通用型通用型直流有刷无刷兼容电机驱动器设计

齐洪豪 罗炜 陈林杰 谢训鹏 唐珑

摘 要本论文设计了一种基于DSP的直流电机驱动器。该驱动器以TI公司的DSP芯片TMS320F28335为控制核心，以英飞凌公司的电桥式电机驱动芯片BTN7970为驱动核心，既可以实现对直流有刷电机的控制，又可以实现对直流无刷电机的控制，同时提供过压、欠压、过流、过温保护，稳定性高、成本低，具有广泛的应用价值。

关键词DSP BTN7970 直流有刷电机 直流无刷电机 驱动器

1引言

随着直流电机在智能机器人、电动汽车等领域的广泛应用，市场上对直流电机驱动器的需求越来越迫切。直流电机分为直流有刷电机和直流无刷电机，两者在控制上存在一定的异同点，因此，设计一种通用的驱动器，能够满足对两种直流电机的控制，可以极大地扩展其应用范围。

随着微机运算速度的提高、存储器的大容量化，全数字控制已是电机控制的主流^[1]。目前数字控制器的控制核心一般采用单片机、DSP、ARM等，与普通单片机和ARM相比，DSP采用流水线技术，提高了指令运行效率，内部集成硬件乘法器，缩短了乘法运算时间，特别适合复杂数学运算。另外，有些DSP内部集成了专门的电机控制模块，形成了电机控制专用系列，已在电机控制中得到了广泛应用。

在此背景下，本文采用TI公司的DSP芯片TMS320F28335开发了一款通用型直流有刷无刷兼容电机驱动器，用于实现对直流有刷电机和直流无刷电机的伺服控制。

2系统设计

基于DSP的通用型直流有刷无刷兼容电机驱动器包括基于DSP的电机控制电路和基于BTN7970的电机驱动电路，其总体结构框图如图1所示：

图1 驱动器总体结构图

3硬件设计

3.1 基于DSP的电机控制电路设计

基于DSP的电机控制电路包括SRAM存储器扩展电路、PWM输出电路、编码器接口电路、霍尔位置传感器接口电路、RS485串口电路和JTAG接口电路。

3.1.1PWM输出电路设计

DSP输出的PWM信号电平为3.3V，不能直接驱动MOS管，因此需要通过74LVC4245AD芯片将3.3V电平变换为5V电平。芯片的L_AP为芯片的使能端，控制该芯片是否工作，B0～B5连接到DSP的PWM输出引脚，A0～A5为经过电平转换后的PWM输出信号，连接至驱动桥。

3.1.2 RS485串口电路设计

驱动器采用RS485串口与其他设备通讯。由于DSP的UART接口是TTL电平，与RS485电平不匹配，选用SP3485芯片进行电平转换，芯片外接上拉电阻和下拉电阻和匹配电阻。PESD15VL2BT起静电保护作用，用于防止输入高压对芯片造成损坏。

3.1.3编码器接口电路设计

由于DSP芯片只有两个捕获接口，不能同时满足ABZ光电编码器信号采集需求和霍尔位置传感器信号采集需求，因此，采用HCTL-2032-SC计数器芯片扩展了两路捕获接口。由于ABZ光电编码器用于采集转速，控制中采集转速的频率相对较低，因此采用该扩展电路采集ABZ光电编码器信号。由于HCTL-2032-SC采用5V电平，DSP为3.3V电平，采用74LVC4245AD进行电平转换。DSP定时读取HCTL-2032-SC的计数值并计算得到当前转速。RSTx和RSTy为计数器清零控制引脚；EN1、EN2为计数模式选择引脚，HCTL-2032-SC有8位、16位、32位三种不同的计数模式；OE、SEL1、SEL2引脚控制DSP每次读写的字节长度；CLK为HCTL-2032-SC时钟引脚；X/Y为通道选择引脚。

3.2 基于BTN7970的电机驱动电路设计

基于BTN7970的电机驱动电路采用电桥式电机驱动芯片BTN7970实现，驱动电流大，稳定性高，包含主驱动电路、电流检测电路、电压检测电路、温度检测电路和抱闸控制电路。

3.2.1 主驱动电路设计

主驱动电路采用BTN7970芯片实现，BTN7970是一种电桥式电机驱动芯片，驱动能力可达到70A，其内部集成了一个P型通道的高电位MOS管、一个N型通道的低电位MOS管和一个MOS管驱动模块，形成了一个高电流半桥。多个BTN7970可形成H桥和三相全桥驱动结构，实现对直流有刷电机和直流无刷电机的驱动。

控制关系如表1所示。

表1 BTN7970导通控制

(INH，IN)状态	输出
1，0	低电位开关开启，高电位开关关断
1，1	高电位开关开启，低电位开关关断
0，X	进入休眠状态

3.2.2 电流检测电路设计

电流传感器选用Honeywell公司的CSNX25-500，量程为0～56A，可测量直流电流或交流电流。将电流传感器接入电机驱动电路中进行电流检测，CSNX25-500由5V电源供电，采用内部自带的2.5V基准电平，传感器为电流输出，通过电阻将电流转换为电压输出，连接跟随电路，然后进行分压，保证输出电压限定在0～3V之间，从而使DSP的AD采样端口能够安全采样。

4软件设计

控制软件基于PID算法设计，PID算法是根据系统给定与反馈的偏差，利用比例、积分、微分方法对偏差信号进行处理，计算出控制量作用于被控对象，使给定与反馈的偏差向最小方向变化。直流有刷电机和直流无刷电机位置环、速度环控制方法基本相同，不同之处在于电流环的控制，直流有刷电机的电流是单相直流电，而直流无刷电机的电流是三相交流电，本论文对直流无刷电机的三相电流同时进行控制，从而达到对电机电流、转速、转矩的精确控制。

5结束语

本文以DSP芯片TMS320F28335为控制核心，以电桥式电机驱动芯片BTN7970为驱动核心，设计了电机驱动器的硬件电路，开发了与硬件电路相适应的电机控制软件，既可以实现对直流有刷电机的伺服控制，又可以实现对直流无刷电机的伺服控制，同时提供过压、欠压、过流、过温保护，稳定性高，成本低，有广阔的应用价值。

参考文献

[1]顾海洲,马双武.PCB电磁兼容技术—设计实践[M].北京:清华大学出版社,2004.

[2] 顾卫刚.手把手教你学DSP—基于TMS320X281x[M].北京:北京航空航天大学出版社,2012.

[3] 仉毅.基于通用变频器的鼠笼电动机微机测控系统[D].山东科技大学,2001.

[4]王宏宝,于红云,刘俊岭译.电子电路分析与设计—模拟电子技术.第3版[M].北京:清华大学出版社,2009.

作者简介

齐洪豪（1986-），男，河南省商丘市人，本科学位，工程师。主要研究方向：智能机器人控制。

作者单位

江西洪都航空工业集团有限责任公司 江西省南昌市 330000