基于DSP28335的无刷直流力矩电机驱动器的设计

蔡立华++于帅北

摘要：本文应用DSP28335和FPGA 设计了一种新型无刷直流电机驱动器，对硬件电路的进行分析和设计，同时对整个驱动器软件的控制流程进行介绍，经过实际应用，此新型的驱动器能够很好对无刷力矩电机的力矩输出和转速进行控制。

关键词：DSP28335 无刷直流电机

中图分类号：FP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）08-0178-02

1 引言

随着伺服控制精度的要求越来越高，无刷直流力矩电机及相关的驱动技术得到了迅速的发展，无刷力矩电机没有用于换向的电刷，所以在运转时没有电火花，对控制系统的其他弱电路部分干扰很少，同时还具有调速范围宽、低速性能好及运行平稳等特点。本文应用DSP28335及FPGA设计了一套新型的无刷电机驱动器。DSP28335具有很强的运算速度及内存资源，可应用更复杂的控制算法，提高系统的控制性能。FPGA芯片的应用使硬件的设计更加灵活、降低了硬件的成本、提高了可靠性。

2 无刷直流电机驱动器的硬件设计

2.1 无刷直流电机驱动器的原理及组成

无刷电机驱动器的主要功能是对电机转速的控制，合适的无刷电机的调速方法是保证无刷力矩电机平稳转动、满足速度控制精度的关键，无刷电机的调速方式分为调压调速和调磁调速，本文设计的驱动器采用的是PWM调压方式进行调速。无刷直流电机器模块框图如图1所示。

按功能大致可划分为以下3个部分：DSP数字控制电路、FPGA数字电路部分及功率电路部分。

*DSP数字控制电路实现驱动控制系统的速度环及电流环的运算及整个程序的流程；

*FPGA数字电路部分采用VHDL语言进行编程，实现系统的逻辑综合与处理；

*功率电路的功能主要实现了整流和逆变的功能，同时还包含PWM信号驱动隔离电路、电流采样、保护电路等功能。

2.2 DSP及FPGA数字控制电路

本驱动器选用美国TI公司的DSP 28335芯片，该芯片是目前控制领域运算速率最快的浮点型DSP芯片，具有较高的实时控制能力，另外片内具有高达256K的16位FLASH程序存储器和34K的16位SRAM，可保证存储及数据保存的需要。目前，该芯片已广泛用于伺服控制、开关电源等领域。

本驱动器选用Cyclone公司系列FPGA中的EP1C12Q240C8作为整个伺服控制器的时序和逻辑控制核心，EP1C12Q240C8提供12060个逻辑单元（LE）和173个I/O口，可以内嵌4K的RAM。

DSP 28335主要完成对整个驱动控制程序的控制，内部集成了精确的闭环控制，包括电流环、速度环及位置环的控制，应用了先进的控制算法，提高了系统的控制精度和响应速度。

FPGA主要完成了整个电路的逻辑综合控制，主要包括PWM调宽波的输出与控制，A/D等芯片的选通控制、外部按键输入信号和保护电路信号的防抖处理等功能。

2.3 主功率电路设计

从功能上，主功率电路部分分为整流稳压电路和逆变电路。电机所需要的直流电源是通过市电经过整流桥整流，并通过滤波后获得的。逆变电路采用三相全桥电路结构，电机采用120°导通方式换向。主功率电路设计重点考虑了电磁兼容性， 在驱动系统中由于存在瞬态脉冲干扰，调宽波的驱动信号和数字控制芯片容易收到干扰，会造成PWM调宽波信号上出现大量的尖峰，信号出现畸变，影响功率器件的正常导通，影响直流电机的稳速效果。在本设计中，采用了TLP431高速驱动光耦芯片和六路独立的相互隔离的辅助电源实现驱动信号的隔离，从实际测试结果看，有效的抑制了电磁干扰。

