邱興陽

(湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 莆田 351254)

基于IPM與DSP控制無刷直流電機的硬件設(shè)計

邱興陽

(湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 莆田 351254)

智能功率模塊IPM集驅(qū)動電路、欠壓、短路、過熱等保護電路于一體，結(jié)構(gòu)簡單、損耗小、重量輕、體積小、使用可靠等優(yōu)點。隨著大功率IPM集成器件、高性能單片機及數(shù)字信號處理器DSP技術(shù)的飛速發(fā)展，使得大功率驅(qū)動控制和高速復(fù)雜的控制算法得到了滿足，從而也使得大功率無刷直流電機在電機界的電動推進系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的重視。無刷直流電機具有高速性能好，體積小、效率高、壽命長、運行可靠、維護簡便等優(yōu)點，能廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、化工、煤炭、石油、紡織、儀器儀表、家用電器、電動汽車和自行車、鐵路運輸、航空航天、工業(yè)自動化等領(lǐng)域。使用IPM和DSP控制無刷直流電機，不僅能實現(xiàn)對電機的實時性控制，還能使控制電路得到簡化。因此研究IPM與DSP控制無刷直流電機的硬件設(shè)計具有非常重要的意義。

智能功率模塊;無刷直流電機;數(shù)字信號處理器;光耦

0 引言

無刷直流電機是隨電機控制技術(shù)、電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型電機，無刷直流電機克服一般直流電機因機械換向帶來的缺點，又保持了直流電機調(diào)速方便的優(yōu)點，具有很高的效率和轉(zhuǎn)矩/質(zhì)量比，同時無刷直流電機還有運行可靠、壽命長、沒有換向火花和無線電干擾、維護方便、體積小等優(yōu)點，因此在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1-5］。

隨著高性能的單片機、專門用途的數(shù)字信號處理器以及智能功率模塊IPM的發(fā)展。智能功率模塊IPM與普通的IGBT或MOSFET大功率器件相比，IPM實現(xiàn)了智能化、模塊化、復(fù)合化和功率集成，因此在電力電子領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。IPM由高速、低功耗的IGBT芯片和優(yōu)選的門極驅(qū)動以及保護電路構(gòu)成，具有開關(guān)速度快、功耗低、可靠性高等特點，是一種比較理想的無刷電機控制器開關(guān)器件。IPM集成了內(nèi)部IGBT的實時檢測和保護電路，顯示出優(yōu)良的性能，內(nèi)置的驅(qū)動和保護電路可使無刷直流電機的控制器硬件電路更為簡潔，與分立開關(guān)器件設(shè)計的無刷直流電機控制器相比，它具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低，同時可以大大縮短控制器的開發(fā)周期，提高控制器故障下的自我保護能力［4-5］。

1 無刷直流電機控制系統(tǒng)

無刷直流電機的控制核心通常采用高速高性能的單片機微處理器(MCU)或基于電動機控制專用數(shù)字信號處理器(DSP)。電機控制系統(tǒng)一般由控制器、智能功率模塊IPM和轉(zhuǎn)子位置檢測傳感模塊三大部分組成。控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子位置檢測傳感模塊對無刷直流電機的位置進行檢測，把檢測信號送到核心處理器，由處理器產(chǎn)生PWM脈沖信號，通過驅(qū)動電路控制智能功率模塊IPM中相應(yīng)功率管的通斷，實現(xiàn)對電機的通斷電控制，從而控制電機的正常運行?？刂葡到y(tǒng)通常會對主回路進行電壓、電流檢測，檢測的信號送至處理器，通過處理器對系統(tǒng)的主回路進行過壓、欠壓、過流、短路等保護。此外，控制系統(tǒng)一般還具有速度閉環(huán)和顯示等功能。無刷直流電機控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 無刷直流電機控制的硬件電路設(shè)計

