基于DSP28035的高速永磁无刷直流电机驱动系统硬件设计

系统硬件设计图3.1为该系统硬件总体框图，整个系统由功率驱动电路、调理与保护电路、DSP控制电路及无刷直流电机本体四大部分组成。本节将分为两部分，即功率驱动硬件部分和数字控制硬件部分，阐述该系统的硬件设计。UiniinBLDCMotorPWM（×9）CurrentSensorings×4VoltageSensoringUVWVoltageSensoringsAD_i×4AD_U2ProtectingAD_WAD_VAD_UAdjustmentandProtectionCircuitGPIO1ADC1~4ADC5ADC6ADC7ADC8TMS320F28035ProtectionsPowerandDrivingCircuitPWM1（×3）PWM2（×6）图3.1无刷直流电机系统硬件框图3.1功率与驱动电路本节先根据系统的特点，分析电路的拓扑选择，然后按照电路的三级结构，逐级说明其具体实现过程。3.1.1功率电路拓扑选择该电路输入单相交流电（220V/50Hz），输出直接驱动无刷直流电机。电机前级需有三相逆变桥实现换相，由于电机频率较高，因而受三相逆变桥开关频率的限制，无法采用逆变桥PWM脉宽斩波控制实现调速控制。本功率系统结构选择“交流-直流-直流-交流”方式，即在逆变桥前级加入buck电路，采用buck调压调速方式控制该高速永磁无刷直流电机。功率电路结构框图如图3.2所示。C1UiniinU1DC/DCConverterC2U2DC/ACInverterBLDCMotorPWM1（×3）CurrentSensorings×4VoltageSensoringPWM2（×6）UVWVoltageSensoringsProtections~图3.2功率电路结构框图3.1.2启动缓冲电路图3.2中第一级采用二极管不控整流，再用大电容滤波后得稳定直流电压1U。电路上电时，由于电容1C两端电压不能突变，上电产生瞬间的大电流给其充电，该电流太大将造成1C损坏。为此，电路中加入了启动缓冲电路。如下图3.3所示，上电时晶闸管1Q尚未导通，通过11RC串联回路给1C充电，充电电流较小，1U缓慢上升，电容受到保护。再利用电阻2R、3R对1U分压采样，当1U上升到约输入电压峰值的90%时，采样电压1sU将超过设定的门限电压THU，通过比较器后驱动光耦，从而触发晶闸管导通。晶闸管导通后，1R被短路，电路进入正常工作状态。此后向后级供电的过程中，晶闸管一直导通，2R、4R的阻值非常大，不对后级产生影响。后级关断或电路掉电时，1Q关断，4R为1C提供放电回路。图中THU由CCV经电阻分压得到，而CCV是由/ACDC模块电源获得。C1UiniinU1sU1R2R1R3R4+VCCGAU1sUTHGAQ1图3.3启动缓冲电路示意图3.1.3直流-直流变换该环节实现调压调速功能，直接利用Buck变换器降压，但电机满载时该电路输出电流很大，所需输出滤波电感太大。为减小系统体积重量，采取Buck的交错并联结构，即将多个Buck电路并联，且各支路开关管交错导通，占空比相同。图2.5为三相交错并联Buck电路。考虑后级逆变器损耗，设计本级输出额定电压150V，额定电流15A，每一支路额定电流5A。关键器件选型如下：①功率开关管Q2、Q3、Q4由于开关频率为50KHz，3个开关管选用的是PowerMOSFET，流过开关管的平均电流最大值IQdm和瞬时电流最大值IQm分别为AUUDImQdm79.3)198150(5)(55min12AIQm6%)201(5开关管漏源电压峰值为VVVmDSm3111选用型号为IRFP460，漏极电流额定值13A(TC=100℃)，峰值80A，漏源电压额定500V。②电感L1、L2、L3设计时保证电感电流连续，考虑电机空载时支路电流最小值为Imin=1A，则mHfIDULo777.0105012)3111501(1502)1(3minmin实际取电感1mH，额定平均电流5A。