CN201536337U

CN201536337U - 基于dsp的直流电机控制器

Info

Publication number: CN201536337U
Application number: CN2009200764594U
Authority: CN
Inventors: 官洪运; 官慧峰; 单一帆; 张颖; 盛威
Original assignee: 官洪运
Priority date: 2009-06-17
Filing date: 2009-06-17
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2019-06-17

Abstract

本实用新型涉及一种直流电机控制器，尤其是应用DSP芯片的直流电机控制器。一种基于DSP的直流电机控制器，其特征在于，包括控制、驱动、显示及电源板四部分，每部分之间通过信号线连接并通过光耦隔离；控制部分包括DSP组件和微处理器组件；驱动部分包括直流电机控制芯片和多个IGBT，直流电机控制芯片的输出与IGBT直接或者通过IGBT驱动器连接；电机的霍尔传感器的脉冲信号经过光耦隔离后，再经过跳边检测电路分别送至控制部分的DSP组件和微处理器组件；显示部分为多个数码管，数码管与控制部分相连；电源板上包括300V、15V、9V、5V四组电源。300V电源与直流电机相连，15V和5V与驱动部分相连，9V电源与控制部分相连。

Description

基于DSP的直流电机控制器

技术领域

本实用新型涉及一种直流电机控制器，尤其是应用DSP芯片的直流电机控制器。

背景技术

直流无刷电动机具有运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点，并且结构简单、运行可靠、维护方便，因此它广泛运用在当今国民经济各个领域，如医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等。

对于直流无刷电动机的控制，在对功能要求不高的场合，一般控制核心会选择MC33035这样的专用电机控制器，它几乎涵盖了控制直流电机所需的全部功能，而且所有的控制功能都是通过硬件实现的，而无需软件编程，但也正因为它无法植入外加的软件程序，带来的局限性便是无法进行功能的再扩展。所以在需要更多功能的直流电机控制控制器中，便会使用数字信号处理器DSP作为控制核心。

目前DSP多数采用的是TI公司生产的TMS320C28x系列的控制芯片，它既具有数字信号处理能力，又具有强大的时间管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于大批量数据处理的测控场合，如工业自动化控制、电力电子技术应用、智能化仪器仪表及电机、马达伺服控制控制器等。

目前大功率(千瓦级)、高转速(一万转以上)的直流电机控制控制器相对缺乏，因此本实用新型主要针对大功率、高转速直流电机。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种应用于大功率，高转速的直流电机，能够实现快速刹车，控制停止位置，并且转速误差小，控制精度高，控制器安全稳定的基于DSP的直流电机控制器及其控制方法。

本实用新型是这样实现的：一种基于DSP的直流电机控制器，包括控制、驱动、显示及电源板四部分，每部分之间通过信号线连接并通过光耦隔离；

控制部分包括DSP组件和微处理器组件；

驱动部分包括直流电机控制芯片和多个IGBT，直流电机控制芯片的传感器输入脚与电机的位置传感器的输出连接，直流电机控制芯片的输出与IGBT直接或者通过IGBT驱动器连接；

