基于DSP的双电动机同步控制平台设计

无刷直流电动机采用电子换向装置，根据位置传感器检测到的位置信号，通过DSP(数字信号处理器)产生一定的逻辑控制PWM波形来驱动电动机，实现无刷直流电动机的平稳运转。近年来，随着工业的快速发展，对产品性能的要求也在逐年提高。对于现代某些产品，单单控制一台电动机已经不能满足需求了，需要同时控制多台电动机协调有序地工作才能满足功能需要。

设计以TI公司的TMS320F28335作为处理器，采用驱动芯片和MOSFET的形式驱动两台无刷直流电动机。在完成硬件设计的基础上，根据软件设计的不同控制方式，可以同步或者按照某一规律驱动电动机运转。

1　双电动机同步控制系统

控制对象为两台三相直流无刷电动机，额定功率为3 kW，额定转速为1 500 r/min，主要用在需要同步行走的场合，控制两台电动机同步行走。

直流无刷电动机的控制系统主要由控制部分、驱动及逆变电路部分、转子位置检测及电流采样电路构成。其中，以TMS320F28335为核心的控制部分负责控制运算、模拟采样等任务;驱动电路将控制电路输出的弱电信号进行功率放大，输出具有一定驱动能力的强电信号去控制逆变电路的开关管工作，实现将直流电逆变转换供给电动机，达到对电动机的控制目的;位置检测部分检测电动机转子信号，并送给控制部分处理;电流采样部分完成对直流电源母线电流的检测。整个系统外围器件少，减小了设计难度，采用高性能传感器检测，提高了系统的精度。

2　控制系统硬件设计

2.1　系统的电源设计

TMS320F28335不同的外设需要的电压不同，内核电压1.8 V，I/O电压3.3 V;上电次序也要求I/O电压先于内核电压，因此需要设计满足控制系统需求的电源。选用TI公司的TPS767D318作为电源芯片，将输入的5 V电压转换成3.3 V和1.8 V，作为DSP的电源输入;而无刷直流电动机的电压为24 V，相应的驱动芯片电压选用 15 V或者-15 V，这样利用DC/DC模块将5 V电压转换成 15 V或者-15 V作为驱动芯片的电源。这样，整个系统只需要供应5 V和24 V的电压就能满足需求。TPS767D318的外围电路如图1所示。

图1　TPS767D318的外围电路

DC/DC模块如图2所示。

图2　DC/DC模块

图3　驱动芯片IR2136及MOSFET管外围电路设计

2.2　驱动芯片及外围电路设计

无刷直流电动机以电子换向代替直流电动机的机械换向，以一定的规律对电动机不同的相通电来驱动电动机转动。从性能和成本的比较来看，现在比较常用的方法是三相星形全控桥电路。通过获得无刷直流电动机自身的霍尔传感器的各相位置信号，决定无刷直流电动机各个时刻各相的通断状态。DSP芯片按照设置生成一定规律的PWM波形信号，驱动芯片将DSP输出的PWM信号放大，输出具有一定驱动能力的信号控制逆变电路中的开关管工作。逆变电路由功率半导体器件MOSFET组成，输出电动机需要的控制逻辑信号驱动电动机转动。驱动芯片IR2136和MOSFET管外围电路如图3所示，其中PWM1~6是来自DSP的波形信号，A、B、C分别接到电动机的不同相。

2.3　控制系统的检测电路设计

驱动芯片IR2136输出的PWM信号控制开关管电路以一定的规律通断，从而使无刷直流电动机的不同相在不同时刻通电。为了能够在运转过程中实时地了解电动机的参数，保证电动机在正常的条件下工作，必须对电动机的运行状态进行检测。需要检测的信号有各相位置信号、电流信号、电压信号。下面针对各种需要检测的信号设计电路。

2.3.1　位置信号检测

无刷直流电动机的轴上有3个霍尔传感器，每个传感器会产生180°脉宽的输出信号来指示电动机各时刻所处的位置。3个传感器的输出信号互有120°的相位差，无刷直流电动机的位置信号如图4所示。这样在每个机械转中会产生6个上升沿或者下降沿，正好对应着6个换向时刻。利用TMS320F28335的EV模块的CAP功能(设置成双沿触发)来获得每个需要换向的边沿，从而控制电动机换向，将输出的位置信号与CAP引脚端口连接可以实现相应的功能。