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摘要：多相永磁同步电机相比于传统电机有更优秀的性能，其冗余的特点使其在缺相或断相后仍能保持运行。该文以TMS320F28335为核心，设计了多相永磁同步电机控制器，给出了DSP最小系统和外围电路的设计方法，并针对控制器设计了50W的供电电源。
关键词：电机控制；DSP28335；开关电源
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）14-0251-02
Abstract：Compared with traditional motors， multi-phase permanent magnet synchronous motors have better performance， and their redundant characteristics keep them running after phase loss or phase failure. In this paper， TMS320F28335 as the core， designed a multiphase permanent magnet synchronous motor controller， given the DSP minimum system and peripheral circuit design methods， and designed for the controller 50W power supply.
Key words： motor control； DSP28335； switching power supply
近年来，伴随着工业领域对于调速系统可靠性的要求越来越高，同时伴随着材料技术和电力电子技术的快速发展，使得高性能的多相变频调速系统的实现成为可能，其优势和应用范围都有了进一步的提高和扩大，尤其是在军事应用领域和重要工业领域，高性能多相电机调速系统的稳定性和可靠性是系统运行的重要保证。随着工业技术的发展，多相电机调速系统的优势越来越明显，在军事和民用领域的应用越来越广泛，例如：航天航空、水面舰艇、潜艇、以及电动汽车等领域中。TMS320F28335型数字信号处理器TI公司的一款TMS320C28X系列浮点DSP控制器。与以往的定点DSP相比，该器件的精度高，成本低， 功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A/D转换更精确快速等。故本系统以DSP28335为核心，设计了多相永磁同步电机控制器 [1]。
1 控制器的硬件设计
TMS320F28335是TI公司近几年研发的一款浮点型数字信号处理器，较以往C2000系列DSP各方面性能有很大提高[2]。它具有强大的数字信号处理能力，其次它又集成了大量外设，供控制使用，又具有微控制器的功能，以及改进型的哈弗结构、循环寻址和DSP的执行速度[3]。
DSP控制系统包括：最小系统和外围电路。最小系统由电源、复位、时钟以及JTAG电路组成，外围电路根据实际需要设计。其整体结构图如图1所示。
1.1 DSP电源电路
DSP芯片电源采用TPS767D301，它是TI公司为DSP专门设计的供电芯片，可以输出两路电压：一路输出 3.3V，一路输出电压可调。由于DSP28335芯片采用 3.3V和 1.9V双电源供电，因此需要配比第二路电源，使其输出 1.9V稳定电压。DSP供电原理图如图2所示。
1.2 PWM信号处理电路
配置DSP的I/O口， DSP可以输出6路互补的PWM信号，由于DSP的I/O输出能力有限，PWM信号极易受到外部干扰，从而影响后面控制电路，因此需要将PWM信号与外电路隔离开来，本文采用74LVX3245驱动芯片和6N136隔離芯片，驱动电路如下。
1.3 电流信号检测电路
本文采用LEM-HAS50电流传感器检测六相永磁同步电机的每相电流，该传感器采用霍尔效应测量原理，一次回路和二次回路采用变压器隔离，隔离电压3000V，体积小易于安装并且节省了空间，有较强的抗干扰能力，精度为1%，输入电流INP=50A，输出电压VOUT=±4V。图5是电流采样原理图，将IC1电流信号转换为0～ 3V的电压信号输入到DSP的ADC引脚。
DSP时钟和复位电路
本文采用外部有源30MHz晶振，接X1和X2引脚，经过DSP内部分频处理达到150MHz。系统复位电路采用TI公司提供的TPS3823-3.3芯片，接XRST引脚。
1.4 转速测量电路
电机运行需要实时测量电机的转速和方向，因此本系统采用OIH-48-2500P4-L6-5V编码器。编码器由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器读取获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D，每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。因为编码器与电机直接相连，如果将编码器信号直接送入DSP，那么干扰信号也将随着进入DSP，影响系统的正常运行，因此将编码器的输出信号通过光耦接到DSP，DSP内部有增强正交编码模块（eQEP），在电机运行时，eQEP模块和光电编码器配合就可以得到电机的转速和位置信息。该控制器实物如图6所示。