电机的霍尔传感器的脉冲信号经过光耦隔离后，再经过跳边检测电路分别送至控制部分的DSP组件和微处理器组件；

显示部分为多个数码管，数码管与控制部分相连；

电源板上包括300V、15V、9V、5V四组电源。300V电源与直流电机相连，15V和5V与驱动部分相连，9V电源与控制部分相连。

所述DSP组件包括含有DSP芯片的主板、D/A转换芯片，接口芯片、运算放大器，以及光耦、电阻、电容、电感等基本电路元件；

DSP芯片的一个输出端口与D/A转换芯片相连，D/A转换芯片的一个输出端口通过一个运算放大器与驱动部分中直流电机控制芯片的误差信号放大器同向输入端相连；

电机的霍尔传感器的脉冲信号经过光耦隔离后，经过跳边检测电路送至DSP芯片的一个输入端口；

DSP组件与外部信号之间的连接全部通过光耦隔离。

所述的微处理器组件包括微处理器、键盘、数码管、数字逻辑电路，以及电阻、电容等基本电路元件；

电机的霍尔传感器的脉冲信号经过光耦隔离后，再经过跳边检测电路送至微处理器的计数端；

微处理器经过电阻和三级管与显示部分的多个数码管连接；

微处理器还与键盘连接，并且微处理器与DSP芯片经光藕隔离后通过串行口连接。

所述电源板上5V部分用两个三端稳压集成电路7805转换出两个5V，两个5V相互间隔离，分别对含有DSP芯片的主板和驱动部分其他组件供电。

DSP芯片通过485总线与计算机相连，并且通过高速光耦隔离。

本实用新型采用DSP(数字信号处理)芯片和专用电机控制芯片两者联合控制，这样的组合原因有以下三个：

首先是本实用新型基于DSP的直流电机控制器功能的定位。控制器在完成对电机转速控制的同时，也希望控制器能够尽可能的智能化，因此设计了两种控制方式：远程控制(通过计算机控制电机工作状态)和手动调节(在电机控制器上调节电机转速)。远程控制，目前工业应用较多的是485总线，在厂区中485总线网络比较普遍。若本控制控制器也需要走485总线的话，则必然要通过通信模式来实现电脑对电机转速的控制，单一的专用电机控制芯片无法完成此功能。另外，本控制器设计控制的是高速和功率较大的电机，在电机工作过程中，还需启动附加的配套设备以保护电机的工作安全，如启动冷却装置，报警机制等。因此必须加上微处理器才能实现这一系列的功能。

其次，专用的电机控制芯片只能实现对电机转速的开环控制，控制精度无法保障，更无法加入其它的控制算法。开环控制在转速精度有较高要求的场合是不能够达到要求的。

最后，纯粹的DSP控制。纯粹的DSP控制在算法操作上更简单，硬件电路制做也不复杂，但是要将数字电路与模拟电路很好地匹配起来却有一定的难度。DSP的工作电压一般是3.3V，而模拟电路一般至少是5V供电，因此需要进行电平匹配。DSP是数字电路，管脚的驱动能力都较小。在需要较大驱动的场合，通常都要外加增强驱动能力的电路。DSP的抗干扰能力较弱，在工业应用中，外界的强电不仅会影响DSP的正常工作，还会损坏DSP。

电机的转速控制算法目前有很多，而且也在不断地改进，在理论上这些算法是完全可行，而且应该能够达到很好的控制效果。应用于实际电路中，对电路制作要求较高，对电机本身也有要求。如果电机的质量不够理想，就会影响控制效果。

综合以上各因素，同时也考虑适应5-10kw的每个电机本身差别，因此选择了DSP+专用直流电机的控制方案。综合DSP的智能与专用控制芯片在电路上的优势来实现本控制器所需的各项功能。

本实用新型控制器设计时为方便用户操作设计了通信和JOG(手动)两种模式。有电脑时，用户可以使用通信模式；没有电脑时，也可以通过JOG模式设定电机的转速。

通信模式：在通信模式下，控制器通过485总线与计算机相连，计算机将用户的操作指令通过485总线传递给控制器，同时控制器将电机的运转情况也通过485总线反馈给计算机，通信模式使用户在电脑前就可以方便地对电机进行操作，设置电机的最高转速、加速度以及显示电机当前的实际转速等。

JOG模式：在JOG模式下，电机参数的设置不再对用户开放，但是控制器设计了一个对外的键盘，用户可以通过键盘来设置电机的转速，同时控制器设计了一个转速表，用户可直观看到电机的实际转速。

本实用新型基于DSP的直流电机控制器具有控制精度高，带载时保持转速稳定，电脑和手动两种模式控制，定点刹车，防止过冲，并且控制器内设计有可靠的光电隔离以及完善的各种电机保护功能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

