1　雙電動(dòng)機同步控制系統

控制對象為兩臺三相直流無(wú)刷電動(dòng)機，額定功率為3 kW，額定轉速為1 500 r/min，主要用在需要同步行走的場(chǎng)合，控制兩臺電動(dòng)機同步行走。

直流無(wú)刷電動(dòng)機的控制系統主要由控制部分、驅動(dòng)及逆變電路部分、轉子位置檢測及電流采樣電路構成。其中，以TMS320F28335為核心的控制部分負責控制運算、模擬采樣等任務(wù);驅動(dòng)電路將控制電路輸出的弱電信號進(jìn)行功率放大，輸出具有一定驅動(dòng)能力的強電信號去控制逆變電路的開(kāi)關(guān)管工作，實(shí)現將直流電逆變轉換供給電動(dòng)機，達到對電動(dòng)機的控制目的;位置檢測部分檢測電動(dòng)機轉子信號，并送給控制部分處理;電流采樣部分完成對直流電源母線(xiàn)電流的檢測。整個(gè)系統外圍器件少，減小了設計難度，采用高性能傳感器檢測，提高了系統的精度。

2　控制系統硬件設計

2.1　系統的電源設計

TMS320F28335不同的外設需要的電壓不同，內核電壓1.8 V，I/O電壓3.3 V;上電次序也要求I/O電壓先于內核電壓，因此需要設計滿(mǎn)足控制系統需求的電源。選用TI公司的TPS767D318作為電源芯片，將輸入的5 V電壓轉換成3.3 V和1.8 V，作為DSP的電源輸入;而無(wú)刷直流電動(dòng)機的電壓為24 V，相應的驅動(dòng)芯片電壓選用+15 V或者-15 V，這樣利用DC/DC模塊將5 V電壓轉換成+15 V或者-15 V作為驅動(dòng)芯片的電源。這樣，整個(gè)系統只需要供應5 V和24 V的電壓就能滿(mǎn)足需求。TPS767D318的外圍電路如圖1所示。

圖1　TPS767D318的外圍電路

DC/DC模塊如圖2所示。

圖2　DC/DC模塊

2.2　驅動(dòng)芯片及外圍電路設計

無(wú)刷直流電動(dòng)機以電子換向代替直流電動(dòng)機的機械換向，以一定的規律對電動(dòng)機不同的相通電來(lái)驅動(dòng)電動(dòng)機轉動(dòng)。從性能和成本的比較來(lái)看，現在比較常用的方法是三相星形全控橋電路。通過(guò)獲得無(wú)刷直流電動(dòng)機自身的霍爾傳感器的各相位置信號，決定無(wú)刷直流電動(dòng)機各個(gè)時(shí)刻各相的通斷狀態(tài)。DSP芯片按照設置生成一定規律的PWM波形信號，驅動(dòng)芯片將DSP輸出的PWM信號放大，輸出具有一定驅動(dòng)能力的信號控制逆變電路中的開(kāi)關(guān)管工作。逆變電路由功率半導體器件MOSFET組成，輸出電動(dòng)機需要的控制邏輯信號驅動(dòng)電動(dòng)機轉動(dòng)。驅動(dòng)芯片IR2136和MOSFET管外圍電路如圖3所示，其中PWM1~6是來(lái)自 DSP的波形信號，A、B、C分別接到電動(dòng)機的不同相。

2.3　控制系統的檢測電路設計

驅動(dòng)芯片IR2136輸出的PWM信號控制開(kāi)關(guān)管電路以一定的規律通斷，從而使無(wú)刷直流電動(dòng)機的不同相在不同時(shí)刻通電。為了能夠在運轉過(guò)程中實(shí)時(shí)地了解電動(dòng)機的參數，保證電動(dòng)機在正常的條件下工作，必須對電動(dòng)機的運行狀態(tài)進(jìn)行檢測。需要檢測的信號有各相位置信號、電流信號、電壓信號。下面針對各種需要檢測的信號設計電路。