③电容C2在不考虑输入电压波动的情况下，输出电压波动小于10%，计算电容值为uFUfLDUCCo167.015)1050(103815038)1(2332min实际上输入电压波动较大，选取滤波电容C2=680uF，确保输出电压稳定。MOS管驱动电路核心器件采用带光耦隔离的驱动芯片HCPL-3120，该芯片具有驱动电流大，开关反应速度快等特点。驱动电路如图3.4所示，HCPL-3120内部结构如图3.5所示。NCANODECATHNCVCCVEEVOVO+5V(D)C3+15V(1)R5R6PWM1drvsdrvgGND(1)图3.4驱动电路示意图图3.5HCPL-3120内部结构图3.1.4直流-交流变换逆变环节由六只开关器件组成三相全桥，本电路采用三菱公司IPM模块PM25RLA120作为逆变部分的核心器件。该模块包含了六个IGBT、六个续流二极管、栅极驱动电路、逻辑控制电路以及欠压、过流、短路、过热等保护电路。模块的主电路部分共分为6个端子，即直流电压输入正、负极，三相交流电压输出端U、V、W，还有一个电机制动用Break端；控制部分共有19个端子，用于PWM信号（6路）与刹车制动信号（1路）输入、故障信号（4路）输出及驱动电源（4路×2），DSP生成的PWM信号需通过光耦隔离后输入。该智能模块的应用，减小了装置的体积，提高了系统的特性。由于PM25RLA120内部已经包含功率器件的驱动，使用时只需加光耦隔离和驱动电源。3.2数字控制器设计PiccoloMCU包含40和60MHz的版本、高达128KB的快闪存储器、12位ADC以及ePWM，以及包括通信协议、片上振荡器、模拟比较器、通用I/O等在内的各种业界标准外设。另外该芯片支持单电源供电、具有上电复位及掉电复位功能，内部含有硬件模拟比较器，精简管脚方便硬件设计，降低布线成本。3.2.1DSP最小系统电路设计DSP最小系统如图3.6所示，包括DSP芯片、电源电路、复位电路、时钟电路及JTAG接口电路。为了便于二次开发，最小板把所有的芯片引脚都引出。时钟电路电源电路复位电路JTAG仿真最小系统33uFC11100KR333uFC12DGND+3.3(D)+1.8100KR4NC12IN11EN41GND31RESET281OUT23NC2NC7NC8NC13NC14NC27NC26NC19NC20NC16NC152GND9EN102IN122IN52IN62RESET22NC211OUT242OUT172OUT181FB/NC25U2TPS767D318PWP1uFC51uFC6+5(D)DGND+5(D)DGND+3.3(D)XRS图3.6DSP最小系统图3.7DSP供电电路①电源及复位电路设计DSP系统一般都采用多电源系统，电源及复位电路的设计对于系统性能有重要影响。TMS320F28035是一个功耗较低芯片，内核电压为1.8V，I/O电压为3.3V。本文采用TI公司的TPS767D318电源芯片。该芯片属于线性降压型DC/DC变换芯片，可以由5V电源同时产生两种不同的电压（3.3V和1.8V），其最大输出电流为1000mA，可以同时满足一片DSP芯片和少量外围电路的供电需要。图3.7为该芯片自带电源监控及复位管理功能，可以方便地实现电源及复位电路设计。②时钟电路设计TMS320F28035这款DSP具有2个片内时钟振荡器，同时具有1个晶振输入和1个外部时钟输入。默认情况下，系统内核时钟是由INTOSC1提供的。本实验平台使用的是片内时钟振荡器，但是为了可靠性备份了外部有源时钟方式，选择一个3.3V供电的30MHz有源晶振实现。系统工作是通过编程选择2倍频的PLL功能，可实现F28035的最高时钟频率60MHz，时钟电路如图3.8所示。