2 开关电源设计
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。电源电路的稳定性关系到控制电路和信号采集电路的稳定性，因此电源电路应具有良好的抗过压，过流能力。 2.1 开关电源匝比计算
本文采用反激拓扑结构的开关电源，其输入端的电压为220VAC（±10%的波动），输出为两路 24V/300mA、一路±15V/600mA和一路 5V/2A电源，故设置输出功率50W。
开关电源采用UC3844作为电源控制芯片，根据公式[4]计算得到变压器的匝数如下所示：
Np=75匝，Ns1=10匝，Ns2=15匝，Ns3=17匝。
2.2 开关电源RCD回路
RCD回路的主要作用是吸收反射电压和漏电压，保护MOSFET，当选则高耐压的MOSFET时可以省略。注意，RCD参数应在调试过程中确定，计算值只是一个粗略的范围，准确值应该在满载情况下确定，目的是削弱尖峰电压，使电压波形达到近似的方波，保护MOSFET。经过调试得R=102kΩ ，C=2.2nF。MOSFET漏极对地电压波形如图7所示。
3软件流程图
软件在CCS（Code Composer Studio）环境下编程，CCS是一种针对TMS320系列DSP的集成开发环境，在Windows操作系统下采用图形接口界面，提供有环境配置、源文件編辑、程序调试、跟踪和分析等工具。CCS集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能，而且支持C/C 和汇编的混合编程。主程序流程图如图8所示：
主程序运行首先对系统内所有硬件进行初始化工作，接着AD对系统内所有信号进行采集。当系统工作正常并且确认启动的情况下，程序首先检测编码器信息，判断出电机转子位置以及转速方向，转速等信息，然后依次进行速度环和电流环的PI调节，PARK变换，SVPWM控制。
4 结论
综上所述，本文以TMS320F28335为核心设计六相永磁同步电机控制器，并对其进行改进，使控制器在控制进度和抗干扰方面有进一步提升。
参考文献：
[1] 熊永康，李跃忠，全丽希.基于TMS320F28335的微位移步进电机控制系统设计[J].电力技术设计与应用，2014（4）.
[2] 刘青健，潘松峰，劳匆匆.基于DSP28335永磁同步电机调速系统硬件设计[J].工业控制计算机，2005（7）.
[3] 符晓，朱洪顺. TMS320F2833XDSP应用开发与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013.
[4] 王健强，等，译.精通开关电源计算[M].北京：人民邮电出版社，2015.
关键词：电机控制；DSP28335；开关电源
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）14-0251-02
Abstract：Compared with traditional motors， multi-phase permanent magnet synchronous motors have better performance， and their redundant characteristics keep them running after phase loss or phase failure. In this paper， TMS320F28335 as the core， designed a multiphase permanent magnet synchronous motor controller， given the DSP minimum system and peripheral circuit design methods， and designed for the controller 50W power supply.
Key words： motor control； DSP28335； switching power supply
近年来，伴随着工业领域对于调速系统可靠性的要求越来越高，同时伴随着材料技术和电力电子技术的快速发展，使得高性能的多相变频调速系统的实现成为可能，其优势和应用范围都有了进一步的提高和扩大，尤其是在军事应用领域和重要工业领域，高性能多相电机调速系统的稳定性和可靠性是系统运行的重要保证。随着工业技术的发展，多相电机调速系统的优势越来越明显，在军事和民用领域的应用越来越广泛，例如：航天航空、水面舰艇、潜艇、以及电动汽车等领域中。TMS320F28335型数字信号处理器TI公司的一款TMS320C28X系列浮点DSP控制器。与以往的定点DSP相比，该器件的精度高，成本低， 功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A/D转换更精确快速等。故本系统以DSP28335为核心，设计了多相永磁同步电机控制器 [1]。
1 控制器的硬件设计
