通用型通用型直流有刷無(wú)刷兼容電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

通用型通用型直流有刷無(wú)刷兼容電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)摘要本論文設(shè)計(jì)了一種基于DSP的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器以TI公司的DSP芯片TMS320F28335為控制核心，以英飛凌公司的電橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片BTN7970為驅(qū)動(dòng)核心，既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流有刷電機(jī)的控制，又可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)的控制，同時(shí)提供過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)溫保護(hù)，穩(wěn)定性高、成本低，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞DSPBTN7970直流有刷電機(jī)直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器1引言隨著直流電機(jī)在智能機(jī)器人、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，市場(chǎng)上對(duì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的需求越來(lái)越迫切。直流電機(jī)分為直流有刷電機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)，兩者在控制上存在一定的異同點(diǎn)，因此，設(shè)計(jì)一種通用的驅(qū)動(dòng)器，能夠滿足對(duì)兩種直流電機(jī)的控制，可以極大地?cái)U(kuò)展其應(yīng)用范圍。隨著微機(jī)運(yùn)算速度的提高、存儲(chǔ)器的大容量化，全數(shù)字控制已是電機(jī)控制的主流⑴目前數(shù)字控制器的控制核心一般采用單片機(jī)、DSP、ARM等，與普通單片機(jī)和ARM相比，DSP采用流水線技術(shù)，提高了指令運(yùn)行效率，內(nèi)部集成硬件乘法器，縮短了乘法運(yùn)算時(shí)間，特別適合復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算。另外，有些DSP內(nèi)部集成了專門的電機(jī)控制模塊，形成了電機(jī)控制專用系列，已在電機(jī)控制中得到了廣泛應(yīng)用。在此背景下，本文采用TI公司的DSP芯片TMS320F28335開發(fā)了一款通用型直流有刷無(wú)刷兼容電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)直流有刷電機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)的伺服控制。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于DSP的通用型直流有刷無(wú)刷兼容電機(jī)驅(qū)動(dòng)器包括基于DSP的電機(jī)控制電路和基于BTN7970的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：圖1驅(qū)動(dòng)器總體結(jié)構(gòu)圖3硬件設(shè)計(jì)3.1基于DSP的電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)基于DSP的電機(jī)控制電路包括SRAM存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、PWM輸出電路、編碼器接口電路、霍爾位置傳感器接口電路、RS485串口電路和JTAG接口電路。3.1.1PWM輸出電路設(shè)計(jì)DSP輸出的PWM信號(hào)電平為3.3V，不能直接驅(qū)動(dòng)MOS管，因此需要通過(guò)74LVC4245AD芯片將3.3V電平變換為5V電平。芯片的L_AP為芯片的使能端，控制該芯片是否工作，B0?B5連接到DSP的PWM輸出引腳，A0?A5為經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換后的PWM輸出信號(hào)，連接至驅(qū)動(dòng)橋。3.1.2RS485串口電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器采用RS485串口與其他設(shè)備通訊。由于DSP的UART接口是TTL電平，與RS485電平不匹配，選用SP3485芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，芯片外接上拉電阻和下拉電阻和匹配電阻。PESD15VL2BT起靜電保護(hù)作用，用于防止輸入高壓對(duì)芯片造成損壞。