2.1 主電路的設(shè)計

無刷直流電機控制系統(tǒng)的主電路如圖2所示［6］。圖中的整流部分采用單相不可控整流電路，用于把220V的工頻交流電轉(zhuǎn)換成逆變電路所需的直流電壓。采用濾波電容來穩(wěn)定經(jīng)整流后的直流電壓，同時降低直流電源的輸出阻抗。逆變電路使用三菱公司生產(chǎn)的PM100CSA120智能功率模塊，該IPM的最高工作電壓為1200V，最大電流為100A，最高工作頻率可達520kHz，其內(nèi)部直接集成了高速、低功耗的IGBT芯片和優(yōu)化的柵極驅(qū)動與保護電路，可以連續(xù)、自動地監(jiān)測功率器件的電流，實現(xiàn)高速的過流保護和短路保護，同時內(nèi)部還直接集成了欠壓和過熱保護電路［7］，逆變器輸出端的R1、R2組成分壓電路，用來檢測無刷直流電機的端電壓實現(xiàn)電子換向。

圖1 無刷直流電機控制框圖

圖2 無刷直流電機控制系統(tǒng)的主電路

2.2 驅(qū)動隔離電路設(shè)計

在以DSP為控制核心的控制系統(tǒng)中，DSP發(fā)出的開關(guān)脈沖控制信號要通過光電隔離才能接到IPM的控制端，這樣既可以增加系統(tǒng)的抗干擾能力，而且不會將主電路的電壓引入控制部分。IPM單路脈沖輸入信號驅(qū)動隔離電路如圖3所示。圖中R1為脈沖輸入端的上拉電阻，其阻值大小取決于MCU/DSP端口脈沖信號的最大灌電流。電阻R2必須保證光耦工作在飽和狀態(tài)，使光耦的響應(yīng)時間最短。R2的值取決于光耦在d端的額定輸入電流和Udb的額定值。R3的取值必須保證c-e極間有足夠的電流，當c-e極導(dǎo)通時，Uc為低電平;同時R3與Co組成濾波電路，對脈沖信號進行RC濾波，為了使脈沖開關(guān)信號的上升和下降沿盡量陡，Co的取值應(yīng)小于1000pF。R4的電阻取決于三極管V的b-e兩端的電壓和流入三極管的基極電流Ib。

圖3 單路脈沖信號隔離驅(qū)動電路

圖4 電流檢測電路

2.3 檢測電路設(shè)計

2.3.1 電流檢測電路

電流檢測電路是由霍爾傳感器、運算放大電路以及DSP本身的A/D轉(zhuǎn)換器組成。主要是用來對母線的電流進行檢測，將檢測到的模擬信號經(jīng)過處理后送至DSP，從而對電機的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速進行控制。電流檢測電路如圖4所示。

2.3.2 電壓檢測電路

在無刷直流電機控制中不需要母線的電壓參與控制運算，只要檢測出控制系統(tǒng)的電壓是否過壓或欠壓，因此電壓檢測電路不需要專用的電路來完成。電壓檢測電路如圖2中逆變器輸出端采用R1和R2構(gòu)成的分壓電路，通過C1完成差分輸出，然后送至DSP的A/D采樣單元對電壓值進行計算處理。

2.3.3 位置檢測電路

位置檢測電路是用來進行換相控制以及產(chǎn)生速度控制量的一個模塊。通過光電編碼器的兩組脈沖相位判斷電機的運行方向，通過記錄脈沖個數(shù)來確定具體的運動位置，將位置信號進行差分就能得到電機的轉(zhuǎn)速。通常為了提高檢測信號的抗干擾能力，編碼器發(fā)出的脈沖信號要經(jīng)過差動輸入和光電隔離后，再送至DSP的用來捕獲轉(zhuǎn)速單元QEP1、QEP2引腳端。位置檢測電路如圖5所示。

