王群 康瑤

摘 要：無刷直流電機（簡稱BLDCM）是近年隨著電子技術的迅速推廣運用而發(fā)展起來的一種新型電機。在具有直流電機良好的機械特性和調速特性的同時，還具有交流異步電動機的運行可靠和壽命長的優(yōu)點，因此在各個領域中得到了廣泛應用。本設計主要研究無刷直流電機的控制器。以數(shù)字信號處理器TMS320F28035為控制核心；以DRV8301為驅動核心，設計的無刷直流電機控制器具有體積相對較小，調速、穩(wěn)速性能較好，與計算機終端通信簡便，控制比較容易等優(yōu)點。

關鍵詞：無刷直流電機；控制器；PID；數(shù)字信號處理器；功率驅動；

一、硬件系統(tǒng)總體設計

無刷直流電機控制器的硬件系統(tǒng)主要由DSP控制板、功率驅動板和無刷直流電機三個部分構成：控制板部分是以數(shù)字信號處理器DSP為核心的多個模塊組成，包括穩(wěn)壓電路、EEPROM存儲電路、SCI通信電路、CAP捕獲電路、AD轉換和PWM 驅動電路。DSP控制板的主要功能是接收和處理來自功率驅動板的信號，并通過功率驅動板來控制電機運行和停止；功率驅動板由DRV8301驅動器、傳感器接口和功率開關電路組成。功率驅動板一端連著DSP主控制板，一端連著電機，是整個控制系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)。功率驅動板需要接收來自 DSP主控制板的控制指令，并根據(jù)指令控制電機的狀態(tài)；同時需要實時監(jiān)測電機的工作狀態(tài)，并反饋給主控制板。

二、DSP控制板的設計

（一）DSP控制核心器

本設計控制器的主控芯片選用由TI公司設計生產的32位高效率定點DSP芯片TMS320F28035。作為一款數(shù)字信號處器，其數(shù)字信號處理能力強，還具有與單片機類似的豐富的外圍接口，以及良好的嵌入式開發(fā)能力，可以很好地滿足許多控制系統(tǒng)的需求。本設計采用TMS320F2803564引腳薄型四方扁平（TQFP）封裝。

（二）穩(wěn)壓電路設計

TMS320F28035工作電壓為3.3V，由于控制板的輸入電壓為5V，因此需要電源忘片完成電壓的轉換?？紤]到TMS320F28035對電源敏感，本設計采用電壓精度較高的線性穩(wěn)壓器AMS1117-3.3。AMS1117-3.3在1A電流下壓降僅為1.2V，精度較高，同時內部集成了過熱保護和限流電路，可靠性高。

（三）上位機通信電路設計

串行通信口（SCI）是采用兩根信號線的異步串行通信接口。SCI模塊由發(fā)送器和接收器兩部分組成，兩者的內部結構相似，但是彼此是可以獨立工作的，互不影響，都可以單獨配置與工作，因而可以完成數(shù)據(jù)的單工、半雙工以及全雙工的發(fā)送與接收；而且該模塊還可以設定通信的波特率、起止位、校驗位等標志位，操作靈活。

DSP控制板在工作開始前需要先與上位機完成通信，用于程序的下載。同時在工作過程中，為更好的觀察電機實時運行參數(shù)，需要接受來自上位機的控制指令。本設計選擇FT2232HL集成芯片，并通過板上的mini-USB接口實現(xiàn)硬件仿真、程序下載、串口通信等功能。

（四）EEPROM電路設計

TMS320F28035的內部具有64K*16位的片載閃存，但是當程序代碼段大于其存儲容量，就需要外擴存儲空間來保證其穩(wěn)定的實現(xiàn)功能，選用串行EEPROM存儲芯片96LC46作為外擴存儲空間，上位機通信過程中的接口模式和USB描述字符也需要在外部存儲器中進行配置。

（五）CAN電路設計

TMS320F28035具有一個eCAN模塊，支持CAN2.0B協(xié)議，可實現(xiàn)CAN網(wǎng)絡的通信。使用SN65HVD23芯片作為CAN收發(fā)器，此外該芯片同時具有電平轉換功能，使DSP的eCAN模塊能夠和高速CAN總線之間的電平特性相符。

（六）捕獲單元

高性能的無刷直流電機控制系統(tǒng)中對轉速的精確檢測不可或缺，DSP內部的CAP模塊當捕獲到脈沖發(fā)生指定的電平變化時，便立即啟動定時器記錄下電平變化的時間，從而計算得出脈沖信號的寬度，即可完成對轉子位置的檢測。

（七）A/D轉換模塊

本設計中驅動板的電壓和電流檢測電路輸出的電壓和電流是模擬量，因此在DSP處理前需轉換成數(shù)字量。A/D轉換模塊集成于DSP TMS320F28035芯片內部，該轉換器結構采用流水線結構，分辨率為個16*12位，可通過16路A/D端口完成模數(shù)轉換工作。

三、驅動板設計

（一）驅動器DRV8301

本設計使用TI公司的專用驅動芯片DRV8301作為伺服系統(tǒng)的主驅動電路，該芯片集成了多個功能模塊，在完成PWM波控制的輸出運算，實現(xiàn)柵極驅動的同時，還擁有電流放大電路、電壓轉換電路以及各種保護電路，充分了保證無刷直流電機控制系統(tǒng)高效、可靠地運行。

（二）功率開關電路

功率開關電路選用IRF1010場效應管作為橋式開關器件。DRV8301芯片通過同時控制六個大功率場效應管IRF1010 的導通和斷開順序，驅動器通過上橋臂控制信號控制對應的三個開關管的導通或關斷，而驅動器下橋臂控制信號控制對應的下半橋的導通或關斷。通過控制功率場效應管的導通和關斷來達到電機換相和功率分配的目的。

（三）位置傳感器接口電路

系統(tǒng)驅動板為無刷直流電機提供了霍爾信號的接口，由于傳感器信號在傳輸過程極易收到干擾信號的影響，為提高位置傳感器信號的準確性和系統(tǒng)的抗干擾能力，需采用數(shù)字隔離器件為媒介，將霍爾傳感器信號傳遞給DSP控制芯片，本設計采用TI公司的ISO7230數(shù)字隔離器件，該器件采用電容耦合技術，可以很好地抵抗外界磁場的干擾。

四、調試及結果

其軟件設計由主程序設計和中斷程序設計兩部分組成，利用CCS v5開發(fā)環(huán)境完成了主控制板程序的編寫，主程序的主要工作是完成系統(tǒng)初始化和外設模塊初始化。中斷服務程序由多個子程序組成，是整個軟件系統(tǒng)的核心，該部分主要完成轉子位置的讀取，雙環(huán)控制算法的實現(xiàn)、電機換向等工作。經過測試，該無刷直流電機體積相對較小，性能較好。

參考文獻：

[1] 徐方建.一種電動車無刷直流電機控制電路的研究設計[D].工業(yè)控制計算機.2014.

[2] 金博.無刷直流電機專用控制集成電路MC33035的原理及應用[D]民營科技.2008.

[3] 張震.無刷直流電機轉速伺服系統(tǒng)動態(tài)面控制[D].2017.

作者簡介：

王群，1995 年09月27日，男，漢族，河北省唐山市人；職稱：學生；單位：鄭州大學物理工程學院；專業(yè)：物理電子專業(yè)；研究方向：單片機

康瑤，1995 年03月14日，女，彝族，貴州省六盤水市人；職稱：學生；單位：鄭州大學物理工程學院；專業(yè)：物理電子專業(yè)；研究方向：單片機