邵陽學(xué)院電氣工程學(xué)院 胡添貴 林 立 王智琦 王宏宇

本文介紹了DSP在無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制，設(shè)計(jì)了上位監(jiān)控系統(tǒng)，給出了數(shù)字化、智能化的實(shí)現(xiàn)方案，其成品可應(yīng)用于高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)，加快了教學(xué)儀器產(chǎn)品的升級換代，實(shí)踐結(jié)果證明了系統(tǒng)的平穩(wěn)性和快速性。

隨著現(xiàn)代教育技術(shù)在教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，在教學(xué)過程中也必然會用到新的專業(yè)技術(shù)，也會使用到各種先進(jìn)的數(shù)字化教學(xué)儀器，其特征帶來了教學(xué)儀器產(chǎn)品的升級換代。而且數(shù)字型教學(xué)儀器設(shè)備的市場需求受到國家宏觀經(jīng)濟(jì)政策，投資政策的影響大，市場需求變得更加廣泛，而我國的數(shù)字化教學(xué)儀器在國內(nèi)沒有形成大規(guī)模的生產(chǎn)企業(yè)，產(chǎn)品的創(chuàng)新性有待提高，且企業(yè)的不良競爭拉低了產(chǎn)品的質(zhì)量和技術(shù)含量，所以數(shù)字化教學(xué)儀器的研制與生產(chǎn)具有很大的市場空間。在此背景下，該項(xiàng)目旨在為客戶提供專業(yè)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電控系統(tǒng)解決方案，具有具有重要的理論、實(shí)踐及現(xiàn)實(shí)意義。

1 電驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)總體介紹

電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電控系統(tǒng)主要由DSP28335控制板、自主研發(fā)驅(qū)動(dòng)板、直流電源、直流電機(jī)、直流電機(jī)控制器和永磁同步電機(jī)組成。該系統(tǒng)提供24V、12V和5V三個(gè)電壓等級的電源并分別給主電路、驅(qū)動(dòng)板、DSP供電兩臺電機(jī)分別由逆變器和直流電機(jī)控制器提供三相交流電和受控可調(diào)的直流電。硬件連接示意圖如圖1所示。

圖1 硬件連接示意圖

2 電路各模塊設(shè)計(jì)及說明

2.1 控制電路及通訊設(shè)計(jì)

圖2所示為試驗(yàn)箱定制電路及通訊連接圖。PMSM由逆變器提供電能驅(qū)動(dòng)，設(shè)有1000線的增量式光電編碼器與電機(jī)同軸聯(lián)接，編碼器產(chǎn)生的六路差分信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后由TMS320F28335的eQEP外設(shè)捕獲以獲取電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置信息。逆變器內(nèi)設(shè)有電流傳感器，采集A、B兩相電流信息，輸出0～3V模擬信號至F28335的AD外設(shè)，再由ePWM外設(shè)產(chǎn)生六路PWM信號控制逆變器中IGBT的導(dǎo)通；直流電機(jī)由單獨(dú)的控制器驅(qū)動(dòng)控制。

圖2 控制電路及通訊示意圖

2.2 驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)

2.2.1 PWM信號光耦隔離系統(tǒng)PWM控制信號為3.3V，主電路電壓等級為24V，需要進(jìn)行驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，如圖3所示，在接收到來自DSP的3.3VPWM控制信號后，首先使用6N137光耦模塊對信號進(jìn)行隔離，防止信號受到干擾。

圖3 6N137模塊

2.2.2 PWM信號功率變換

6N137模塊從引腳6輸出5VPWM信號后，如圖4所示，該信號通過HIN輸入IR2110S模塊進(jìn)行功率變換，一個(gè)IR2110S模塊可對一路PWM信號進(jìn)行功率變換，之后通過HO與LO引腳輸出一路IGBT控制信號，該信號電壓等級為15V。

圖4 IR2110S模塊

2.2.3 主電路設(shè)計(jì)

主電路原理圖如圖5所示，IR2110S模塊輸出的PWM信號將直接對三路IGBT模塊進(jìn)行開關(guān)控制。PWM控制信號示意圖如圖6所示，PWM信號由DSP中經(jīng)算法運(yùn)算后產(chǎn)生，并通過IO口輸出至驅(qū)動(dòng)板，信號首先在驅(qū)動(dòng)板上通過6N137模塊進(jìn)行光耦隔離，之后再通過IR2110S模塊進(jìn)行功率變換，目的是滿足IGBT模塊開關(guān)信號的電壓等級，變換后的PWM信號可直接對IGBT進(jìn)行開關(guān)控制。

