无刷直流电机控制电路硬件设计

王群 康瑶

摘 要：无刷直流电机（简称BLDCM）是近年随着电子技术的迅速推广运用而发展起来的一种新型电机。在具有直流电机良好的机械特性和调速特性的同时，还具有交流异步电动机的运行可靠和寿命长的优点，因此在各个领域中得到了广泛应用。本设计主要研究无刷直流电机的控制器。以数字信号处理器TMS320F28035为控制核心；以DRV8301为驱动核心，设计的无刷直流电机控制器具有体积相对较小，调速、稳速性能较好，与计算机终端通信简便，控制比较容易等优点。

关键词：无刷直流电机；控制器；PID；数字信号处理器；功率驱动；

一、硬件系统总体设计

无刷直流电机控制器的硬件系统主要由DSP控制板、功率驱动板和无刷直流电机三个部分构成：控制板部分是以数字信号处理器DSP为核心的多个模块组成，包括稳压电路、EEPROM存储电路、SCI通信电路、CAP捕获电路、AD转换和PWM 驱动电路。DSP控制板的主要功能是接收和处理来自功率驱动板的信号，并通过功率驱动板来控制电机运行和停止；功率驱动板由DRV8301驱动器、传感器接口和功率开关电路组成。功率驱动板一端连着DSP主控制板，一端连着电机，是整个控制系统的中间环节。功率驱动板需要接收来自 DSP主控制板的控制指令，并根据指令控制电机的状态；同时需要实时监测电机的工作状态，并反馈给主控制板。

二、DSP控制板的设计

（一）DSP控制核心器

本设计控制器的主控芯片选用由TI公司设计生产的32位高效率定点DSP芯片TMS320F28035。作为一款数字信号处器，其数字信号处理能力强，还具有與单片机类似的丰富的外围接口，以及良好的嵌入式开发能力，可以很好地满足许多控制系统的需求。本设计采用TMS320F2803564引脚薄型四方扁平（TQFP）封装。

（二）稳压电路设计

TMS320F28035工作电压为3.3V，由于控制板的输入电压为5V，因此需要电源忘片完成电压的转换。考虑到TMS320F28035对电源敏感，本设计采用电压精度较高的线性稳压器AMS1117-3.3。AMS1117-3.3在1A电流下压降仅为1.2V，精度较高，同时内部集成了过热保护和限流电路，可靠性高。

（三）上位机通信电路设计

串行通信口（SCI）是采用两根信号线的异步串行通信接口。SCI模块由发送器和接收器两部分组成，两者的内部结构相似，但是彼此是可以独立工作的，互不影响，都可以单独配置与工作，因而可以完成数据的单工、半双工以及全双工的发送与接收；而且该模块还可以设定通信的波特率、起止位、校验位等标志位，操作灵活。

DSP控制板在工作开始前需要先与上位机完成通信，用于程序的下载。同时在工作过程中，为更好的观察电机实时运行参数，需要接受来自上位机的控制指令。本设计选择FT2232HL集成芯片，并通过板上的mini-USB接口实现硬件仿真、程序下载、串口通信等功能。

（四）EEPROM电路设计

TMS320F28035的内部具有64K*16位的片载闪存，但是当程序代码段大于其存储容量，就需要外扩存储空间来保证其稳定的实现功能，选用串行EEPROM存储芯片96LC46作为外扩存储空间，上位机通信过程中的接口模式和USB描述字符也需要在外部存储器中进行配置。

（五）CAN电路设计

TMS320F28035具有一个eCAN模块，支持CAN2.0B协议，可实现CAN网络的通信。使用SN65HVD23芯片作为CAN收发器，此外该芯片同时具有电平转换功能，使DSP的eCAN模块能够和高速CAN总线之间的电平特性相符。

（六）捕获单元

高性能的无刷直流电机控制系统中对转速的精确检测不可或缺，DSP内部的CAP模块当捕获到脉冲发生指定的电平变化时，便立即启动定时器记录下电平变化的时间，从而计算得出脉冲信号的宽度，即可完成对转子位置的检测。

（七）A/D转换模块

本设计中驱动板的电压和电流检测电路输出的电压和电流是模拟量，因此在DSP处理前需转换成数字量。A/D转换模块集成于DSP TMS320F28035芯片内部，该转换器结构采用流水线结构，分辨率为个16*12位，可通过16路A/D端口完成模数转换工作。

三、驱动板设计

（一）驱动器DRV8301

本设计使用TI公司的专用驱动芯片DRV8301作为伺服系统的主驱动电路，该芯片集成了多个功能模块，在完成PWM波控制的输出运算，实现栅极驱动的同时，还拥有电流放大电路、电压转换电路以及各种保护电路，充分了保证无刷直流电机控制系统高效、可靠地运行。

（二）功率开关电路

功率开关电路选用IRF1010场效应管作为桥式开关器件。DRV8301芯片通过同时控制六个大功率场效应管IRF1010 的导通和断开顺序，驱动器通过上桥臂控制信号控制对应的三个开关管的导通或关断，而驱动器下桥臂控制信号控制对应的下半桥的导通或关断。通过控制功率场效应管的导通和关断来达到电机换相和功率分配的目的。

（三）位置传感器接口电路

系统驱动板为无刷直流电机提供了霍尔信号的接口，由于传感器信号在传输过程极易收到干扰信号的影响，为提高位置传感器信号的准确性和系统的抗干扰能力，需采用数字隔离器件为媒介，将霍尔传感器信号传递给DSP控制芯片，本设计采用TI公司的ISO7230数字隔离器件，该器件采用电容耦合技术，可以很好地抵抗外界磁场的干扰。

四、调试及结果

其软件设计由主程序设计和中断程序设计两部分组成，利用CCS v5开发环境完成了主控制板程序的编写，主程序的主要工作是完成系统初始化和外设模块初始化。中断服务程序由多个子程序组成，是整个软件系统的核心，该部分主要完成转子位置的读取，双环控制算法的实现、电机换向等工作。经过测试，该无刷直流电机体积相对较小，性能较好。

参考文献：

[1] 徐方建.一种电动车无刷直流电机控制电路的研究设计[D].工业控制计算机.2014.

[2] 金博.无刷直流电机专用控制集成电路MC33035的原理及应用[D]民营科技.2008.

[3] 张震.无刷直流电机转速伺服系统动态面控制[D].2017.

作者简介：

王群，1995 年09月27日，男，汉族，河北省唐山市人；职称：学生；单位：郑州大学物理工程学院；专业：物理电子专业；研究方向：单片机

康瑶，1995 年03月14日，女，彝族，贵州省六盘水市人；职称：学生；单位：郑州大学物理工程学院；专业：物理电子专业；研究方向：单片机