2.3.1　位置信號檢測

無(wú)刷直流電動(dòng)機的軸上有3個(gè)霍爾傳感器，每個(gè)傳感器會(huì )產(chǎn)生180°脈寬的輸出信號來(lái)指示電動(dòng)機各時(shí)刻所處的位置。3個(gè)傳感器的輸出信號互有 120°的相位差，無(wú)刷直流電動(dòng)機的位置信號如圖4所示。這樣在每個(gè)機械轉中會(huì )產(chǎn)生6個(gè)上升沿或者下降沿，正好對應著(zhù)6個(gè)換向時(shí)刻。利用 TMS320F28335的EV模塊的CAP功能(設置成雙沿觸發(fā))來(lái)獲得每個(gè)需要換向的邊沿，從而控制電動(dòng)機換向，將輸出的位置信號與CAP引腳端口連接可以實(shí)現相應的功能。

圖4　無(wú)刷直流電動(dòng)機的位置信號

2.3.2　電流信號檢測

電動(dòng)機在運轉過(guò)程中每次只有兩相通電(一相正向通電，另一相反向通電)，因此每次只需要控制一個(gè)電流，將電阻安放在電源對地端就可以實(shí)現電流反饋，并實(shí)時(shí)監管。電流反饋的輸出經(jīng)濾波放大后送到DSP的ADC端口進(jìn)行處理，每個(gè)PWM周期對電流進(jìn)行采樣，對速度(PWM占空比)進(jìn)行控制。這里選用線(xiàn)性隔離放大器HCNR200對輸出波形進(jìn)行處理，電流信號檢測電路如圖5所示。

圖5　電流信號檢測電路

2.3.3　電壓信號檢測

電動(dòng)機在運轉過(guò)程中，需要對電動(dòng)機的直流母線(xiàn)電壓進(jìn)行檢測，使其處在電動(dòng)機的額定電壓的范圍內。通過(guò)DSP的A/D采樣來(lái)了解電動(dòng)機的過(guò)壓或者欠壓狀態(tài)。電壓信號檢測電路如圖6所示。

圖6　電壓信號檢測電路

2.4　其他外圍電路設計

為使整個(gè)控制系統能夠運行，還需要其他外圍電路的設計，比如DSP的時(shí)鐘電路、復位電路、JTAG電路、RS232電路以及DSP功能口的擴展設計。在一些重要的地方還需要加上指示燈，方便對控制系統運行過(guò)程的了解。由于DSP系統的高頻特性，設計時(shí)還需要考慮電磁兼容等問(wèn)題，以使整個(gè)系統正常工作。

3　系統軟件設計

控制系統中控制任務(wù)的最終實(shí)現是靠軟件來(lái)完成的。因此，在完成硬件設計的基礎上，必須對軟件進(jìn)行設計。應用程序的好壞直接決定整個(gè)控制系統的質(zhì)量和效率。電動(dòng)機控制一般是一個(gè)快速過(guò)程，要求在一定時(shí)間內完成一系列的軟件處理過(guò)程。例如，對電動(dòng)機被控參數(轉速、電流、電壓等)的反饋信號進(jìn)行采樣、計算和判斷并作出相應的處理。為了滿(mǎn)足系統的實(shí)時(shí)性要求，控制系統需要用中斷方式對實(shí)時(shí)性強的輸入、輸出進(jìn)行監測。軟件設計充分利用 TMS320F28335的中斷處理能力來(lái)完成電流采樣、位置捕獲及PWM波形產(chǎn)生等任務(wù)，ADC完成電流和電壓的采樣，CAP完成位置信號的捕獲和換向邏輯的確定。軟件任務(wù)主要包括主程序和各中斷子程序，其流程如圖7所示。

圖7　系統控制軟件流程

根據控制平臺軟硬件設計，調試后，電動(dòng)機運轉較為平穩。運轉時(shí)某一相的相電壓如圖8所示。

圖8　電動(dòng)機運轉時(shí)的相電壓圖

4　結論

本文提出了一個(gè)通用的雙電機控制平臺的硬件設計方案，使用TI公司的TMS320F28335作為主處理芯片，加之高度集成的外圍電路設計使得電路簡(jiǎn)便;使用TMS320F28335的豐富外設使系統控制性能較好;由于TMS320F28335有兩個(gè)功能相同的EV模塊，因此可以一個(gè)控制器同時(shí)控制兩臺電動(dòng)機，節省了成本。在本控制平臺的基礎上，將控制系統與實(shí)際的控制策略相結合，可以實(shí)現不同的控制功能和方式，進(jìn)而應用于不同的場(chǎng)合。