DGND+3.3(D)DGND3.3V4CLK3GND211*U3CrystalXCLKIN12Y1XTAL22pfCf722pfCf6DGNDX1X2DGND104C17TMS1TRST2GND4NC6GND8NC9TCK11EMU013TDI3PD5TDO7GND10GND12EMU114J4JTAG+3.3(D)TMSTDITDOTCKDGNDTRST30R810KR910KR10图3.8DSP时钟电路图3.9DSPJTAG电路③DSP与JTAG接口设计DSP仿真器通过DSP芯片上提供的扫描仿真引脚实现仿真功能，扫描仿真消除了传统电路仿真存在的电缆过长会引起的信号失真及仿真插头的可靠性差等问题。采用扫描仿真，使得在线仿真成为可能，给调试带了极大方便。JTAG接口电路如图3.9所示。3.2.2DSP外围控制电路设计DSP外围控制电路框图如图3.10所示，包括调AD理及保护电路、SPI实现D/A转换电路、异步串口通信电路、捕获端口调理电路及PWM电平转换及保护电路。3.10DSP外围控制电路①AD调理及保护电路TMS320F28035内部集成16路转换精度为12bit的A/D转换通道，但是其转换电压范围只能在0-3.3V，通常传感器的输出电压需要经过调理电路调理然后才能连接到DSP上。图3.12为调理电路。为了增加电路输入阻抗，电路中增加了跟随电路如图3.14。+15-15220Rs1AD_INAINA23184AU1ATL072D104C3AD_INAINA-15+15R4R9R1R8R5R10R2VREFC1104DW1DZener3.3VD1DiodeR7VREFR3100R60.1uFC2ADCININPUTCf30pf23184AUATL072D84567BUBTL072D104C3104C4INPUTADCIN100R11图3.11电压跟随电路图3.12A/D调理电路图3.13为母线电流保护电路。LA28-NP是电流型检测装置，Rs和C构成采样和滤波电路。将采样电流和允许的最大电流值经比较器LM393比较得到过流保护电平信号。30kR2020kR22AGND4.7KR19+5(D)+15VProt_io+15VAGNDAGND100R1748657U1BLM393D10kR1810kR21U_IND1Diode1N414830kR2020kR22AGND4.7KR19+5(D)+15V+15VAGNDAGND100R1748657U1BLM393D10kR1810kR21U_IND1Diode1N4148图3.13过流保护图3.14过压保护AD调理SCIPWM电源SPIeCAP外围控制电路图3.14为过压保护电路，R1、R2对直流母线电压分压采样，与给定的最大电压值比较产生过压保护电平信号，该信号与过流保护信号进行逻辑或运算后连接到IPM和DSP的故障保护输入引脚，从硬件和软件两个角度同时进行保护操作。②SPI实现D/A转换电路串口外设接口（SPI）是一个高速同步的串行输入/输出接口。SPI通常用于DSP和外部外设及其他处理器之间的通信。主要用于显示驱动器、ADC及日历时钟等器件间的接口，也可以用于主/从模式实现多处理器的通信。本电路板设计了和TLV5614配合实现DA的电路另外引出了SPI模块接口。图3.15为TLV5614引脚图，FS为帧同步信号，帧同步脉冲的下降沿表示串行数据帧的开始。/LDAC为输出刷新信号，为低电平时，DAC输出端口进行数据刷新。/CS为片选信号，为低电平时芯片工作。/PD为掉电模式，低电平有用，一般拉高不使用。图3.16为SPI_TLV5614接线图。PD2LDAC3DIN4SCLK5CS6FS7DGND8OUTD11OUTC12OUTB13OUTA14REFINAB15AVDD16DVDD1AGND9REFINCD10U17TLV5614CD+3.3(D)DACSFSVREFVREF+5(A)4.7kR108104C14104C66+3.3(D)DGNDDGNDSPICLKBSPISIMOBSPISTEBOUTAOUTBOUTCOUTD图3