王 壯， 趙文祥， 吉敬華， 朱紀(jì)洪

(1. 江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 清華大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，北京 100084)

0 引 言

DSP等高性能處理器的廣泛應(yīng)用對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的靈活運(yùn)行發(fā)揮著重要作用[1-5]，但對(duì)常規(guī)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在一定的故障率，尤其在航空航天、軍事裝備等高可靠性需求領(lǐng)域。

相對(duì)于傳統(tǒng)電勵(lì)磁電機(jī)，永磁電機(jī)可以提高電機(jī)的效率和功率密度[6]。在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性，永磁容錯(cuò)電機(jī)成為當(dāng)今研究熱點(diǎn)之一[7-8]。在實(shí)際應(yīng)用中，電機(jī)的故障率相對(duì)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障率較低，容錯(cuò)電機(jī)一般需要依靠增加電機(jī)相數(shù)來(lái)提高可靠性[9-10]，增加了成本和體積。本文設(shè)計(jì)了一種高可靠性的容錯(cuò)控制系統(tǒng)，在不影響電機(jī)高效率的情況下，兼具高可靠性。將基于一臺(tái)三相9/6極的永磁電機(jī)為控制對(duì)象，設(shè)計(jì)了一套以DSP28069為核心器件，輔以CPLD進(jìn)行邏輯控制的容錯(cuò)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。9/6極永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 9/6極永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用基于H橋的容錯(cuò)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)獨(dú)立控制?；贖橋的容錯(cuò)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 基于H橋的容錯(cuò)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

電機(jī)容錯(cuò)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功能如圖3所示。依靠通信接口RS- 485，上位機(jī)向DSP發(fā)送速度控制指令，并實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)速、電流等信息。DSP指令跟隨速度控制信號(hào)，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)CPLD進(jìn)行邏輯擴(kuò)展，提供實(shí)際所需數(shù)量的PWM信號(hào)，減少了外圍電路。轉(zhuǎn)化后的PWM信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片控制H橋電路的通斷，進(jìn)而控制電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)高精度的驅(qū)動(dòng)，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，對(duì)電機(jī)各相進(jìn)行電流檢測(cè)。在DSP中，進(jìn)行電流閉環(huán)控制，通過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器，獲得實(shí)時(shí)的速度和角度信號(hào)，反饋到DSP中，實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制。此外，為避免實(shí)際系統(tǒng)中電流過(guò)大，對(duì)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生致命的損傷，各相驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用電流保護(hù)措施。將過(guò)流信號(hào)傳輸?shù)紺PLD中，禁止該相驅(qū)動(dòng)輸出。

圖3 電機(jī)容錯(cuò)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功能

2 控制電路

控制電路主要由控制芯片和相關(guān)電源組成，其主要功能是實(shí)現(xiàn)各種程序算法，產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)電路?？刂葡到y(tǒng)的核心處理器采用TMS320F28069，并以LC4256V-75TN100作為輔助控制器。TMS320F28069是一款電機(jī)數(shù)字控制浮點(diǎn)型DSP，具有控制程序編寫(xiě)簡(jiǎn)易、供電簡(jiǎn)單、控制可靠等優(yōu)點(diǎn)，主要實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)的采集換算和控制程序的轉(zhuǎn)換，包括電流換算、速度讀取、角度轉(zhuǎn)換、串口通信、閉環(huán)控制等任務(wù)。LC4256V-75TN100是一款簡(jiǎn)易的CPLD，輔助DSP進(jìn)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)的擴(kuò)展和程序的邏輯控制及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)保護(hù)。

系統(tǒng)的主供電壓為+5V和+15V，而DSP、CPLD等芯片的供電需求為+3.3V，應(yīng)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。TMS320F28069使用內(nèi)部參考電源模式，外部?jī)H需供電+3.3V，內(nèi)部即可同時(shí)產(chǎn)生+1.8V，減少外部電源類(lèi)型，簡(jiǎn)化電源電路。LM3940是一款高集成的電源轉(zhuǎn)換芯片，用于+5V和+3.3V電源同時(shí)存在的場(chǎng)合，外部所需器件極少，帶有短路保護(hù)、溫度保護(hù)等功能?？刂齐娐分鞴╇娫吹碾娐穲D如圖4所示。發(fā)光二極管用來(lái)指示輸入電源是否正常，輸出端加不同數(shù)值的瓷片電容，可消除不同頻段的高次諧波，提高電源質(zhì)量。