TMS320F28335是TI公司近几年研发的一款浮点型数字信号处理器，较以往C2000系列DSP各方面性能有很大提高[2]。它具有强大的数字信号处理能力，其次它又集成了大量外设，供控制使用，又具有微控制器的功能，以及改进型的哈弗结构、循环寻址和DSP的执行速度[3]。
DSP控制系统包括：最小系统和外围电路。最小系统由电源、复位、时钟以及JTAG电路组成，外围电路根据实际需要设计。其整体结构图如图1所示。
1.1 DSP电源电路
DSP芯片电源采用TPS767D301，它是TI公司为DSP专门设计的供电芯片，可以输出两路电压：一路输出 3.3V，一路输出电压可调。由于DSP28335芯片采用 3.3V和 1.9V双电源供电，因此需要配比第二路电源，使其输出 1.9V稳定电压。DSP供电原理图如图2所示。
1.2 PWM信号处理电路
配置DSP的I/O口， DSP可以输出6路互补的PWM信号，由于DSP的I/O输出能力有限，PWM信号极易受到外部干扰，从而影响后面控制电路，因此需要将PWM信号与外电路隔离开来，本文采用74LVX3245驱动芯片和6N136隔離芯片，驱动电路如下。
1.3 电流信号检测电路
本文采用LEM-HAS50电流传感器检测六相永磁同步电机的每相电流，该传感器采用霍尔效应测量原理，一次回路和二次回路采用变压器隔离，隔离电压3000V，体积小易于安装并且节省了空间，有较强的抗干扰能力，精度为1%，输入电流INP=50A，输出电压VOUT=±4V。图5是电流采样原理图，将IC1电流信号转换为0～ 3V的电压信号输入到DSP的ADC引脚。
DSP时钟和复位电路
本文采用外部有源30MHz晶振，接X1和X2引脚，经过DSP内部分频处理达到150MHz。系统复位电路采用TI公司提供的TPS3823-3.3芯片，接XRST引脚。
1.4 转速测量电路
电机运行需要实时测量电机的转速和方向，因此本系统采用OIH-48-2500P4-L6-5V编码器。编码器由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器读取获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D，每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。因为编码器与电机直接相连，如果将编码器信号直接送入DSP，那么干扰信号也将随着进入DSP，影响系统的正常运行，因此将编码器的输出信号通过光耦接到DSP，DSP内部有增强正交编码模块（eQEP），在电机运行时，eQEP模块和光电编码器配合就可以得到电机的转速和位置信息。该控制器实物如图6所示。
2 开关电源设计
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。电源电路的稳定性关系到控制电路和信号采集电路的稳定性，因此电源电路应具有良好的抗过压，过流能力。 2.1 开关电源匝比计算
本文采用反激拓扑结构的开关电源，其输入端的电压为220VAC（±10%的波动），输出为两路 24V/300mA、一路±15V/600mA和一路 5V/2A电源，故设置输出功率50W。
开关电源采用UC3844作为电源控制芯片，根据公式[4]计算得到变压器的匝数如下所示：
Np=75匝，Ns1=10匝，Ns2=15匝，Ns3=17匝。
2.2 开关电源RCD回路
RCD回路的主要作用是吸收反射电压和漏电压，保护MOSFET，当选则高耐压的MOSFET时可以省略。注意，RCD参数应在调试过程中确定，计算值只是一个粗略的范围，准确值应该在满载情况下确定，目的是削弱尖峰电压，使电压波形达到近似的方波，保护MOSFET。经过调试得R=102kΩ ，C=2.2nF。MOSFET漏极对地电压波形如图7所示。
3软件流程图
软件在CCS（Code Composer Studio）环境下编程，CCS是一种针对TMS320系列DSP的集成开发环境，在Windows操作系统下采用图形接口界面，提供有环境配置、源文件編辑、程序调试、跟踪和分析等工具。CCS集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能，而且支持C/C 和汇编的混合编程。主程序流程图如图8所示：
主程序运行首先对系统内所有硬件进行初始化工作，接着AD对系统内所有信号进行采集。当系统工作正常并且确认启动的情况下，程序首先检测编码器信息，判断出电机转子位置以及转速方向，转速等信息，然后依次进行速度环和电流环的PI调节，PARK变换，SVPWM控制。
4 结论
综上所述，本文以TMS320F28335为核心设计六相永磁同步电机控制器，并对其进行改进，使控制器在控制进度和抗干扰方面有进一步提升。
参考文献：
[1] 熊永康，李跃忠，全丽希.基于TMS320F28335的微位移步进电机控制系统设计[J].电力技术设计与应用，2014（4）.
[2] 刘青健，潘松峰，劳匆匆.基于DSP28335永磁同步电机调速系统硬件设计[J].工业控制计算机，2005（7）.
[3] 符晓，朱洪顺. TMS320F2833XDSP应用开发与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013.
[4] 王健强，等，译.精通开关电源计算[M].北京：人民邮电出版社，2015.