基于DSP的永磁同步电机控制系统硬件设计

李 琛，潘松峰

LI Chen,PAN Song-feng

（青岛大学 自动化与电气工程学院，青岛 266071）

0 引言

永磁同步电机拥有许多实用性的特点，比如它有比较小的体积、相对于其它电机有比较简单的结构、而且还有比较高的功率因数。如今其他领域的相关技术在飞速的发展，比如电机控制技术、电力电子的相关理论、计算机的运用等的进步与发展，使得永磁同步电机在控制系统中的运用得到了更深入的发展。永磁同步电机已经应用到机器人、航空航天、数控加工等更加广阔的领域[1,2]。

目前，在伺服驱动的研究中，永磁同步电机正逐渐的替代了步进电机与直流电机的位置，获得了更多的使用。永磁同步电机的矢量控制系统的控制效果比其它控制系统精度更高、动态性能更好、调速范围更大。因此，为达到更好的控制效果，数字控制的交流永磁同步电机调速系统得到了广泛使用。

TI生产的F28335x系列DSP芯片计算能力非常强，并且配备有浮点处理的单元以及很强大的外设功能，是一类专门设计用来控制电机的处理芯片。

本文的控制单元采用的是美国T I公司的数字信号处理器TMS320F28335DSP，设计了永磁同步电机控制系统的硬件系统，可对永磁同步电机的位置、速度、加速度和输出转矩进行有效的控制，结构比较简单的同时还能够实现高精度、高可靠性的要求[3]。

1 控制系统总体硬件设计

本硬件系统中TMS320F28335DSP作为控制核心，与多种外围扩展进行结合，组成一套功能相对完善、驱动较为简单的PMSM驱动系统，系统的结构框图如图1所示。由图1可知，本系统的硬件结构主要由以下的部分构成：DSP的主控单元、PMSM、速度与位置检测电路、主功率部分和驱动电路、电流检测电路以及保护电路。

图1 硬件系统框图

主电路由IR2106以及6支P-MOSFET管IRF540N组成的三相逆变桥构成。通过霍尔传感器与光电编码器获取转子的速度以及位置的信号。同时使用霍尔传感器来获取电机电流信号。电源模块提供系统所需电压。DSP作为控制电路的核心，对采集的永磁同步电机的信号进行处理，输出SVPWM信号对逆变器的输出进行控制[4,5]。

DSP选用的是TMS320F28335。这是一款TI公司设计的产品，能够满足各种电动机控制。单片具有非常高性能的DSP内核以及多种微控制器的外设，而且得益于其浮点运算单元，可以减少很多工作量，使控制算法的编写更高效。

28335DSP的处理能力可以达到150MHz，带有32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP以及EMIF。而且它的功能还在不断的增强，来满足电机运动控制和嵌入式系统控制的相关需求。

2 主电路

如图2所示，主电路由桥驱动（IR2106）和6支P-MOSFET管（IRF540N）组成。

IR2106是半桥驱动集成芯片，内部集成的驱动输出电路相互之间独立。但是，它内部的6个驱动器的输出阻抗比较低，如果直接使用此器件会造成此器件的迅速导通和关断，会使此器件漏-源极之间产生震荡，会使其受到过高的du/dt，从而使其击穿。因此，在此次设计中在MOSFET管的栅极和IR2160的输出之间串联一个5Ω的电阻。因为DSP28335包含的EPWM模块会产生PWM信号控制6个IGBT时，I/O口的驱动能力会限制此功能，所以，我们要添加驱动电路来保护PWM的驱动电路不受主回路的影响。我们使用的是6N137高速光耦合芯片，来作为信号隔离电路，此芯片的信号单向传递的速度是10Mbit/s，能够满足PWM信号传输的要求。

按照被控对象相关参数，逆变电路功率开关器件采用MOSFET管IRF540N。6支P-MOSFET管IRF540N组成三相桥式的逆变电路。为了解决功率管不易散热的问题，使用壁贴的方式安装功率管，能够使满足系统的电压、电流要求，同时使系统的可靠性提高。直流母线电压采用市电220V，此外电压还存在一定的波动，还要加入600V/6A的整流二极管，还要考虑滤除直流脉动电压，加入330μF/450V的滤波电容。本结构可以确保系统有充足的电压、电流裕量，能够使系统的可靠性得到提高[6,7]。

3 保护电路

由图3可以看出，芯片IR2106加采样电阻就组成了系统保护电路。过流检测的点是ITRIP，过流故障输出的引脚是FLT。此设计为硬件保护，能够对问题进行迅速的响应。使用电位计是为了能够便捷的调整此过流保护的值。当检测到过流信号时，三相逆变器电路就会截止，同时向CPU报警，而且，一旦电路进入保护，就算采样电流不再过流，系统也不再重新工作。只有当系统退出保护状态之后，系统才能够重新开始工作[8,9]。

4 电流信号检测电路与D/A转换电路

为方便对调试电机的过程中出现的有关中间变量进行观测，硬件系统增加了D/A输出电路。使用TLC5620芯片外加双极性输出电路作为系统的D/A转换电路，TLC5620为串联型的8位D/A转换器。在控制TLC5620时，只要控制芯片的DATA，CLK，LDAC，LOAD端口即可。

图2 主电路图

图3 故障信号电平转换电路

为了精确的对PMSM进行控制，我们需要对电机三相电流进行采集，之后经过矢量变换反馈到电流调节器。使用霍尔传感器检测的方法，将电流的采样电路接入到电机的定子侧，因为PMSM的绕组属于星型接法，所以三相电流对称，即有，因此只需要检测两相电流即可。并且，采用电磁隔离霍尔电流传感器CS040G来检测电流。

使用霍尔传感器能够使系统动态响应加快，并且精度更高。本系统所采用的霍尔传感器的额定输入电流是40A，电流测量的范围是-80A～+80A。

在电流信号中包含高频杂波，并且考虑到负载效应，将电压跟随器与低通滤波器接在霍尔传感器的输出端。可以有效的解决相关问题带来的影响。

5 结语

对于永磁同步电机伺服控制系统的研究，本文以TI公司生产的TMS320F28335DSP为控制核心，对其控制系统硬件电路进行了设计。主要介绍了系统主回路、保护电路、D/A转换以及电流检测相关电路相应的设计。本次硬件设计能够最大程度的发挥TMS320F28335DSP控制电机运动方面的性能，具有简单的电路结构和较高的可靠性。在已经运用此硬件系统的永磁同步电机伺服控制系统中，配合相关软件算法，可以获得了较好的控制效果。

图4 电流检测电路