关于DSP的无刷直流电机控制系统的硬件设计

满金

摘 要：无刷直流电机具有结构简单、运行可靠、维护方便、动静态特性好等优点，在工业上已得到越来越广泛的应用。本文详细阐述了无刷直流电机控制系统的硬件设计，以TI公司的TMS320LF2407A芯片为控制核心，设计了无刷直流电机控制电路、驱动电路、检测电路以及保护电路。其主要优势在于利用数字信号处理器的高速运算功能，易于实现各种高效的控制算法，达到无刷直流电机的高精度控制的目的。

关键词：无刷直流电机;DSP;TMS320LF2407A

一、引言

无刷直流电机的特点是结构简单、运行可靠、维护方便。它又有传统直流电机控制简单、调速性能好、功率密度高、输出转矩大等特点。因此，无刷直流电机在工业机器人控制、数控设备、纺织、化工等工業控制领域得到了广泛的应用。所以，对无刷直流电机及其控制方法进行系统、深入的研究有十分重要的意义。

二、无刷直流电机系统的硬件设计

1.硬件系统总体设计。系统的硬件部分主要由主电路、控制电路和辅助电路等构成，其主电路部分包括整流、滤波、逆变电路等。逆变电路是由功率开关管构成的三相桥式结构。逆变电路对整流、滤波后的直流电压进行斩波，形成电压、频率可调的三相交流电，供给无刷直流电机，这样无刷直流电机就开始运转起来。控制电路以美国TI公司的TMS320F2407A芯片为核心，构成全数字化控制系统，对系统的控制与保护等负责，系统的控制参数和故障信息等保存在TMS320F2407A的存储器中。辅助电路由电源电路、驱动电路、检测与保护电路等组成。无刷直流无刷电机控制系统主要由如下部分组成：（1）逆变主电路;（2）TMS320F2407A控制单元;（3）驱动电路;（4）检测电路;（5）保护电路 。

2.TMS320F2407A控制单元

（1）控制器的选择。控制器是无刷直流电机控制器的核心，选用控制器需要考虑的是控制器要可靠，易于维护，可移植性强，效率高。有以下几种：1）专用芯片;2）单片机;3）数字信号处理器，其中数字信号处理器（DSP）采用了不同的内部结构。传统的通用微处理器大多采用的是冯·诺依曼结构（Von Neumann Architecture），它片内的程序空间与数据空间共用一个公共的存储空间。为了提高速度，现代DSP芯片内部一般采用的是哈佛结构（Harvard Architecture）或改进的哈佛结构。而哈佛结构最大特点是计算机具有独立的数据和程序存储空间。这样允许CPU可以同时执行取指令和取数据，提高了数据吞吐率，进而提升了系统的运算速度。流水线技术也可以帮助系统提高效率。硬件乘法器可以使得DSP在单周期内就可以完成取操作数，相乘并把结果放在累加器中。除此之外，特殊的DSP指令也会大大提高系统的性能，DSP有着非常丰富的片内外设。利用DSP来进行电机控制，可以减小系统的成本，另外，DSP还有如下的优势：1）速度快; 2）存储容量大;3）软件编程灵活;由此可见，数字信号处理器比较适合作为电机控制的中央控制单元。基于以上分析，本设计中采用TI公司用于电机控制的2000系列CPU，其型号为TMS320F2407A。

（2）控制板设计。由前面分析可知，系统采用的控制器是TI公司的TMS320F2407A DSP芯片。下面介绍DSP及其最小系统的外围接口电路。DSP控制板主要由DSP芯片、外扩存储器、JTAG仿真调试接口和CPLD译码电路组成。下面介绍下外扩存储器电路，JTAG仿真调试接口和CPLD译码电路组成。TMS320F2407A内部存储容量有限，同时考虑到调试过程中可以将程序下载到片外高速SRAM中，系统进行了外部RAM的扩展，系统选用两片IS61LV6416，用于存储数据。在DSP存储器的扩展中，需要注意的是存储芯片的数据读写速度，因为DSP的指令周期都很短，对于速度很慢的存储器需要插入很多等待周期，以免DSP对它的读写发生错误。

3.驱动电路设计。由前面的逆变主电路可知，整个系统的核心就是DSP产生6路PWM波，并且控制每个PWM的脉冲宽度和导通时间，PWM信号经过驱动电路来控制MOSFET，MOSFET是IR公司的IRF3205，这是一款电压型控制器件，其开通电压为12-15V，但DSP输出的电压高电平为3.3V，不能满足驱动IRF3205的要求。则需要设计一个电平转换电路来把DSP的3.3V信号，转化为15V信号，此时就考虑到用一个光电器件。由于PWM频率为10K，则就需要选择一个高速的光耦，一般高速光耦有HCPL4504、PC817和东芝系列的TLP250。我们选择了日本东芝公司的TLP250，光耦TLP250是一种可直接驱动小功率MOSFET和IGBT的功率型光耦，由日本东芝公司生产，其最大驱动能力达1.5A。选用TLP250光耦既保证了功率驱动电路与PWM脉宽调制电路的可靠隔离，又具备了直接驱动MOSFET的能力，使驱动电路特别简单。

图1 下桥臂的MOSFET驱动电路

三相逆变主电路中有六个MOSFET需要控制，可以分为三对开关管。V1与V2为一对管。V1与V2两个不能同时导通，否则会出现电源与地直通情况。六个MOSFET都需要控制。其中下桥臂的三个MOSFET可以共地。采用典型的TLP250应用电路来实现MOSFET的驱动。电路图如图1所示：

4.保护电路设计。系统的保护电路分为欠压、过流保护。欠压保护就是检测输入端直流电压 ，要是系统发生短路，当采样电压低于设定的门限值时，DSP将PWM输出引脚置为高阻态，封锁PWM的信号的输出，达到保护电路电机本体和功率管的目的。

过流保护电路是为了防止电机在过载、起动和运行异常时由于电流过大而对功率开关管和电机本体产生损害而设计的。特别是当电机堵转的时候，此时电流非常大，DSP一定得做出相应的动作来保护整个系统。

三、结语

无刷直流电机凭其自身的特点使其得到了越来越广泛的应用，特别是在电机驱动、机器人等领域。无刷直流电机采用电子换向，与传统的直流电机相比，它提高了系统的可靠性和维护性，同时又保持了直流电机的良好的调速控制性能。并且随着电力电子技术、计算机控制技术以及DSP技术的飞速发展，使得无刷直流电机控制系统有了很高质量的硬件平台。本文介绍了无刷直流电机控制系统的硬件实现。首先介绍了整个系统硬件构架。然后详细介绍了系统的主电路，控制电路，功率驱动电路、检测与保护电路。对电路的方案选择以及参数计算做了详细的阐述，对DSP控制单元及并且设计了控制板的外围电路，该设计结合算法能够使无刷直流电机控制系统获得更快的响应速度，更高的稳态精度，更好的抗干扰性能。

参考文献：

[1]殷云华. 基于DSP的无刷直流电机控制系统的设计和仿真研究：[硕士论文].中北大学，2007.

[2]李文. 集成化无刷直流电机及其控制系统设计与研究：[硕士论文].武汉理工大学，2009.

[3]何锦权. 基于泛布尔代数的永磁同步电机控制策略的研究：[硕士论文].武汉理工大学，2009.