圖4 控制電路主供電源電路圖

3 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路主要由主驅(qū)動(dòng)電路、電流檢測(cè)電路、速度檢測(cè)電路組成。其主要功能是響應(yīng)控制電路的各種驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.1 主驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

主驅(qū)動(dòng)電路是整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最終執(zhí)行部位，主要由開(kāi)關(guān)管IGBT組成的H橋電路和IGBT的驅(qū)動(dòng)芯片及相關(guān)電路組成。H橋電路的驅(qū)動(dòng)類(lèi)似，以一相半橋驅(qū)動(dòng)為例。一相半橋驅(qū)動(dòng)電路圖如圖5所示。

圖5 一相半橋驅(qū)動(dòng)電路圖

IGBT選用IXXH75N60C3D1，開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)60kHz，最高工作電壓600V，驅(qū)動(dòng)電流最大75A。為加快IGBT關(guān)斷速度，防止輸出電壓振蕩，一般取接地電阻約1kΩ。在柵極處串聯(lián)1～22Ω的柵極電阻，控制柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升時(shí)間，避免柵極信號(hào)振蕩。在電源兩端并聯(lián)電容，可以消除一定的電源噪聲。

驅(qū)動(dòng)芯片選用ADuM3223，內(nèi)部具有高低壓隔離，輸入3.3～5V的CMOS電平，兼容DSP和CPLD電平。輸出4.5～18V，為使IGBT嚴(yán)格導(dǎo)通，取15V驅(qū)動(dòng)輸出。ADuM3223半橋驅(qū)動(dòng)芯片帶有使能控制信號(hào)端，DISABLE管腳可用于保護(hù)控制。故障信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，DISABLE管腳置高電平，使得驅(qū)動(dòng)輸出保持低電平，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。此外，H橋電路上橋臂與下橋臂的參考地不同，上橋臂為浮地?？紤]方便實(shí)用，采用自舉電路，使用自舉二極管和自舉電容配合的方式。

3.2 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制和過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)，需進(jìn)行電流檢測(cè)?？紤]實(shí)際電流需求和電路板大小限制及應(yīng)用溫度范圍，選擇霍爾電流傳感器ACS714LLCTR-30A-T，各項(xiàng)指標(biāo)都滿(mǎn)足要求。一相電流檢測(cè)電路及調(diào)理電路圖如圖6所示?；魻栯娏鱾鞲衅鰽CS714電流檢測(cè)范圍為±30A，對(duì)應(yīng)輸出電壓范圍為0.5～4.5V。TMS320F28069的AD口電平最大為3.3V，為達(dá)到兼容，電流傳感器的輸出電壓范圍需按比例轉(zhuǎn)化到AD口電平允許的范圍內(nèi)。使用軌對(duì)軌的單運(yùn)放OPA340，可靈活配置電阻，將電平轉(zhuǎn)化到安全范圍內(nèi)。

圖6 一相電流檢測(cè)電路及調(diào)理電路圖

3.3 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

單獨(dú)采用電流閉環(huán)控制不能滿(mǎn)足系統(tǒng)需求，往往采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的控制策略。為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，需實(shí)時(shí)檢測(cè)速度信息，使用旋轉(zhuǎn)變壓器可實(shí)時(shí)獲得速度和角度信息。

AD2S1210是一款10～16bit分辨率的旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器。片上集成可編程正弦波振蕩器，可為旋轉(zhuǎn)變壓器提供正弦波激勵(lì)，且兼容DSP和SPI接口標(biāo)準(zhǔn)。該產(chǎn)品不僅可以讀取速度信息，還可以同時(shí)獲取角度信息，簡(jiǎn)化控制程序。AD2S1210輸出差分式激勵(lì)信號(hào)，在與旋轉(zhuǎn)變壓器連接時(shí)，一般需通過(guò)緩沖電路。差分激勵(lì)信號(hào)的一路緩沖電路圖如圖7所示，另一路差分激勵(lì)信號(hào)的緩沖電路原理圖與此類(lèi)似。