圖5 位置檢測電路

圖6 TMS320LF2407為控制核心的電路框圖

2.5 控制電路設(shè)計

本系統(tǒng)的控制電路是以DSP(TMS320 LF2407)為控制核心，它是專用于電動機控制的，可以為高性能傳動控制提供先進、高效的信號處理與控制［8］。TMS320 LF2407具有高性能的C2XLP內(nèi)核，采用改進的哈佛結(jié)構(gòu)，四級流水線操作，片內(nèi)集成的事件管理器EVA、EVB各包括3個獨立的雙向定時器，支持產(chǎn)生可編程死區(qū)的PWM輸出;4個捕獲口中的兩個可直接連接來自光電編碼器的正交編碼脈沖;兩個獨立的10位8路A/D轉(zhuǎn)換器可同時并行地完成兩個模擬輸入的轉(zhuǎn)換［9］。能夠?qū)崿F(xiàn)對無刷直流電機控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理和控制，上述各檢測電路用來實現(xiàn)對系統(tǒng)的電流檢測、電壓檢測和位置檢測。IPM智能功率模塊采用三菱公司生產(chǎn)的PM100CSA120模塊，TMS320 LF2407芯片通過上述的驅(qū)動隔離電路對IPM進行控制，提供給無刷直流電機頻率可調(diào)的三相交流電，實現(xiàn)高性能的變頻調(diào)速?？刂齐娐返挠布Y(jié)構(gòu)圖如圖6所示。當系統(tǒng)如果出現(xiàn)過壓、過流或過熱故障時，IPM通過F0向DSP的PDPINTA端發(fā)送故障信號，DSP一旦收到故障信號將立即封鎖PWM輸出，使電機停止運行。

3 軟件設(shè)計

無刷直流電機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括系統(tǒng)初始化與工作使能等主程序，還有若干中斷服務(wù)程序。主程序是用來完成電機控制系統(tǒng)的初始化、電機起動程序、對給定速度的A/D轉(zhuǎn)換以及等待中斷等。中斷服務(wù)子程序作為整個系統(tǒng)控制軟件設(shè)計的主體，主要完成系統(tǒng)其他基本功能。系統(tǒng)軟件的主程序流程如圖7所示。

無刷直流電機的換向檢測信號及轉(zhuǎn)速的計算、主電路上母線電壓電流的檢測、電機的速度和電流雙閉環(huán)反饋控制，PWM信號的產(chǎn)生及故障信號的處理、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換、通信與顯示等功能子程序和中斷軟件來實現(xiàn)。子程序與中斷程序的軟件流程由于篇幅問題不再闡述。

4 結(jié)語

圖7 主程序流程

無刷直流電機具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、性能好、可靠性高、輸出轉(zhuǎn)矩大、容易控制、維護方便等優(yōu)點。憑借著其技術(shù)優(yōu)勢無刷直流電機取代了其它種類的電動機廣泛應(yīng)用在當今國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。而采用DSP為核心技術(shù)是控制無刷直流電機最佳控制器。由于DSP具有強大的I/O控制功能以及高度的集成外設(shè)，加上IPM智能功率模塊的應(yīng)用，極大地簡化了電機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)時間，大大減小了系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的模塊化水平，也增強了系統(tǒng)的可靠性。因此本文所研究的基于IPM與DSP控制無刷直流電機的硬件設(shè)計具有非常重大的意義。

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Hardware Design of Brushless DC Motor Based on IPM and DSP Control

QIU Xing-yang
(Meizhouwan Vocational Technology College，Putian 351254，China)

IPM integrates the protection circuits of driving circuit，undervoltage，short circuit，overheating and so on，which has the advantages of simple structure，small loss，light weight，small size，reliable use，etc.With the rapid development of high-power IPM integrated devices，high-performance single-chip and digital signal processor technology，high-power driving control and high-speed complex control algorithms have been met，making high-power brushless DC motor get widely attention in the electric motor propulsion system.The brushless DC motor has advantages of good high-speed performance，small size，high efficiency，long life，reliable operation and easy maintenance，etc.，which can be widely used in the fields of medical，chemical，coal，petroleum，textile，instruments，household appliances，electric vehicles and bicycles，railway transportation，aerospace，industrial automation and so on.The brushless DC motor controlled by IPM and DSP not only achieves the real-time control of motors，but also simplifies the control circuit.Therefore，it is of important significance to the study of hardware design of brushless DC motor controlled by IPM and DSP.

IPM;brushless DC motor;DSP;optical coupler

TM33

A

1009-3907(2013)10-1245-04

2013-07-10

邱興陽(1981-)，男，福建仙游人，講師，碩士，主要從事電氣/電子教學(xué)與科研方面研究。

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責(zé)任編輯:

吳旭云