個(gè)驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗比較低，如果直接使用此器件會(huì)造成此器件的迅速導(dǎo)通和關(guān)斷，會(huì)使此器件漏-源極之間產(chǎn)生震蕩，會(huì)使其受到過高的du/dt，從而使其擊穿。因此，在此次設(shè)計(jì)中在MOSFET管的柵極和IR2160的輸出之間串聯(lián)一個(gè)5Ω的電阻。因?yàn)镈SP28335包含的EPWM模塊會(huì)產(chǎn)生PWM信號(hào)控制6個(gè)IGBT時(shí)，I/O口的驅(qū)動(dòng)能力會(huì)限制此功能，所以，我們要添加驅(qū)動(dòng)電路來保護(hù)PWM的驅(qū)動(dòng)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(hào)隔離電路，此芯片的信號(hào)單向傳遞的速度是10Mbit/s，能夠滿足PWM信號(hào)傳輸?shù)囊蟆?/p>

按照被控對(duì)象相關(guān)參數(shù)，逆變電路功率開關(guān)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?jié)M足系統(tǒng)的電壓、電流要求，同時(shí)使系統(tǒng)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(dòng)，還要加入600V/6A的整流二極管，還要考慮濾除直流脈動(dòng)電壓，加入330μF/450V的濾波電容。本結(jié)構(gòu)可以確保系統(tǒng)有充足的電壓、電流裕量，能夠使系統(tǒng)的可靠性得到提高[6,7]。

3 保護(hù)電路

由圖3可以看出，芯片IR2106加采樣電阻就組成了系統(tǒng)保護(hù)電路。過流檢測的點(diǎn)是ITRIP，過流故障輸出的引腳是FLT。此設(shè)計(jì)為硬件保護(hù)，能夠?qū)栴}進(jìn)行迅速的響應(yīng)。使用電位計(jì)是為了能夠便捷的調(diào)整此過流保護(hù)的值。當(dāng)檢測到過流信號(hào)時(shí)，三相逆變器電路就會(huì)截止，同時(shí)向CPU報(bào)警，而且，一旦電路進(jìn)入保護(hù)，就算采樣電流不再過流，系統(tǒng)也不再重新工作。只有當(dāng)系統(tǒng)退出保護(hù)狀態(tài)之后，系統(tǒng)才能夠重新開始工作[8,9]。

4 電流信號(hào)檢測電路與D/A轉(zhuǎn)換電路

為方便對(duì)調(diào)試電機(jī)的過程中出現(xiàn)的有關(guān)中間變量進(jìn)行觀測，硬件系統(tǒng)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(tǒng)的D/A轉(zhuǎn)換電路，TLC5620為串聯(lián)型的8位D/A轉(zhuǎn)換器。在控制TLC5620時(shí)，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(hào)電平轉(zhuǎn)換電路

為了精確的對(duì)PMSM進(jìn)行控制，我們需要對(duì)電機(jī)三相電流進(jìn)行采集，之后經(jīng)過矢量變換反饋到電流調(diào)節(jié)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(jī)的定子側(cè)，因?yàn)镻MSM的繞組屬于星型接法，所以三相電流對(duì)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(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快，并且精度更高。本系統(tǒng)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(hào)中包含高頻雜波，并且考慮到負(fù)載效應(yīng)，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(guān)問題帶來的影響。

5 結(jié)語

對(duì)于永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的研究，本文以TI公司生產(chǎn)的TMS320F28335DSP為控制核心，對(duì)其控制系統(tǒng)硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。主要介紹了系統(tǒng)主回路、保護(hù)電路、D/A轉(zhuǎn)換以及電流檢測相關(guān)電路相應(yīng)的設(shè)計(jì)。本次硬件設(shè)計(jì)能夠最大程度的發(fā)揮TMS320F28335DSP控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)方面的性能，具有簡單的電路結(jié)構(gòu)和較高的可靠性。在已經(jīng)運(yùn)用此硬件系統(tǒng)的永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)中，配合相關(guān)軟件算法，可以獲得了較好的控制效果。

圖4 電流檢測電路