图1为本实用新型原理框图；

图2为5V电源电路原理图；

图3为D/A转换电路原理图；

图4为本实用新型通信连接部分电路原理示意图；

图5为DSP外部管脚连接电路图；

图6为本实用新型站点号设置原理原理图；

图7为AT89S52外部连接电路图；

图8为电源原理电路；

图9为1倍频电路原理图；

图10为显示部分电路原理图；

图11为驱动部分电路原理图；

图12为MC33035管脚排列图；

图13为过流检测电路原理图。

具体实施方式

参见图1。一种基于DSP的直流电机控制器，包括控制、驱动、显示及电源板四部分，每部分之间通过信号线连接并通过光耦隔离；控制部分包括DSP组件和微处理器组件；驱动部分包括直流电机控制芯片和多个IGBT，直流电机控制芯片的传感器输入脚与电机的位置传感器的输出连接，直流电机控制芯片的输出与IGBT直接或者通过IGBT驱动器连接；电机的霍尔传感器的脉冲信号经过光耦隔离后，再经过跳边检测电路分别送至控制部分的DSP组件和微处理器组件；显示部分为多个数码管，数码管与控制部分相连；电源板上包括300V、15V、9V、5V四组电源。300V电源与直流电机相连，15V和5V与驱动部分相连，9V电源与控制部分相连。

控制部分中DSP组件包括含有DSP芯片的主板、D/A转换芯片(TLV5616)，接口芯片(MAX485)，运算放大器(LM358)等主要器件，以及光耦、电阻和电容等基本器件。

DSP芯片选择TMS320F2812，本实用新型使用的是一块ICETEK-2812-B开发板，ICETEK-2812-B板除了带TMS320F2812，还有一颗电源管理芯片，可将外接5V转为3.3V和1.8V供电，然后另制一块电路板将DSP芯片的所有引脚引出来，以开发控制器所需的功能，DSP外部管脚连接电路参见图5。

如图2所示，控制部分从电源板获取9V电源，然后再用两个7805转换出两个5V，一个给ICETEK-2812-B板供电，另一个给其他与外部连接的元件如MAX485、TLP521等以及AT89S52控制板供电，两个5V相互间隔离，以确保DSP芯片与外界隔离，两个地之间用电感相连。这样设置是由于DSP芯片受到强电冲击会造成损坏，因此需要与外界隔离。

DSP需输出一个控制电机转速的模拟电压量给驱动部分。利用TMS320F2812的一个GPIO口输出一个控制电压大小的数字量，然后用D/A将此数字量转化为模拟电压量加载到直流电机控制芯片。

如图3，D/A选用的是TLV5616，将DSP的一个GPIO口SPISIMOA与D/A的1脚DIN相连，TLV5616需要的时钟信号也由DSP的GPIO端的时钟信号提供。TLV5616的供电电压是3.3V，而TLV5616的参考电压则由两个电阻从供电电压3.3V处分压，图3中的参考电压

V_{REF} = 3.3 V * \frac{18}{25 + 18} = 1.4 V,

因此D/A的最大输出电压≤V_REF＝1.4V。

最大为1.4V的输出电压太低，加在直流电机控制芯片上调节电机转速的电压大约在1V～2.5V之间，电压越大，转速越大。因此在D/A的输出后面加了一级运放，这里用双运放LM358(U16)内部的一个运放将DA的输出电压进行放大，即U16中管脚1输出的是经放大后的电压量。

关于隔离光耦，这里采用了TLP521-2(内部集成两颗单光耦，具有相同的特性)，其前后分别加一级运放，由此组成的电路可以代替线性光耦，表现出良好的线性关系。

如图4，TMS320F2812与计算机之间的通信通过485总线来实现。用MAX485对RXD和TXD两个信号进行电平转换，以适合485总线传输。为不影响通信速率，此处隔离使用了两颗高速光耦6N137。6N137的开关速度是45ns，对于9600或者19200的通信速率来说，此开关速度不会成为提高通信速率的瓶颈。

本控制器支持多站点控制，即在PC上的可以控制多个电机调速器，总线式的控制方式要求每个站点都提供一个站点号，使得控制中心在广播控制指令时可以传到相应的站点。故在DSP控制部分还放置了一个拨码盘，以便为自己设定一个站点号，如图6所示。

在DSP与驱动部分连接时，输入信号是从驱动部分获取的过流报警信号；而输出则是给驱动部分的启动/停止和刹车信号。这里信号的连接处都用光耦TLP521隔离，以保护控制器工作安全。