為實(shí)現(xiàn)單電源供電的簡(jiǎn)便方式，給激勵(lì)信號(hào)加參考偏移電平，使輸出保持為正。一般偏移電平取5～6V。反饋端加電容，可以濾除輸出噪聲，提高輸出的可靠性。輸出端設(shè)計(jì)為推挽電路，實(shí)現(xiàn)整個(gè)激勵(lì)信號(hào)的放大。

圖7 差分激勵(lì)信號(hào)的一路緩沖電路圖

4 保護(hù)電路

在實(shí)際系統(tǒng)中，電流過(guò)流會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成巨大的損傷，往往不可恢復(fù)。為避免此類(lèi)危害，需設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)電路。CPLD配合施密特觸發(fā)器的方式可大大簡(jiǎn)化電路。施密特觸發(fā)器的閾值設(shè)置為電流傳感器輸出電壓值的有效范圍，超過(guò)閾值，輸出低電平，表明電流值超過(guò)最大量程，出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象。低電平信號(hào)傳到CPLD中，進(jìn)行邏輯控制，向相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電路的DISABLE信號(hào)發(fā)送高電平，禁止驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，關(guān)斷該相IGBT。一相驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)電路圖如圖8所示。

圖8 一相驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)電路圖

AD8468是一款專(zhuān)門(mén)比較器。兩個(gè)比較器組合成施密特觸發(fā)器。設(shè)定高低壓閾值，對(duì)應(yīng)電流傳感器輸出電壓的工作范圍。為兼容CPLD接口電平，與電流采樣類(lèi)似，閾值需使用經(jīng)過(guò)電路調(diào)理后的電平。模擬的過(guò)電流保護(hù)波形如圖9所示。其中，通道1為模擬的實(shí)際電流傳感器輸出信號(hào)波形，通道2為經(jīng)過(guò)調(diào)理電路后的電流傳感器輸出信號(hào)波形，通道3為保護(hù)信號(hào)波形。保護(hù)信號(hào)低電平有效，虛線(xiàn)為設(shè)定閾值。由圖9可知，電平值超過(guò)閾值，保護(hù)信號(hào)立即變成低電平，進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。恢復(fù)到正常情況后，故障電平消除，可恢復(fù)驅(qū)動(dòng)，具有一定的容錯(cuò)功能。

圖9 過(guò)電流保護(hù)波形

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)以一臺(tái)9/6極永磁電機(jī)為控制對(duì)象，使用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制。給控制電路提供控制電壓+5V，給驅(qū)動(dòng)電路提供驅(qū)動(dòng)電壓+15V和工作電壓+84V，通過(guò)上位機(jī)向控制板發(fā)送轉(zhuǎn)速指令，電機(jī)在一定負(fù)載情況下，轉(zhuǎn)速達(dá)到2800r/min。用示波器測(cè)量一相H橋電路半個(gè)橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形、輸出電壓波形及電機(jī)的相電流波形。半個(gè)橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形和輸出電壓波形如圖10所示。其中，通道1為半橋的輸出電壓波形，通道2為電源波形，通道3為下管的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，通道4是上管的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形。上橋臂采用自舉電路，與下橋臂的參考地不同，所以上管的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形為電源波形和實(shí)際柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形的合成，符合驅(qū)動(dòng)要求。

圖10 半個(gè)橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形和輸出電壓波形

電機(jī)轉(zhuǎn)速2800r/min情況時(shí)，電機(jī)各相電流的波形圖如圖11所示。其中，通道1為實(shí)時(shí)角度值轉(zhuǎn)化的位置信號(hào)，在0°～180°時(shí)為高電平，在180°～360°時(shí)為低電平。通道2為電機(jī)A相電流波形，通道3為電機(jī)B相電流波形，通道4為電機(jī)C相電流波形。由圖可知，電機(jī)相電流符合電流正弦趨勢(shì)，相位符合實(shí)際情況，進(jìn)一步優(yōu)化控制程序，可達(dá)到更好的控制效果。

圖11 2800r/min時(shí)電機(jī)各相電流波形

6 結(jié) 語(yǔ)

本文以DSP28069為核心控制器，輔以CPLD作為邏輯控制，旋轉(zhuǎn)變壓器為檢測(cè)元件的H橋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，成功驅(qū)動(dòng)9/6極永磁電機(jī)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的靈活性、可靠性，簡(jiǎn)化了電路，具有實(shí)用價(jià)值。

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