3 无刷直流电机驱动器的软件设计

驱动器的DSP软件是在CCS3.3编程环境下编写的和编译的，软件主要包括系统初始化程序和控制主程序。

3.1 初始化程序

系统初始化程序流程如图2所示。通过系统的初始化程序，设定了系统各部分的功能与时序，主要完成的功能有DSP的初始化设置、控制参数的初始化设置、中断的初始化等。

3.2 系统控制主程序

主程序的程序流程图如图3所示。系统控制主程序主要完成对电机的力矩输出控制和转速控制，主要包含光电编码器位置数据的接收、速度回路控制算法、电流环控制算法及PWM调宽波的控制输出等程序部分。光电编码器采用16位绝对式编码器，用于测量电机转子所在的位置，控制程序按照定子绕线决定开启或关闭桥路中晶体管的开启顺序，当电机运行后，程序根据给定速度控制PWM调宽波的占空比和方向。无刷电机的控制原理如图4所示。

4 结语

本文以DSP 28335和FPGA EP1C12Q240C8为核心，设计了一种新型的无刷电机驱动器，对硬件电路的原理进行了分析设计，利用DSP 28335高速的运算能力，使此控制器具有很高的控制精度，另外，采用FPGA设计硬件电路，简化了电路设计，提高了系统的可靠性，同时对系统软件程序进行了设计。本套驱动器已经应用到实际产品中，取得了满意的效果。

参考文献

[1]张琛，直流无刷电动机原理及应用，北京：机械工业出版社，2004.

[2]林平，韦鲲，张仲超.新型无刷直流电机换向转矩脉动的抑制控制方法，电机工程学报，2006，26（3）：153-158.

[3] 袁林兴.稀土永磁无刷直流鱼雷推进电机控制系统设计研究，[硕士学位论文]，西安：西北工业大学，2006.endprint

摘要：本文应用DSP28335和FPGA 设计了一种新型无刷直流电机驱动器，对硬件电路的进行分析和设计，同时对整个驱动器软件的控制流程进行介绍，经过实际应用，此新型的驱动器能够很好对无刷力矩电机的力矩输出和转速进行控制。

关键词：DSP28335 无刷直流电机

中图分类号：FP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）08-0178-02

1 引言

随着伺服控制精度的要求越来越高，无刷直流力矩电机及相关的驱动技术得到了迅速的发展，无刷力矩电机没有用于换向的电刷，所以在运转时没有电火花，对控制系统的其他弱电路部分干扰很少，同时还具有调速范围宽、低速性能好及运行平稳等特点。本文应用DSP28335及FPGA设计了一套新型的无刷电机驱动器。DSP28335具有很强的运算速度及内存资源，可应用更复杂的控制算法，提高系统的控制性能。FPGA芯片的应用使硬件的设计更加灵活、降低了硬件的成本、提高了可靠性。

2 无刷直流电机驱动器的硬件设计

2.1 无刷直流电机驱动器的原理及组成

无刷电机驱动器的主要功能是对电机转速的控制，合适的无刷电机的调速方法是保证无刷力矩电机平稳转动、满足速度控制精度的关键，无刷电机的调速方式分为调压调速和调磁调速，本文设计的驱动器采用的是PWM调压方式进行调速。无刷直流电机器模块框图如图1所示。

按功能大致可划分为以下3个部分：DSP数字控制电路、FPGA数字电路部分及功率电路部分。

*DSP数字控制电路实现驱动控制系统的速度环及电流环的运算及整个程序的流程；

*FPGA数字电路部分采用VHDL语言进行编程，实现系统的逻辑综合与处理；

*功率电路的功能主要实现了整流和逆变的功能，同时还包含PWM信号驱动隔离电路、电流采样、保护电路等功能。

2.2 DSP及FPGA数字控制电路

本驱动器选用美国TI公司的DSP 28335芯片，该芯片是目前控制领域运算速率最快的浮点型DSP芯片，具有较高的实时控制能力，另外片内具有高达256K的16位FLASH程序存储器和34K的16位SRAM，可保证存储及数据保存的需要。目前，该芯片已广泛用于伺服控制、开关电源等领域。

本驱动器选用Cyclone公司系列FPGA中的EP1C12Q240C8作为整个伺服控制器的时序和逻辑控制核心，EP1C12Q240C8提供12060个逻辑单元（LE）和173个I/O口，可以内嵌4K的RAM。

DSP 28335主要完成对整个驱动控制程序的控制，内部集成了精确的闭环控制，包括电流环、速度环及位置环的控制，应用了先进的控制算法，提高了系统的控制精度和响应速度。

