基于TMS320F28335处理器的双电机同步控制系统设计

很多朋友对基于TMS320F28335处理器的双电机同步控制系统设计不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

介绍

长期以来，电动机作为机械能和电能之间的转换装置，被广泛应用于各个领域。无刷DC电机结合了DC电机和交流电机的优点，既有结构简单、运行可靠、维护方便的特点，又有DC电机效率高、调速性能好的优点。正是这些优点使得无刷DC电机广泛应用于国民经济的许多领域。

无刷DC电机采用电子换向装置。根据位置传感器检测到的位置信号，DSP(数字信号处理器)产生一定的逻辑控制PWM波形驱动电机，从而实现无刷DC电机的平稳运行。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。对于一些现代产品来说，只控制一个电机已经不够了，需要控制多个电机协调工作，才能满足功能需求。

该设计以TI公司的TMS320F28335为处理器，以驱动芯片和MOSFET的形式驱动两个无刷DC电机。在硬件设计的基础上，根据软件设计的不同控制方式，可以同步或按一定规律驱动电机。1、双电机同步控制系统的控制对象是两台额定功率为3 kW，额定转速为1 500 r/min的三相DC无刷电机。主要用于需要同步行走的场合，控制两个电机同步行走。

DC无刷电机控制系统主要由控制部分、驱动和逆变电路部分、转子位置检测和电流采样电路组成。

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微弱电流信号放大，输出具有一定驱动能力的强电信号控制逆变电路的开关管实现逆变转换并供给电机，从而达到控制电机的目的；位置检测部分检测电机转子信号，并发送给控制部分进行处理；电流采样部分完成了DC供电母线电流的检测。

整个系统外围设备少，降低了设计难度。高性能传感器用于检测和提高系统的准确性。

2、控制系统硬件设计2.1系统电源设计

TMS320F28335不同的外设需要不同的电压，内核电压1.8 V，I/O电压3.3v；上电序列还要求I/O电压先于内核电压，因此有必要设计满足控制系统要求的电源。电源芯片选用TI公司的TPS767D318，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。无刷DC电机的电压为24 V，对应的驱动芯片电压为15 V或-15 V，这样通过DC/DC模块将5 V电压转换为15 V或-15 V作为驱动芯片的电源。

这样整个系统只需要供给5 V和24 V就可以满足需求。TPS767D318的外围电路如图1所示。

图1中tps767d318的DC/DC模块的外围电路如图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DC电机用电子换向代替DC电机的机械换向，给电机不同相通电，驱动电机按一定规律旋转。从性能和成本的比较来看，常用的方法是三相星形全控桥电路。通过获取无刷DC电机本身的霍尔传感器每相的位置信号，确定无刷DC电机每一时刻每相的通断状态。

DSP芯片根据设定产生有规律的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构成，输出电机所需的控制逻辑信号，驱动电机旋转。驱动芯片IR2136和MOSFET管的外围电路如图3所示，其中PWM1~6为来自DSP的波形信号，A、B、C分别接在电机的不同相上。

2.3控制系统检测电路的设计驱动芯片IR2136输出的PWM信号按照一定的规律控制开关管电路的导通和关断，使无刷DC电机的不同相在不同的时间通电。为了实时了解电机的参数，保证电机在正常条件下工作，需要对电机的运行状态进行检测。待检测的信号包括每相的位置信号、电流信号和电压信号。以下电路是为需要检测的各种信号而设计的。

位置信号检测

无刷DC电机的轴上有三个霍尔传感器，每个传感器都会产生一个脉冲宽度为180的输出信号，随时指示电机的位置。三个传感器的输出信号有120的相位差，无刷DC电机的位置信号如图4所示。这样每次机械旋转会有六个上升沿或下降沿，正好对应六个换向时刻。

利用TMS320F28335的EV模块的CAP功能(设置为双边沿触发)获取每个需要换向的边沿，从而控制电机换向，将输出的位置信号与CAP引脚端口相连即可实现相应的功能。

图4无刷DC电机位置信号2.3.2电流信号检测

电机运行时，一次只给两相通电(一相正向通电，一相反向通电)，所以一次只需要控制一个电流，将电源端的电阻对地，就可以实现电流反馈，可以实现实时监控。电流反馈的输出经过滤波和放大后，送到DSP的ADC端口进行处理。每个PWM周期都对电流进行采样，以控制速度(PWM占空比)。这里，选择线性隔离放大器HCNR200来处理输出波形，电流信号检测电路如图5所示。

图5　电流信号检测电路

2.3.3　电压信号检测

电动机在运转过程中，需要对电动机的直流母线电压进行检测，使其处在电动机的额定电压的范围内。通过DSP的A/D采样来了解电动机的过压或者欠压状态。电压信号检测电路如图6所示。

图6　电压信号检测电路

2.4　其他外围电路设计

为使整个控制系统能够运行，还需要其他外围电路的设计，比如DSP的时钟电路、复位电路、JTAG电路、RS232电路以及DSP功能口的扩展设计。在一些重要的地方还需要加上指示灯，方便对控制系统运行过程的了解。由于DSP系统的高频特性，设计时还需要考虑电磁兼容等问题，以使整个系统正常工作。

3、系统软件设计

控制系统中控制任务的最终实现是靠软件来完成的。因此，在完成硬件设计的基础上，必须对软件进行设计。应用程序的好坏直接决定整个控制系统的质量和效率。电动机控制一般是一个快速过程，要求在一定时间内完成一系列的软件处理过程。例如，对电动机被控参数（转速、电流、电压等）的反馈信号进行采样、计算和判断并作出相应的处理。

为了满足系统的实时性要求，控制系统需要用中断方式对实时性强的输入、输出进行监测。软件设计充分利用TMS320F28335的中断处理能力来完成电流采样、位置捕获及PWM波形产生等任务，ADC完成电流和电压的采样，CAP完成位置信号的捕获和换向逻辑的确定。软件任务主要包括主程序和各中断子程序，其流程如图7所示。

图7　系统控制软件流程

根据控制平台软硬件设计，调试后，电动机运转较为平稳。运转时某一相的相电压如图8所示。

图8　电动机运转时的相电压图

4、结论

本文提出了一个通用的双电机控制平台的硬件设计方案，使用TI公司的TMS320F28335作为主处理芯片，加之高度集成的外围电路设计使得电路简便；使用TMS320F28335的丰富外设使系统控制性能较好；由于TMS320F28335有两个功能相同的EV模块，因此可以一个控制器同时控制两台电动机，节省了成本。

在本控制平台的基础上，将控制系统与实际的控制策略相结合，可以实现不同的控制功能和方式，进而应用于不同的场合。

以上知识分享希望能够帮助到大家！