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基于TMS320LF2407A的交流电机驱动控制器平台设计报告

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目录
基于2407A的交流电机驱动平台控制板设计报告1
一、课程设计目的1
二、2407A介绍1
三、总体设计2
四、详细设计3
1．最小系统3
2．检测电路5
3．转速给定6
4．PWM输出7
5．保护及故障处理电路7
6．显示及人机交互电路7
7．通信电路8
五、总结9

基于2407A的交流电机驱动平台控制板设计报告
一、课程设计目的：
1．初步掌握交流电机驱动控制器的原理和结构
2．掌握交流电机驱动控制各个部分的实现原理与方法
3．掌握电机控制专用DSP的原理与应用
4．掌握电机驱动控制中的电力电子电路原理与应用方法
5．PROTEL原理图与印刷电路图的设计
二、2407A介绍
TMS320LF2407A是TI公司C2XX系列DSP，内核与I/O均采用3.3V供电，因此功耗较低。2407A的运行速度最高可达40MIPS，内部集成了2个8通道的AD转换器。同时，2407A还集成了两个专门用于电机控制的事件管理器（EV）。每个EV包含两个16位通用定时器，3个捕获单元，一个光电编码器接口模块，可以输出8路16位PWM信号，并可以插入死区。此外，2407A还包含SCI、CAN、SPI等接口模块及大量I/O接口。由于2407A性能相对优良，而价格相对较低，因此在电机控制、电力电子等领域获得了广泛应用。

三、总体设计
控制板电路要素：
w 1，DSP最小系统
w 2，速度反馈电路
w 3，电流反馈电路
w 4，速度给定电路
w 5，PWM输出保护电路
w 6，功率板接口电路
w 7，HMI与通信接口电路
w 8，其他电路

在众多的交流电机控制系统中，矢量控制技术性能最佳，但也最为复杂。根据矢量控制技术的要求，系统通过测量电机的转速、定子电流、定子电压，按照一定的控制算法调节PWM波的输出，实现电机的转速及转矩控制。同时考虑到电路的启动与运行安全、人机交互及通信等，将系统的控制部分总体结构设计如下图所示：

系统主要包括：DSP核心系统，电流、电压、转速、温度等检测电路，转速的给定电路，PWM输出及保护电路，通信接口电路，人机交互模块，以及一些其他的保护电路。

四、详细设计
根据总体设计，对各个子模块的设计如下：
1．最小系统
DSP最小系统是保证一个DSP能够正常运行的最小系统，除了DSP，还包括电源模块、片外存储器模块、JTAG接口、振荡及锁相环电路。
①电源模块：控制板是一个3.3V与5V混合的系统，外部为控制板提供的只有5V电源，因此需要使用电源芯片将5V转化成3.3V。并且，供给AD模块作为基准电压的电源VCCA（3.3V）是模拟信号，要与3.3V的数字电源隔离。此外，还应加上复位电路，实现上电复位和硬件复位。设计的电路如下：

电源转换电路 复位电路

②片外存储电路：由于LF2407A内部存储空间有限，因此必须外接存储芯片扩展，以实现程序的在线下载仿真。系统选用64KX16位的IS61LV6416 SRAM芯片来扩展，将PS、DS相与后，作为片选信号，可以同时扩展程序空间、数据空间。设计电路如下：

③JTAG接口电路：C2XX系列DSP需外接仿真器实现在线仿真，LF2407A采用14针的JTAG作为仿真接口。电路如下：

④振荡及锁相环电路：LF2407A内部集成有振荡电路，只需外接晶振实现起振即可，系统选用20Mhz的晶振。同时，LF2407A内部集成有锁相环电路（PLL），可实现倍频，但须外接滤波电路。电路设计如下：

2．检测电路
系统需采集定子电流、母线电压和实际转速参与控制，同时需采集电力电子器件的温度及泵升电压以保证安全运行。通过功率板及电机上的传感器采集数据，经过控制板的调理，送入DSP实现AD转换。
① 电流检测：电流采集通过电压型电流霍尔传感器实现，将霍尔传感器的输出经过滤波、分压后输入DSP。由于三相电流只有两项独立，因此只需采集两路电流即可电流检测处理电路设计如下：