圖5 主電路原理圖

圖6 PWM控制信號示意圖

2.3 上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

試驗(yàn)箱上位機(jī)監(jiān)控程序是基于MATLAB-GUI設(shè)計(jì)，基于M函數(shù)編寫的串口通訊程序，其界面如圖7所示，主要作用是對系統(tǒng)采集到的電流和轉(zhuǎn)速信號在線進(jìn)行圖形可視化，便于分析控制系統(tǒng)的性能，并通過串口通訊對控制系統(tǒng)的一些控制參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)試，便于對控制系統(tǒng)進(jìn)行性能優(yōu)化。且界面具有離線數(shù)據(jù)保留，圖形窗口調(diào)整等基本功能。

圖7 監(jiān)控界面

2.4 監(jiān)控界面數(shù)據(jù)收發(fā)設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)發(fā)送

F28335需要將電機(jī)A、B相電流及機(jī)械轉(zhuǎn)速共三組數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，設(shè)計(jì)三組數(shù)據(jù)循環(huán)發(fā)送。為確保采樣數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，抑制傳感器白噪聲，每組數(shù)據(jù)均采樣三次，發(fā)送結(jié)果取三次的均值。其數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖10所示，將三組數(shù)據(jù)排序后，先發(fā)送第一組數(shù)據(jù)，第二、三組數(shù)據(jù)分別完成第二、第一次數(shù)據(jù)采集；第二步完成第二組數(shù)據(jù)的第三次采集，將結(jié)果取均值后發(fā)送，同時(shí)進(jìn)行第一、三組數(shù)據(jù)的第一、第二次數(shù)據(jù)采集；最后第三組數(shù)據(jù)第三次數(shù)據(jù)采集完成，取均值后發(fā)送，同時(shí)完成第一、第二組數(shù)據(jù)的第二、第一次采集，再循環(huán)至第一步實(shí)現(xiàn)三組數(shù)據(jù)的循環(huán)發(fā)送。

（2）數(shù)據(jù)接收

試驗(yàn)箱中F28335需要接收的數(shù)據(jù)主要有轉(zhuǎn)速指令、加載指令和運(yùn)行模式三組指令，每組指令對應(yīng)不同的一個(gè)16位地址，需要F28335接收并識別指令類型再將不同的指令發(fā)送至其對應(yīng)地址。

其接收流程如圖11所示，F(xiàn)28335接收到一組數(shù)據(jù)后，先進(jìn)入效驗(yàn)碼一驗(yàn)證，驗(yàn)證無誤后繼續(xù)驗(yàn)證效驗(yàn)碼二，前兩組校驗(yàn)碼驗(yàn)證完成后，先后接收數(shù)據(jù)低八位和高八位并將其存入臨時(shí)地址，繼而驗(yàn)證校驗(yàn)碼三、四，其中任一校驗(yàn)碼驗(yàn)證失敗DSP便將該組數(shù)據(jù)視為無效并丟棄，重新進(jìn)入等待狀態(tài)；待四組校驗(yàn)碼驗(yàn)證完成后，根據(jù)校驗(yàn)碼的不同鑒別出數(shù)據(jù)的完整性和指令的類型，最后根據(jù)指令類型的不同存入相應(yīng)的地址中，完成數(shù)據(jù)的接收和驗(yàn)證。

圖8 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

3 設(shè)備功能及實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用了dsp28335芯片作為直流電機(jī)控制系統(tǒng)的控制核心，并依據(jù)此芯片的特點(diǎn)以及調(diào)速原理，專門搭建了基于DSP的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的測速、調(diào)速、性能顯示顯示等功能，在原始基礎(chǔ)上完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。因?yàn)槭峭ㄟ^DSP來控制整個(gè)電機(jī)所需的各種功能，因此，目標(biāo)系統(tǒng)的體積可以做到相對較小，減少了外部元器件的個(gè)數(shù)，使得整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單，安全度更高，功能更強(qiáng)，可靠性更高。

該項(xiàng)目旨在為客戶提供專業(yè)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電控系統(tǒng)解決方案，其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用升級改造版本的驅(qū)動(dòng)板，更加符合電機(jī)驅(qū)動(dòng)的要求，以及增加的電源模塊，解決了產(chǎn)品適用范圍窄的問題，為產(chǎn)品增加了更多的潛在客戶；而團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)研發(fā)的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)控界面，完美解決了一些控制參數(shù)的可視化問題，且極大的提高了系統(tǒng)對控制策略的研發(fā)效率。

在高校自動(dòng)化學(xué)院中，《現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)》《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》《電力電子技術(shù)》和《DSP原理及應(yīng)用》等課程，傳統(tǒng)形式上為模擬型實(shí)驗(yàn)設(shè)備，較為陳舊，略顯笨重一些，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也相對較為單一，安全性能稍差一些，導(dǎo)致院系學(xué)科的合理發(fā)展受到了限制。因此電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電控系統(tǒng)的研發(fā)充分結(jié)合了實(shí)際且滿足當(dāng)今的課程改革需求，符合國家未來智能化的發(fā)展趨勢，具有較大的市場前景。

圖9 數(shù)據(jù)接收流程圖