3.1.3編碼器接口電路設(shè)計(jì)由于DSP芯片只有兩個(gè)捕獲接口，不能同時(shí)滿足ABZ光電編碼器信號(hào)采集需求和霍爾位置傳感器信號(hào)采集需求，因此，采用HCTL-2032-SC計(jì)數(shù)器芯片擴(kuò)展了兩路捕獲接口。由于ABZ光電編碼器用于采集轉(zhuǎn)速，控制中采集轉(zhuǎn)速的頻率相對(duì)較低，因此采用該擴(kuò)展電路采集ABZ光電編碼器信號(hào)。由于HCTL-2032-SC采用5V電平，DSP為3.3V電平，采用74LVC4245AD進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。DSP定時(shí)讀取HCTL-2032-SC的計(jì)數(shù)值并計(jì)算得到當(dāng)前轉(zhuǎn)速。RSTx和RSTy為計(jì)數(shù)器清零控制引腳；EN1、EN2為計(jì)數(shù)模式選擇引腳，HCTL-2032-SC有8位、16位、32位三種不同的計(jì)數(shù)模式；OE、SEL1、SEL2引腳控制DSP每次讀寫的字節(jié)長(zhǎng)度；CLK為HCTL-2032-SC時(shí)鐘引腳；X/Y為通道選擇引腳。3.2基于BTN7970的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)基于BTN7970的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用電橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片BTN7970實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)電流大，穩(wěn)定性高，包含主驅(qū)動(dòng)電路、電流檢測(cè)電路、電壓檢測(cè)電路、溫度檢測(cè)電路和抱閘控制電路。3.2.1主驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)主驅(qū)動(dòng)電路采用BTN7970芯片實(shí)現(xiàn)，BTN7970是一種電橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)能力可達(dá)到70A，其內(nèi)部集成了一個(gè)P型通道的高電位MOS管、一個(gè)N型通道的低電位MOS管和一個(gè)MOS管驅(qū)動(dòng)模塊，形成了一個(gè)高電流半橋。多個(gè)BTN7970可形成H橋和三相全橋驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流有刷電機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)?？刂脐P(guān)系如表1所示。表1BTN7970導(dǎo)通控制輸出(INH，輸出IN)狀態(tài)低電位開關(guān)開1,0啟，高電位開關(guān)關(guān)斷高電位開關(guān)開1,1啟，低電位開關(guān)關(guān)斷0,X 進(jìn)入休眠狀態(tài)3.2.2電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)電流傳感器選用Honeywell公司的CSNX25-500，量程為0?56A,可測(cè)量直流電流或交流電流。將電流傳感器接入電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中進(jìn)行電流檢測(cè)，CSNX25-500由5V電源供電，采用內(nèi)部自帶的2.5V基準(zhǔn)電平，傳感器為電流輸出，通過(guò)電阻將電流轉(zhuǎn)換為電壓輸出，連接跟隨電路，然后進(jìn)行分壓，保證輸出電壓限定在0?3V之間，從而使DSP的AD采樣端口能夠安全采樣。4軟件設(shè)計(jì)控制軟件基于PID算法設(shè)計(jì)，PID算法是根據(jù)系統(tǒng)給定與反饋的偏差，利用比例、積分、微分方法對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算出控制量作用于被控對(duì)象，使給定與反饋的偏差向最小方向變化。直流有刷電機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)位置環(huán)、速度環(huán)控制方法基本相同，不同之處在于電流環(huán)的控制，直流有刷電機(jī)的電流是單相直流電，而直流無(wú)刷電機(jī)的電流是三相交流電，本論文對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)的三相電流同時(shí)進(jìn)行控制，從而達(dá)到對(duì)電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的精確控制。5結(jié)束語(yǔ)本文以DSP芯片TMS320F28335為控制核心，以電橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片BTN7970為驅(qū)動(dòng)核心，設(shè)計(jì)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的硬件電路，開發(fā)了與硬件電路相適應(yīng)的電機(jī)控制軟件，既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流有刷電機(jī)的伺服控制，又可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)的伺服控制，同時(shí)提供過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)溫保護(hù)，穩(wěn)定性高，成本低，有廣闊的應(yīng)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)顧海洲，馬雙武.PCB電磁兼容技術(shù)一設(shè)計(jì)實(shí)踐[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.顧衛(wèi)剛.手把手教你學(xué)DSP—基于TMS320X281x[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2012.仉毅.基于通用變頻器的鼠籠電動(dòng)機(jī)微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)[D].山東科技大學(xué),2001.王宏寶