FPGA主要完成了整个电路的逻辑综合控制，主要包括PWM调宽波的输出与控制，A/D等芯片的选通控制、外部按键输入信号和保护电路信号的防抖处理等功能。

2.3 主功率电路设计

从功能上，主功率电路部分分为整流稳压电路和逆变电路。电机所需要的直流电源是通过市电经过整流桥整流，并通过滤波后获得的。逆变电路采用三相全桥电路结构，电机采用120°导通方式换向。主功率电路设计重点考虑了电磁兼容性， 在驱动系统中由于存在瞬态脉冲干扰，调宽波的驱动信号和数字控制芯片容易收到干扰，会造成PWM调宽波信号上出现大量的尖峰，信号出现畸变，影响功率器件的正常导通，影响直流电机的稳速效果。在本设计中，采用了TLP431高速驱动光耦芯片和六路独立的相互隔离的辅助电源实现驱动信号的隔离，从实际测试结果看，有效的抑制了电磁干扰。

3 无刷直流电机驱动器的软件设计

驱动器的DSP软件是在CCS3.3编程环境下编写的和编译的，软件主要包括系统初始化程序和控制主程序。

3.1 初始化程序

系统初始化程序流程如图2所示。通过系统的初始化程序，设定了系统各部分的功能与时序，主要完成的功能有DSP的初始化设置、控制参数的初始化设置、中断的初始化等。

3.2 系统控制主程序

主程序的程序流程图如图3所示。系统控制主程序主要完成对电机的力矩输出控制和转速控制，主要包含光电编码器位置数据的接收、速度回路控制算法、电流环控制算法及PWM调宽波的控制输出等程序部分。光电编码器采用16位绝对式编码器，用于测量电机转子所在的位置，控制程序按照定子绕线决定开启或关闭桥路中晶体管的开启顺序，当电机运行后，程序根据给定速度控制PWM调宽波的占空比和方向。无刷电机的控制原理如图4所示。

4 结语

本文以DSP 28335和FPGA EP1C12Q240C8为核心，设计了一种新型的无刷电机驱动器，对硬件电路的原理进行了分析设计，利用DSP 28335高速的运算能力，使此控制器具有很高的控制精度，另外，采用FPGA设计硬件电路，简化了电路设计，提高了系统的可靠性，同时对系统软件程序进行了设计。本套驱动器已经应用到实际产品中，取得了满意的效果。

参考文献

[1]张琛，直流无刷电动机原理及应用，北京：机械工业出版社，2004.

[2]林平，韦鲲，张仲超.新型无刷直流电机换向转矩脉动的抑制控制方法，电机工程学报，2006，26（3）：153-158.

[3] 袁林兴.稀土永磁无刷直流鱼雷推进电机控制系统设计研究，[硕士学位论文]，西安：西北工业大学，2006.endprint

摘要：本文应用DSP28335和FPGA 设计了一种新型无刷直流电机驱动器，对硬件电路的进行分析和设计，同时对整个驱动器软件的控制流程进行介绍，经过实际应用，此新型的驱动器能够很好对无刷力矩电机的力矩输出和转速进行控制。

关键词：DSP28335 无刷直流电机

中图分类号：FP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）08-0178-02

1 引言

随着伺服控制精度的要求越来越高，无刷直流力矩电机及相关的驱动技术得到了迅速的发展，无刷力矩电机没有用于换向的电刷，所以在运转时没有电火花，对控制系统的其他弱电路部分干扰很少，同时还具有调速范围宽、低速性能好及运行平稳等特点。本文应用DSP28335及FPGA设计了一套新型的无刷电机驱动器。DSP28335具有很强的运算速度及内存资源，可应用更复杂的控制算法，提高系统的控制性能。FPGA芯片的应用使硬件的设计更加灵活、降低了硬件的成本、提高了可靠性。

2 无刷直流电机驱动器的硬件设计

2.1 无刷直流电机驱动器的原理及组成

无刷电机驱动器的主要功能是对电机转速的控制，合适的无刷电机的调速方法是保证无刷力矩电机平稳转动、满足速度控制精度的关键，无刷电机的调速方式分为调压调速和调磁调速，本文设计的驱动器采用的是PWM调压方式进行调速。无刷直流电机器模块框图如图1所示。

