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基于TMS320F28335无刷直流电动机换向调速系统设计

北京信息科技大学的研究人员李萍、刘国忠，在2015年第7期

《电气技术》杂志上撰文，无刷直流电动机具有高效、节能、寿命长

等显著特点而广泛应用于国民经济发展的各个领域，研究其换向调速

控制技术对提高系统性能具有重要意义。针对传统无刷直流电动机控

制精度较低、响应速度较慢的问题，设计了基于TMS320F28335浮点

型高性能DSP控制器的无刷直流电机双闭环PID调速系统，包括换向

功率驱动硬件电路系统和信息处理及PWM控制调速软件系统。通过

试验调试，表明所设计系统实现电机换向调速功能,系统运行平稳，具

有良好的动态、静态特性。

1引言

无刷直流电动机由于其结构简单、出力大、效率高、寿命长、噪

声低等特点，已在国防、航空航天、机器人、工业过程控制、汽车电

子、精密机床、家用电器等领域得到广泛应用。目前，对于无刷直流

电机的控制主要采用专用集成电路控制器[1、2]。

专用集成电路控制器结构简单、性价比高、外围器件比分离式控

制器少，但在应用中会受到功能扩展性差，不易进行产品功能变化和

升级操作等方面的制约，而更多地转向能够灵活自主设计系统软、硬

件方面，常采用FPGA、单片机实现对电机的控制。随着DSP的广泛

应用，其在数据处理速度和强大的外设处理能力方面，逐步成为电机

控制领域的首选。本文介绍以DSPTMS320F28335控制器为核心，

设计无刷直流电机调速系统包括硬件电路和控制软件。

2无刷直流电动机调速原理

常用的无刷直流电动机是由电机本体、具有电子换向功能的功率

驱动电路和位置传感器三部分组成。将电机设计成由铁芯中嵌有三相

对称Y型接法的定子绕组和由一定极对数镶嵌于铁芯永磁体的转子构

成电机本体。

由于无刷直流电机取消了电刷，安装在转子上的传感器检测转子

转动位置，控制与电机定子绕组连接的换向功率驱动电路，确保定子

电流导通相所产生的电枢磁场与转子永磁体的磁场方向在电机运行过

程中始终保持互相垂直，从而获得最大转矩，驱动电机运转[3]。

无刷直流电机的机械特性、调节特性与他励直流电动机的特性类

似。通过改变电机定子电压大小，使电机获得不同的转速，因此在控

制电机转速时，通过改变定子电压来克服负载或电网扰动带来的转速

降。由于无刷直流电机启动电流是额定电流的几倍到十几倍，因此为

了防止电机运行中过电流对电机的不良损耗，采用了电流闭环控制。

无刷直流电机速度控制系统采用了类似于他励直流电机双闭环调

压调速控制方式，基于无刷直流电机的结构特点，通过PWM调制电

枢端电压来实现速度控制[4]。速度、电流控制环节均采用PID控制算

法。双闭环无刷直流电机调速系统结构框图如下所示。

图1双闭环无刷直流电机调速系统结构图

3换向功率驱动电路设计

换向功率驱动电路作用是在电机旋转中控制定子电流的导通相及

电流方向，使其产生的磁场方向与转子永磁体磁场方向正交，已获得

最大转矩。由于电机转子不断旋转，定子电流实时换向换流，根据给

定转速调节定子电压大小，同时还要通过检测电路获取转子磁极位置

和定子电流大小，以保证电机准确、安全运转。可见换向功率驱动电

路包括三相逆变器主电路、PWM驱动电路、PWM驱动信号隔离电路、

位置检测电路、定子电流检测电路和系统保护电路，系统电路示意图

如2所示。

图2无刷直流电动机换向驱动系统电路结构示意图

下面分别进行介绍：

（1）逆变器主电路设计

逆变器主电路采用带有反并联续流二极管的MOSFET功率管构成

二电平逆变器结构如图3所示。经整流、滤波的直流侧电压加于Udc。

直流侧接一无感功率电阻用来检测输入定子的电流。