微处理器组件中使用的微处理器为AT89S52，用其控制数码管显示、LED显示、扫描键盘、检测电机转速等。在手动模式时，电机的转速由键盘设定，用AT89S52来读取此设定的转速值，然后据此给出转速控制信号。

AT89S52外围电路如图7所示：Y1与C7、C8组成AT89S52的晶振，Y1是12MHz的晶振，由此构成的AT89S52的主频是12MHz，RS1和RS2都是上拉电阻，阻值是10K。

选择有三个定时器的AT89S52是因为本控制器需要三个定时器来实现。其中一个用作通信(与DSP控制部分通过通信方式传递指令)；一个作为计数器用(测量电机转速)，记录脉冲个数；另一个是操作控制器的控制器定时器，驱动整个架构。

转速检测是从电机的霍尔传感器处获取转速脉冲信号。当低速时，例如电机转速为500转/分时，霍尔处输出的转速脉冲频率约为8，产生的脉冲数太少，影响CPU的采样精度。故将从霍尔传感器处输出的脉冲信号倍频后再输出给AT89S52和DSP测速。

1倍频电路如图9所示：从霍尔传感器进来的脉冲信号首先用光耦TLP521隔离，隔离后的信号送至双单稳态触发器74LS123，用转速脉冲的上跳变和下跳变分别触发一脉冲，将触发后输出的两组负脉冲送至逻辑与门电路74LS11，原始的转速脉冲的跳边就被检测出来了。检测后得到的的转速脉冲信号分别送至DSP控制板和AT89S52处。用AT89S52的计数端T1来计数，计数后得到的数值除以2便是电机的实际转速。

显示部分始终显示电机转速，用六个数码管可显示的电机最高转速为999999转，即可显示20万转以下的电机的转速。

数码管连接如图10所示：显示采用并行方式，由AT89S52的P2口控制数码管的点亮顺序，P1口输送数据。电机转速的采集和处理都由AT89S52完成，即数码管上显示的转速是由AT89S52计算得来的，而不是由DSP控制的。故在本控制器中，在PC上看到的电机转速与在控制控制器内部看到的转速是由DSP和89S52分别处理的，但他们使用了相同的信号源(转速脉冲)。

转速是通过AT89S52控制板上的键盘输入的。采用的是3x4的键盘，AT89S52扫描键盘的键值，然后根据此键值确定输入的转速，并将此转速通过串行口传给DSP控制部分，最后由DSP根据此转速给出控制信号。在这里，DSP对转速的控制过程与PC给出转速信号时是相同的。本控制器使用键盘而不是电位器(输入模拟量后通过A/D转换成数字量)来输入转速，是为了避免模拟信号由于抖动带来的漂移，而影响控制精度。

AT89S52与TMS320F2812之间的信息的传递都是通过串行口完成的，两个串行口连接时用光耦TLP521隔离，以避免两块板之间电信号的相互影响，保护控制器。

驱动部分原理如图11所示。直流电机控制芯片选用MC33035。为使电机正常转动，提供给电机各项绕组的电流必须要进行正确的换相。因此驱动部分除了要提供足够的驱动电流外，所提供的电流还要进行正确的换相。驱动部分提供驱动电流的是具有较大功率的6个IGBT，他们除了为电机提供足够的电流外，通过控制IGBT的开关，来控制电机的换相，而IGBT的开关则是由MC33035控制的。转速是整个控制器控制的核心，虽然下达转速指令的是控制部分的DSP，但是直接控制电机转速的则是驱动部分的MC33035。

MC33035的管脚排列如图12。MC33035的11脚(误差信号放大器同向输入端)接受来自控制部分的转速控制电压，通过调节IGBT的输出脉冲宽度来调节电机的转速。MC33035是专用的无刷直流电机控制芯片，用MC33035来调节电机转速，使控制核心DSP避免了复杂的运算，可以腾出CPU时间来扩展其他的辅助功能，提高整个调速控制器的智能化水平。

