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基于DSP的无刷直流电机控制系统的硬件设计

摘要：无刷直流电机具有结构简单、运行可靠、维

护方便、动静态特性好等优点，在工业上已得到越来越广

泛的应用。本文详细阐述了无刷直流电机控制系统的硬件

设计，以TI公司的TMS320LF2407A芯片为控制核心，设

计了无刷直流电机控制电路、驱动电路、检测电路以及保

护电路。其主要优势在于利用数字信号处理器的高速运算

功能，易于实现各种高效的控制算法，达到无刷直流电机

的高精度控制的目的。

关键词：无刷直流电机;DSP;TMS320LF2407A

无刷直流电机的特点是结构简单、运行可靠、维护方

便。它又有传统直流电机控制简单、调速性能好、功率密

度高、输出转矩大等特点。因此，无刷直流电机在工业机

器人控制、数控设备、纺织、化工等工业控制领域得到了

广泛的应用。所以，对无刷直流电机及其控制方法进行

统、深入的研究有十分重要的意义。

一、无刷直流电机系统的硬件设计

1.硬件系统总体设计

系统的硬件部分主要由主电路、控制电路和辅助电路

等构成，其主电路部分包括整流、滤波、逆变电路等。逆

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变电路是由功率开关管构成的三相桥式结构。逆变电路对

整流、滤波后的直流电压进行斩波，形成电压、频率可调

的三相交流电，供给无刷直流电机，这样无刷直流电机就

开始运转起来。控制电路以美国TI公司的TMS320F2407A

芯片为核心，构成全数字化控制系统，对系统的控制与保

护等负责，系统的控制参数和故障信息等保存在

TMS320F2407A的存储器中。辅助电路由电源电路、驱动

电路、检测与保护电路等组成。系统的硬件框图如图1所

示。

图1系统硬件结构框图

无刷直流无刷电机控制系统主要由如下部分组成：

（1）逆变主电路;（2）TMS320F2407A控制单元;（3）驱

动电路;（4）检测电路;（5）保护电路

2.TMS320F2407A控制单元

（1）控制器的选择

控制器是无刷直流电机控制器的核心，选用控制器需

要考虑的是控制器要可靠，易于维护，可移植性强，效率

高。有以下几种：1）专用芯片;2）单片机;3）数字信号处

理器，其中数字信号处理器（DSP）采用了不同的内部结构。

传统的通用微处理器大多采用的是冯?诺依曼结构（Von

NeumannArchitecture），它片内的程序空间与数据空间共用

一个公共的存储空间。为了提高速度，现代DSP芯片内部

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一般采用的是哈佛结构（HarvardArchitecture）或改进的哈

佛结构。而哈佛结构最大特点是计算机具有独立的数据和

程序存储空间[19]。这样允许CPU可以同时执行取指令和

取数据，提高了数据吞吐率，进而提升了系统的运算速度。

流水线技术也可以帮助系统提高效率。硬件乘法器可以使

得DSP在单周期内就可以完成取操作数，相乘并把结果放

在累加器中。除此之外，特殊的DSP指令也会大大提高

统的性能，DSP有着非常丰富的片内外设。利用DSP来进

行电机控制，可以减小系统的成本，另外，DSP还有如下

的优势：1）速度快;2）存储容量大;3）软件编程灵活;由此

可见，数字信号处理器比较适合作为电机控制的中央控制

单元。基于以上分析，本设计中采用TI公司用于电机控制

的2000系列CPU，其型号为TMS320F2407A。

（2）控制板设计

由前面分析可知，系统采用的控制器是TI公司的

TMS320F2407ADSP芯片[19]。下面介绍DSP及其最小

统的外围接口电路。主控制板结构框图如图2所示：

DSP控制板主要由DSP芯片、外扩存储器、JTAG仿

真调试接口和CPLD译码电路组成。下面介绍下外扩存储

器电路，JTAG仿真调试接口和CPLD译码电路组成。

TMS320F2407A内部存储容量有限，同时考虑到调试过程

中可以将程序下载到片外高速SRAM中，系统进行了外部

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RAM的扩展，系统选用两片IS61LV6416[1]，用于存储数

据。在