基于TMS320F28335的直流无刷电机控制技术应用

张兵，杨浩

基于TMS320F28335的直流无刷电机控制技术应用

张兵1，杨浩2

（1.南阳农业职业学院机电工程系，河南 南阳 473000；2.洛阳职业技术学院 机电工程学院，河南 洛阳 471000）

近年来直流无刷电机以质量轻、调速范围精确和故障率低等优点被应用于汽车、工业机器人和家用电器等领域，根据电机调速特性，可分为直接转矩控制和脉宽调速控制，按照直流无刷电机导通形式可分为三三导通和两两导通，在闭环控制中，直流无刷电机控制方式有PID控制、抗扰控制、模糊控制和自适应控制等多种形式。其中，电机高性能的精确控制需要电机本体、驱动和控制器组成，常见的直流无刷电机控制芯片是由TI公司生产的TMS320F28335芯片，它具有专门的霍尔输入模块和电机换相、死区补偿等模块，参考不同的应用环境和要求，可选择适合直流无刷电机特性的控制方式。

直流无刷电机；调速；PID；异步交流电机

1 引言

直流无刷电机简称BLDCM，既具备异步交流电机运行可靠、转矩平稳、维护方便等优点，同时又具备直流有刷电机体积小、运行效率高、调速范围广和调速性能好等特点，它的出现弥补了常见电机摩擦大、寿命短和效率低等缺点，被广泛应用于汽车、家用电器、智能家居及工业生产等领 域中[1]。

直流无刷电机的高性能控制是由控制策略和控制器决定，考虑电机具有非线性、强耦合等特性[2]，运行过程中需要时刻进行换相等操作，因此选择由TI公司生产的TMS320F28335作为主控芯片，并设计直流无刷电机双闭环控制系统，实现电机调速过程具有响应时间快、无超调和鲁棒性强等优点。

2 直流无刷电机工作原理

直流无刷电机主要由电机本体、霍尔位置传感器、三相全桥逆变电路和直流电源组成[3]。其中，电机本体由定子铁芯、电枢绕组和转子构成，转子为永磁体材料，一般具有成对的磁极，电机在运行过程中，定子绕组通电产生交变磁场与转子永磁体进行交链，产生力的作用，驱动电机转子转动，霍尔位置传感器在电机运行过程中实时获取转子位置信息，控制芯片TMS320F28335根据逻辑换相表决定三项全桥逆变电路的换相，实现电机的正常运转[4]。

3 电机驱动

直流无刷电机驱动电路由三项全桥逆变电路和霍尔信号处理电路组成，它的作用是根据霍尔位置传感器输出信号进行放大、滤波处理之后传递主控芯片TMS320F28335，控制器根据逻辑换相表实施换相操作，将两路PWM信号输入驱动电路，控制桥臂中两个MOS管导通。

图1 直流电机结构运行原理图

设电机转子磁极对数为2，三相定子绕组为Y形连接，控制电路中采用DSP F28335作为主控芯片，处理位置信息进行换相操作，三项全桥逆变电路中三个桥臂上的MOS管两两导通[6]。

设在某一时刻，A、C两相导通、B相不导通，此时桥臂上VT1、VT4导通，其余MOS关断；此时电枢绕组电流从A相进入，C相流出，B相无电流；第二个时刻，A、B两导通，C相关断，此时桥臂上VT1继续保持导通，VT4关断，VT6导通，电枢电流从A相进入，B相流出，C相无电流通过；第三个时刻，A、C两相导通，B相悬空，此时桥臂上VT4继续保持导通状态，VT6关断，VT3导通；此时电流电流从B相进入，C相流出，A相无电流通过；根据此换相顺序，在一个电角度周期内换相6次，每60°电角度换相一次，每个MOS管持续导通120°电角度，因此直流无刷电机的运行被称为三相六状态运行原理[7]。

4 TMS320F28335芯片介绍

TMS320F28335是美国TI公司生产的32位处理器控制核心，由176个引脚构成，具有强大的数字信号处理功能和特殊模块，针对直流无刷电机运行具有交流换相、死区补偿等特性，因此TMS320F28335作为主控芯片控制直流无刷电机的运行具有以下特点[8]：①支持58个外设中断和中断优先级，响应外部中断请求和内部定时器等中断执行，可灵活设置中断优先级，避免直流无刷电机运行过程中多种中断相互干扰，程序执行紊乱等状态；②外设端口具有18路PWM输出，包含专门针对直流无刷电机换相操作的6路高分辨率脉宽调制模块（HRPWM）、6路霍尔位置信号捕获端口，用于测量电机正反转的2通道正交调制模块（QEP）；③控制时钟系统具有看门狗、锁相环电路和PLL调节模块，3个32位的定时器可作为不同的功能使用，通用的定时器功能为定时器0和定时器1，用于直流无刷电测速系统，定时器2用于DSP/BIOS的片上实时系统，连接到中断INTl4；④具有丰富的外部通信能力，3通道串行通信接口、2通道CAN总线模块、1个I2C主从兼容的串行总线接口模块，用于电机控制系统上位机通信或与其他设备信息交互，1个SPI模块用于片内寄存器数据传递；⑤A/D转换器分辨率为12位，具有16路转换通道和2个采样保持器，实现自由选择切换，转换速度为80 ns，同时支持多通道转换。

5 CCS开发环境介绍

使用TI公司TMS320F28335型号芯片过程中，程序的编写需要在Code Composer Studio（简称“CCS”）开发环境下实现，本系统采用C语言设计开发[5]。CCS是TI公司推出的专门针对开发DSP系列芯片的集成开发环境，具有程序编辑、下载、纠错和在线调试等功能，为直流无刷电机控制系统的软件结构设计和调试提供了有利条件，也是目前使用较为广泛的DSP开发软件之一[9]。

6 系统主程序设计

直流无刷电机双闭环抗扰调速系统由电流环和转速环实行串级控制。外环转速环、内环电流环、转速调节器的输出是电流调节器的输入，调节器均采用自抗扰控制器，电流内环可以通过控制电流使电机在运行中保持允许的最大转矩，转速外环的设定可以稳定转速并且实现转速的无静差调节，保证系统跟随给定转速[10]。直流无刷电机闭环调速系统如图2所示，其功能主要包括定时器、霍尔信号捕获CAP模块、HPWM产生模块、CAN总线、RS232串口通信等模块和系统各个变量的初始化[12]。

图2 直流无刷电机双闭环调速系统

设定转速=64 r/min，观测时间-转速曲线如图3所示。根据曲线可知直流无刷电机双闭环调速系统具有响应时间快、无超调和鲁棒性强等优点。

图3 直流无刷电机双闭环调速效果

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TM33

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.01.068

2095－6835（2021）01－0167－02

张兵（1992—），男，硕士研究生，助教，主要研究方向为机电一体化与人工智能算法。杨浩（1991—），男，硕士研究生，助教，研究方向为机电一体化。

〔编辑：张思楠〕