1 、引言

無刷直流電機是一種近年來隨著電子技術的迅速發展而發展起來的一種新型伺服電機。 與直流電機比較，電機用換向電路取代換向器（整流子）和電刷組成的機械接觸結構，因此 沒有換向火花，不產生無線電干擾，壽命長，運行可靠，維護簡便。而與交流伺服電機比較， 又具有控制簡單，價格低廉的特點，因此在小型機電裝置中得到廣泛的應用。本文研制了基 于數字控制器電動機的伺服控制系統。

2 、電路總體方案設計

硬件電路可以分為三部分：主控電路模塊、功率驅動電路模塊和電源模塊。主控電路模 塊以DSP 為核心，外圍電路主要包括：調試仿真接口電路、外部存儲器擴展電路、串行通 信接口電路、CAN 總線接口、脈沖量、模擬量控制接口、數字模擬轉換電路和輸入輸出擴 展借口。功率驅動電路包括逆變器主電路、轉子位置檢測電路等。電源電路為系統提供多路 不同等級的直流電源。電路整體方案如圖1 所示。

3 、硬件電路詳細設計

本系統采用TI 公司的高性能的DSP 控制器TMS230LF2407APGE 作為控制核心，2407ADSP 控制器是專為電機控制的應用而設計的。它將高性能的DSP 內核和豐富的控制器外設 集成于單片中，從而成為傳統的微控制器單元和高成本的多片設計的理想替代。40MIPS 的 運行速度，使得2407A DSP 控制器能提供比傳統16 位微控制器和微處理器更高的性價比。

3.1 DSP 外圍電路

1、CAN 總線接口電路CAN 技術即控制器區域網，是一種主要用于各種設備檢測及控 制的網絡。具有獨特的設計思想、良好的功能特性和極高的可靠性，現場抗干擾能力強。 TMS320LF2407A DSP 內部集成CAN 控制器模塊，電路采用PC82C250 作為CAN 的接口芯 片；同理，由于PC82C250 仍為+5V 供電，故在PC82C250 與TMS320LF2407A DSP 之間加 入電平匹配電路。接口電路如圖2 所示。

2、外部存儲器擴展DSP 具有片內RAM，其中一部分用來運行程序，另外一部分可以 用來存儲臨時數據，為了加快硬件系統的調試速度，在調試階段不會將程序燒寫到DSP 的 flash 中，而是下載到外部擴展RAM 中。因此，需擴充一部分SRAM。本系統選擇了 CY7C1021V33 作為外部擴展RAM。CY7C1021V33 是Cypress 公司生產的16 位64K 字節的 靜態RAM 存儲器，采用CMOS 工藝，具有自動低功耗模式的功能，降低系統功耗，保證 低散熱量。同時，CY7C1021V33 是+3.3V 供電，與DSP 有很好的兼容性。

3、編碼器的接口電路控制系統利用編碼器來檢測電機的位置，TMS320LF2407A DSP 事件管理器中有一個編碼器脈沖電路，對編碼器的反饋信號進行解碼和計數而獲得電機運行 時的轉向和速度。由于編碼器的供電電壓為5V，為了使編碼器的反饋信號和DSP 的電平匹 配，系統設計時主要考慮的是電壓的轉換，將5V 電壓轉換成3.3V。由于有的編碼器信號由 差分構成，所以在設計時，在進行電壓轉換之前，首先將差分信號進行處理。

4、JTAG 仿真接口程序的在線調試和仿真通過JTAG（Joint Test Action Group）標準測 試接口及相應的控制器，從而不但能控制和觀察系統中處理器的運行，測試每一塊芯片，還 可以用這個接口來下載程序。在TMS320 系列中，和JTAG 測試口同時工作的還有一個分析 模塊。它支持斷點的設置和程序存儲器、數據存儲器、DMA 的訪問，程序的單步運行和跟 蹤，以及程序的分支和外部中斷的計數等。通過結合TI 的集成開發環境（CC）與JTAG 接 口，可以很方便地進行實時在線調試。