按功能大致可划分为以下3个部分：DSP数字控制电路、FPGA数字电路部分及功率电路部分。

*DSP数字控制电路实现驱动控制系统的速度环及电流环的运算及整个程序的流程；

*FPGA数字电路部分采用VHDL语言进行编程，实现系统的逻辑综合与处理；

*功率电路的功能主要实现了整流和逆变的功能，同时还包含PWM信号驱动隔离电路、电流采样、保护电路等功能。

2.2 DSP及FPGA数字控制电路

本驱动器选用美国TI公司的DSP 28335芯片，该芯片是目前控制领域运算速率最快的浮点型DSP芯片，具有较高的实时控制能力，另外片内具有高达256K的16位FLASH程序存储器和34K的16位SRAM，可保证存储及数据保存的需要。目前，该芯片已广泛用于伺服控制、开关电源等领域。

本驱动器选用Cyclone公司系列FPGA中的EP1C12Q240C8作为整个伺服控制器的时序和逻辑控制核心，EP1C12Q240C8提供12060个逻辑单元（LE）和173个I/O口，可以内嵌4K的RAM。

DSP 28335主要完成对整个驱动控制程序的控制，内部集成了精确的闭环控制，包括电流环、速度环及位置环的控制，应用了先进的控制算法，提高了系统的控制精度和响应速度。

FPGA主要完成了整个电路的逻辑综合控制，主要包括PWM调宽波的输出与控制，A/D等芯片的选通控制、外部按键输入信号和保护电路信号的防抖处理等功能。

2.3 主功率电路设计

从功能上，主功率电路部分分为整流稳压电路和逆变电路。电机所需要的直流电源是通过市电经过整流桥整流，并通过滤波后获得的。逆变电路采用三相全桥电路结构，电机采用120°导通方式换向。主功率电路设计重点考虑了电磁兼容性， 在驱动系统中由于存在瞬态脉冲干扰，调宽波的驱动信号和数字控制芯片容易收到干扰，会造成PWM调宽波信号上出现大量的尖峰，信号出现畸变，影响功率器件的正常导通，影响直流电机的稳速效果。在本设计中，采用了TLP431高速驱动光耦芯片和六路独立的相互隔离的辅助电源实现驱动信号的隔离，从实际测试结果看，有效的抑制了电磁干扰。

3 无刷直流电机驱动器的软件设计

驱动器的DSP软件是在CCS3.3编程环境下编写的和编译的，软件主要包括系统初始化程序和控制主程序。

3.1 初始化程序

系统初始化程序流程如图2所示。通过系统的初始化程序，设定了系统各部分的功能与时序，主要完成的功能有DSP的初始化设置、控制参数的初始化设置、中断的初始化等。

3.2 系统控制主程序

主程序的程序流程图如图3所示。系统控制主程序主要完成对电机的力矩输出控制和转速控制，主要包含光电编码器位置数据的接收、速度回路控制算法、电流环控制算法及PWM调宽波的控制输出等程序部分。光电编码器采用16位绝对式编码器，用于测量电机转子所在的位置，控制程序按照定子绕线决定开启或关闭桥路中晶体管的开启顺序，当电机运行后，程序根据给定速度控制PWM调宽波的占空比和方向。无刷电机的控制原理如图4所示。

4 结语

本文以DSP 28335和FPGA EP1C12Q240C8为核心，设计了一种新型的无刷电机驱动器，对硬件电路的原理进行了分析设计，利用DSP 28335高速的运算能力，使此控制器具有很高的控制精度，另外，采用FPGA设计硬件电路，简化了电路设计，提高了系统的可靠性，同时对系统软件程序进行了设计。本套驱动器已经应用到实际产品中，取得了满意的效果。

参考文献

[1]张琛，直流无刷电动机原理及应用，北京：机械工业出版社，2004.

[2]林平，韦鲲，张仲超.新型无刷直流电机换向转矩脉动的抑制控制方法，电机工程学报，2006，26（3）：153-158.

[3] 袁林兴.稀土永磁无刷直流鱼雷推进电机控制系统设计研究，[硕士学位论文]，西安：西北工业大学，2006.endprint