通用型通用型直流有刷无刷兼容电机驱动器设计

通用型通用型直流有刷无刷兼容电机驱动器设计摘要本论文设计了一种基于DSP的直流电机驱动器。该驱动器以TI公司的DSP芯片TMS320F28335为控制核心，以英飞凌公司的电桥式电机驱动芯片BTN7970为驱动核心，既可以实现对直流有刷电机的控制，又可以实现对直流无刷电机的控制，同时提供过压、欠压、过流、过温保护，稳定性高、成本低，具有广泛的应用价值。关键词DSPBTN7970直流有刷电机直流无刷电机驱动器1引言随着直流电机在智能机器人、电动汽车等领域的广泛应用，市场上对直流电机驱动器的需求越来越迫切。直流电机分为直流有刷电机和直流无刷电机，两者在控制上存在一定的异同点，因此，设计一种通用的驱动器，能够满足对两种直流电机的控制，可以极大地扩展其应用范围。随着微机运算速度的提高、存储器的大容量化，全数字控制已是电机控制的主流⑴目前数字控制器的控制核心一般采用单片机、DSP、ARM等，与普通单片机和ARM相比，DSP采用流水线技术，提高了指令运行效率，内部集成硬件乘法器，缩短了乘法运算时间，特别适合复杂数学运算。另外，有些DSP内部集成了专门的电机控制模块，形成了电机控制专用系列，已在电机控制中得到了广泛应用。在此背景下，本文采用TI公司的DSP芯片TMS320F28335开发了一款通用型直流有刷无刷兼容电机驱动器，用于实现对直流有刷电机和直流无刷电机的伺服控制。2系统设计基于DSP的通用型直流有刷无刷兼容电机驱动器包括基于DSP的电机控制电路和基于BTN7970的电机驱动电路，其总体结构框图如图1所示：图1驱动器总体结构图3硬件设计3.1基于DSP的电机控制电路设计基于DSP的电机控制电路包括SRAM存储器扩展电路、PWM输出电路、编码器接口电路、霍尔位置传感器接口电路、RS485串口电路和JTAG接口电路。3.1.1PWM输出电路设计DSP输出的PWM信号电平为3.3V，不能直接驱动MOS管，因此需要通过74LVC4245AD芯片将3.3V电平变换为5V电平。芯片的L_AP为芯片的使能端，控制该芯片是否工作，B0〜B5连接到DSP的PWM输出引脚，A0〜A5为经过电平转换后的PWM输出信号，连接至驱动桥。3.1.2RS485串口电路设计驱动器采用RS485串口与其他设备通讯。由于DSP的UART接口是TTL电平，与RS485电平不匹配，选用SP3485芯片进行电平转换，芯片外接上拉电阻和下拉电阻和匹配电阻。PESD15VL2BT起静电保护作用，用于防止输入高压对芯片造成损坏。

3.1.3编码器接口电路设计由于DSP芯片只有两个捕获接口，不能同时满足ABZ光电编码器信号采集需求和霍尔位置传感器信号采集需求，因此，采用HCTL-2032-SC计数器芯片扩展了两路捕获接口。由于ABZ光电编码器用于采集转速，控制中采集转速的频率相对较低，因此采用该扩展电路采集ABZ光电编码器信号。由于HCTL-2032-SC采用5V电平，DSP为3.3V电平，采用74LVC4245AD进行电平转换。DSP定时读取HCTL-2032-SC的计数值并计算得到当前转速。RSTx和RSTy为计数器清零控制引脚；EN1、EN2为计数模式选择引脚，HCTL-2032-SC有8位、16位、32位三种不同的计数模式；OE、SEL1、SEL2引脚控制DSP每次读写的字节长度；CLK为HCTL-2032-SC时钟引脚；X/Y为通道选择引脚。3.2基于BTN7970的电机驱动电路设计基于BTN7970的电机驱动电路采用电桥式电机驱动芯片BTN7970实现，驱动电流大，稳定性高，包含主驱动电路、电流检测电路、电压检测电路、温度检测电路和抱闸控制电路。3.2.1主驱动电路设计主驱动电路采用BTN7970芯片实现，BTN7970是一种电桥式电机驱动芯片，驱动能力可达到70A，其内部集成了一个P型通道的高电位MOS管、一个N型通道的低电位MOS管和一个MOS管驱动模块，形成了一个高电流半桥。多个BTN7970可形成H桥和三相全桥驱动结构，实现对直流有刷电机和直流无刷电机的驱动。控制关系如表1所示。表1BTN7970导通控制输出(INH，输出IN)状态低电位开关开1,0启，高电位开关关断高电位开关开1,1启，低电位开关关断0,X 进入休眠状态3.2.2电流检测电路设计电流传感器选用Honeywell公司的CSNX25-500，量程为0〜56A,可测量直流电流或交流电流。将电流传感器接入电机驱动电路中进行电流检测，CSNX25-500由5V电源供电，采用内部自带的2.5V基准电平，传感器为电流输出，通过电阻将电流转换为电压输出，连接跟随电路，然后进行分压，保证输出电压限定在0〜3V之间，从而使DSP的AD采样端口能够安全采样。4软件设计控制软件基于PID算法设计，PID算法是根据系统给定与反馈的偏差，利用比例、积分、微分方法对偏差信号进行处理，计算出控制量作用于被控对象，使给定与反馈的偏差向最小方向变化。直流有刷电机和直流无刷电机位置环、速度环控制方法基本相同，不同之处在于电流环的控制，直流有刷电机的电流是单相直流电，而直流无刷电机的电流是三相交流电，本论文对直流无刷电机的三相电流同时进行控制，从而达到对电机电流、转速、转矩的精确控制。5结束语本文以DSP芯片TMS320F28335为控制核心，以电桥式电机驱动芯片BTN7970为驱动核心，设计了电机驱动器的硬件电路，开发了与硬件电路相适应的电机控制软件，既可以实现对直流有刷电机的伺服控制，又可以实现对直流无刷电机的伺服控制，同时提供过压、欠压、过流、过温保护，稳定性高，成本低，有广阔的应用价值。参考文献顾海洲，马双武.PCB电磁兼容技术一设计实践[M].北京:清华大学出版社,2004.顾卫刚.手把手教你学DSP—基于TMS320X281x[M].北京:北京航空航天大学出版社,2012.仉毅.基于通用变频器的鼠笼电动机微机测控系统[D].山东科技大学,2001.王宏宝