将MC33035的三个传感器输入脚与电机的位置传感器(即霍尔传感器)的输出相连。通过检测霍尔传感器的输出信号获得正确的转子位置信息，从而为控制器提供高端和低端驱动输入的正确时序。本控制器控制的电机工作在120度方式下，其三个传感器输入有八种可能的输入编码组合，其中六种是有效的转子位置，另外两种编码组合无效。通过六个有效输入编码可使译码器在使用120度电气相位的窗口内分辨出电机转子的位置。

MC33035的三个传感器输入脚电路内含上拉电阻，其输入与门限典型值为2.2V的TTL电平兼容，因此电路中直接将其与集电极开路的霍尔效应开关相连接。

控制器设计控制的电机功率是5kw，给电机的供电电压是300V直流电，则驱动电流应大于等于20A。控制器设计时选择的是IR公司的IRGP50B60PD，之所以选择IGBT作为驱动器件，是因为IGBT具有优越的通态特性，又具有诸如易于驱动，宽的SOA(安全工作区)，峰值电流容量大及高可靠性等特点。IRGP50B60PD的最大输出电流可达50A，耐压600V，同时它还具有很高的切换频率150kHz，对于驱动5-10万转的直流电机，此款IGBT不会成为驱动的瓶颈。

MC33035的三个顶部驱动输出A_T、B_T、C_T的驱动电流是50mA，三个底部驱动输出A_B、B_B、C_B的驱动电流是100mA，不足以驱动大功率的IGBT。所以在MC33035与IGBT之间加了一级IGBT的DriverIR2183。IR2183作为专用的IGBT的Driver，它的驱动电流至少可达1.4A。

将MC33035的顶部输出与IR2183的逻辑低端输入相连，而底部输出则与逻辑高端输入相连。这是由于IR2183接受的是负逻辑，将顶部与低端连，底部与高端连，逻辑关系正好相符，省去了反向器。将一颗100Ω的电阻与开关二极管4148并联后串在IR2183的两个输出脚(HO、LO)上，是为了防止IGBT处的电流倒灌进IR2183。

MC33035是专用的无刷直流电机控制芯片，它集成了三相直流电机控制所需要的全部功能。本控制器的控制核心虽然是DSP，但是在配合使用MC33035后，更加完善了控制器的控制功能。

MC33035集成有启动/停止、马达刹车、故障输出、过流检测、正反转、转速控制等功能。为尽可能地提高电机的安全性能，控制器充分利用了MC33035的所有功能。

启动/停止：MC33035的7脚是输出使能管脚，当该脚为高电平时，可使电机转动。在MC33035内部，该管脚内部有为它提供电流源，因此外部只需给它提供一个逻辑高电平，即可开启驱动电机的输出管脚。控制器在控制部分用DSP的一个GPIO脚直接控制MC33035的7脚，只需在控制部分给出一个高电平信号，即可启动驱动部分。

马达刹车：与启动/停止类似，刹车是由MC33035的23脚控制的，当该管脚为低电平时，输出允许，当该管脚从低电平变为高电平时，则会使电机迅速停止转动，因此将此管脚用作刹车功能。如需刹车时，只需给该管脚一个逻辑高电平信号，同样用DSP的一个GPIO脚来控制该管脚。

故障输出：MC33035的14脚是故障输出脚，该管脚是MC33035工作时，检测到一些错误时，便会输出低电平；而正常工作时，该管脚为高电平。常见的错误有无效的传感器输入码，电流检测超过100mV，低电压锁定或热关断等等。通常情况下，三个传感器输入如果没有连上霍尔传感器(即MC33035检测到无效的传感器输入码)，该管脚就会输出一个低电平；而当MC33035本身出现问题时，该管脚也会立即输出低电平。为了便于观察MC33035是否在正常工作，在该管脚的输出端接了一个发光二极管，将该管脚与发光二极管的负端相连，发光二极管的正端接电源。当14脚输出低电平时，发光二极管就会点亮。

过电流检测：通常电机启动时，或者电机过载时电流会过大。电流过大会直接损坏电机，因此在电机运行期间，必须实时检测从电机处反馈回来的电流。MC33035的9脚是电流检测同向输入端，而15脚则接在负端上。如果将15脚接地，9脚上的电压只要超过100mV即可中断MC33035的输出。