3.2 功率驅動電路設計

本系統的驅動電路的設計主要是圍繞著Si9979Cs 展開的。Si9979 為無刷電動機控制提 供諸如控制信號輸入、產生換向邏輯、門驅動輸出和保護電路等一些功能。Si9979Cs 內部 有輸入控制信號邏輯電路、功率放大電路、電源分離懸浮電路、斬波電路及電流反饋信號處 理電路等構成?？刂菩盘栞斎攵藘炔慷冀由侠?a target="_blank">電阻，與電源VDD 相接，簡化的芯片的外圍 電路。芯片可以通過外圍RT 電路和PWM 控制端來控制電機電流及轉速。功率放大電路可 以使MOSFET 驅動信號進行直接驅動。

由于功率驅動電路采用 24V 供電，相對于DSP 的3.3V 電壓，非常容易對控制電路造成 干擾，導致控制系統穩定性下降。故在系統設計時將功率驅動電路和控制電路完全分開，功 率部分和控制部分不共地而控制信號采用光耦隔離，其中主要的控制信號為PWM 信號、EN 信號、DIR 信號和BRAKE 信號。我們采用TI 公司的高速光耦6N137 作為PWM 的隔離芯 片，采用Toshiba 公司的低成本光耦TLP521-4 作為EN 信號、DIR 信號和BRAKE 信號的隔 離芯片，為了保持邏輯的清晰，光耦設計采用同相邏輯。電路圖如圖3 所示。

圖3 控制信號光耦隔離電路圖

3.3 電源電路的設計

控制系統主要由控制部分和驅動部分組成，為了有效的減少各部分之間的干擾，我們將 控制部分和驅動部分的電源完全隔離，這樣可以有效抑制驅動部分和控制部分的相互干擾。 系統控制部分電源主要有 5V 和3.3V 兩種電壓，系統的外加電源為24V，為實現電源完全 隔離，采用DC/DC 變換器HDW5-24D05，變換器寬范圍輸入18-36V，輸入輸出完全隔離， 大功率、小體積，符合系統設計要求。

DSP 芯片的供電電壓3.3V，我們采用DC/DC 變換器變換后的5V 電源轉換成3.3V，選 擇低功耗電源轉換芯片TPS7333，輸入5V，輸出3.3V。編碼器的反饋信號，脈沖控制量的 輸入信號都是5V 的電平，為了實現與DSP 的3.3V 電平的匹配，我們采用TI 公司的電壓轉 換芯片SN74LVC4245A，8 通道，系統所有的5V 轉換3.3V 的信號都可以通過一塊芯片實 現，電路圖如圖4 所示。

由于 24V 已經通過DC/DC 變換器與控制部分電源完全隔離，故系統的外加引入電源 24V 可以直接給集成驅動芯片Si9979Cs 和MOSFET 功率管IRF540 供電?；魻栐墓╇?電壓為5V，因為霍爾元件的信號是反饋到驅動元件上，所以霍爾元件的供電電壓應該在驅動部分由24V 直接轉換，由于24V 到5V 有較大的壓降，為了保證穩定性，我們選用NI 公 司的大電流電壓轉換芯片LM2576-5，最大支持輸入電壓為45V。并且在LM2576-5 上加散 熱片，很有效的抑制了由于大壓降產生的芯片過熱的情況。

4 、電機控制系統的程序設計

電動機控制系統程序設計，是圍繞系統的總體設計思想，和電路設計思路以及系統調試 相互配合的過程。本控制系統的主要程序編制是圍繞TI 公司的TMS320LF2407A DSP 來進 行的。程序主要完成PWM 波形的產生，編碼器的處理，運動軌跡規劃程序，位置回路、速 度回路雙閉環PI 控制和驅動器指令接口電路的程序設計。

系統程序總體結構如圖 5 所示。系統程序主要由主程序模塊和中斷程序模塊構成：主 程序模塊主要完成變量的定義、各功能模塊的初始化和I/O 口的初始化等，而中斷服務程序 就是在中斷中執行各功能模塊的程序，例如讀取當前時刻的位置信息，位置回路、速度回路 的PI 調節、占空比的調節等，主程序是在程序開始時執行一次，然后等待中斷的發生。

5、結語

本文完成了基于 DSP 的電動機控制、驅動電路的設計及制作。編寫了控制程序，實現 了電動機系統位置、速度的雙閉環控制，系統控制性能良好。