② 电压检测：电压检测采用电阻分压的形式实现，通过模拟光耦差分输出到控制板，经过控制板的滤波、调理后输入DSP实现AD转换。设计电路如下：

③ 温度检测：为保证电力电子器件(IGBT或IPM模块)的安全，应检测器件的温度，当温度过高，采取一定措施，避免器件损坏。系统采用热敏电阻(HTC)温度传感器在功率板上采集温度，经过控制板的调理输出DSP。电路如下：

其中电阻R67的阻值大小根据传感器来选取。
④ 转速检测：转速通过安装在电机轴上的光电编码器来检测，观点编码器输出的差分信号经过控制板的调理，将A、B、Z三路信号中的A、B输入到EV的QEP模块，实现转速测定。电路如下：

考虑到同步电机的控制，因此系统还应检测U、V、W，电路完全相同。
3．转速给定
转速的给定可以通过数字方式给定，也可以通过模拟的方式给定。系统选用模拟给定的方式，通过调节电位器分压，输入到DSP的AD模块，来实现转速的设定。电路如图所示：

4．PWM输出
系统通过输出PWM波，经光耦隔离来控制电力电子器件的开通与关断。设计的PWM输出电路如下所示，缓冲器74HC245用来增强PWM输出引脚的驱动能力。系统采用PWM低有效，应保持同一桥臂上的器件不同时导通，为保证安全，将PWM信号经过或、与非后作为缓冲器的输出允许信号。当任意一桥臂上的两个信号同时有效时，PWM信号将不能输出。

5．保护及故障处理电路
系统将功率板上输入的故障信号输入到DSP的PDPINTA引脚，当出现过压、过流等故障时，系统将产生中断，进行相应的故障处理。系统输出的故障处理信号包括PV、FAN。当泵升电压过高时，PV信号有效，控制母线间的开关器件开通，通过电阻耗能。当器件温度过高时，FAN信号有效，打开风扇。此外，还有SFT信号用来实现软启动。

6．显示及人机交互电路
系统包含四位数码管来显示转速（实际转速、给定转速），数码管采用静态显示，通过四块CD4094的级联来控制。数据的输入通过SPI接口中的SIMO、CPICLK来实现。电路如下：

此外，还有四位拨码开关来进行操作的输入，四个LED灯来指示运行状态。
7．通信电路
系统设计了串行通信接口实现与上位PC机的通信，设计了CAN通信接口用于扩展通信。电路如下：

串行通信接口 CAN收发接口

(1). 串行通信接口
串口通信口（SCI）是一种采用两根信号线的异步串行通信接口。MAX3232是RS232的专用收发器件，进行典型连接，以此来进行通讯。采用专有低压差发送器输出级，利用双电荷泵在3.0V至5.5V电源供电时能够实现真正的RS-232性 能，器件仅需四个0.1uF的外部小尺寸电荷泵电容。max3232确保在120kbps数据速率，同时保持RS-232输出电平。max3232具有二 路接收器和二路驱动器，提供1uA关断模式，有效降低功效并延迟便携式产品的电池使用寿命。关断模式下，接收器保持有效状态，对外部设备进行监测，仅消耗 1uA电源电流，max3232的引脚、封装和功能分别与工业标准MAX242和MAX232兼容。
其中232RX是RS232的接收数据端；232TX是RS232的发送数据端；SC1TXD 是TTL/CMOS的输入端，SCI异步串行口接收数据引脚；SC1TXD是TTL/CMOS的输出端，连接到DSP板的SCI异步串行口发送数据引脚。
DB9头各管脚定义：
1、载波检测DCD；2、接收数据RXD；3、发送数据TXD；4、数据终端准备好DTR；5、信号地SG；6、数据准备好DSR;7、请求发送RTS；8、清除发送CTS；9、振铃提示RI
(2). CAN收发接口
由于TMS320LF2407A采用3.3V供电，所以我们选用了3.3V供电的CAN总线收发驱动芯片SN65HVD230(VP230)，提供对总线的差动收发和接收功能。
五、总结
首先感谢老师为本次课设付出的辛劳，及本组同学的支持。
我这次主要做的部分是通信电路部分，虽然这部分比较简单，但以前对通信接口方面的知识了解很少。通过查找这方面的资料并学习，基本掌握了其原理。我们设计的通信电路主要有两部分，一是串口通信接口，另一部分是CAN收发接口。这部分电路有比较成熟的模块，只是在设计过程中应注意供电电压和对应芯片的选择。