过流检测电路如图13所示，从IGBT处采集电流信号，串联一电阻R28后，将此电流信号转换为电压信号，接在比较器LM358的同向输入端，与负端的参考电压(根据电机的性能设置的安全工作电压)比较。正常工作时，比较器输出低电平，而电流过大时，正向电压大于负向电压(安全工作电压)，比较器输出1，图中三极管8550就输出1。因此过流信号可从三极管8550的输出端得到，0表示正常工作，1表示过载。

正反转：通过改变MC33035的3脚的高低电平可以控制电机的正反转，本控制器设计时控制的电机的转向是固定的，因此将3脚直接接地。

转速控制：转速控制是整个控制控制器最核心的功能。通过改变加在MC33035的8脚上的电压可以改变输出的驱动脉冲宽度，以改变IGBT导通时间的长短，从而控制电机的转速。本控制器中此转速控制电压是从控制部分过来的，即通过DSP来控制加载在8脚上的电压，以达到控制电机转速的目的。

控制部分、驱动部分以及供给电机的电源都由电源板提供，电源板上一共提供了300V、15V、9V、5V四组电源。其中300V是直流电机的供电电源，供电电流20A；15V和5V是给驱动部分的电源；9V是给控制部分的。

电源部分原理如图8所示。直流电机需要的是300V/20A的直流电压，因此在电源板上制作了一个300V/20A的直流电源。将220V交流电经过整流以后，变成300V左右的直流电，通过整流桥整流后的直流电中含有很多谐波成分，需进行滤波。

将整流以后未经处理的含有很多谐波成分的直流电先接上一个保险丝，然后用RC滤波器滤波。因为300V电压较高，若将300V直接加在从未充过电的电容上，由于电容两端的电压不能跃变而使300V电压瞬间短路。所以上电瞬间，在电源进来的地方加了一限流电阻，等电容充电一段时间，接近饱和后再去掉限流电阻。

用一个555来做延时电路，延时时间可以通过改变R和C的值来调整。刚上电时，流过限流电阻R1的电流很大，R1发热，经过一段时间后，电容充电达到饱和，电阻R1两端电压稳定后，温度开始下降，此时便可将R1短路。因此延时时间由充电时间决定，本电路中设置的延时时间在30s-60s之间。通过两个继电器来短路R1，图8中第一个继电器J0由555控制，然后用继电器J0来控制继电器J1。经过一段时间后，当555输出由高电平变为低电平时，继电器J0闭合，J0的8脚变为高电平，使继电器J1闭合，开关合上，将R1短路，使输出电压稳定在300V/20A。控制部分基本都是弱电，TMS320F2812虽然适合工业应用，但是作为数字信号处理器，仍然容易被强电损坏，将驱动部分与控制部分电源隔离，使得驱动部分的强电不会轻易影响控制部分，有助于保护DSP。

Claims

1.一种基于DSP的直流电机控制器，其特征在于，包括控制、驱动、显示及电源板四部分，每部分之间通过信号线连接并通过光耦隔离；

控制部分包括DSP组件和微处理器组件；

显示部分为多个数码管，数码管与控制部分相连；

电源板上包括300V、15V、9V、5V四组电源，300V电源与直流电机相连，15V和5V与驱动部分相连，9V电源与控制部分相连。

2.如权利要求1所述的基于DSP的直流电机控制器，其特征在于，所述DSP组件包括含有DSP芯片的主板、D/A转换芯片、接口芯片、运算放大器、光耦、电阻、电容、电感；

DSP组件与外部信号之间的连接全部通过光耦隔离。

3.如权利要求1所述的基于DSP的直流电机控制器，其特征在于，所述的微处理器组件包括微处理器、键盘、数字逻辑电路、电阻、电容；

微处理器经过电阻和三级管与显示部分的多个数码管连接；

4.如权利要求2或3所述的基于DSP的直流电机控制器，其特征在于，所述电源板上5V部分用两个三端稳压集成电路7805转换出两个5V，两个5V相互间隔离，分别对含有DSP芯片的主板和驱动部分其他组件供电。

5.如权利要求2所述的基于DSP的直流电机控制器，其特征在于，DSP芯片通过485总线与计算机相连，并且通过高速光耦隔离。