梁寶明，趙曉宇，張穎輝

（武漢船用推進裝置研究所，武漢 430064）

多相電機控制系統(tǒng)的模塊化設(shè)計

梁寶明，趙曉宇，張穎輝

（武漢船用推進裝置研究所，武漢 430064）

模塊化設(shè)計已經(jīng)成為了多相電機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，通過對不同模塊的組合實現(xiàn)了以有限資源適應(yīng)多相電機控制系統(tǒng)的系列化。本文闡述了模塊化設(shè)計相比于傳統(tǒng)電機控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，給出了多相電機控制系統(tǒng)的硬件拓撲，對控制系統(tǒng)的通用化模塊進行了詳細設(shè)計，并通過實驗驗證了分控制模塊同步設(shè)計的正確性。

多相電機 控制系統(tǒng) 模塊化 并行總線 同步設(shè)計

0　引言

模塊化設(shè)計以其通用化、系列化、標(biāo)準化，能夠以最少的要素組合構(gòu)建最多的產(chǎn)品品種等諸多優(yōu)點在工業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的電機控制系統(tǒng)面向某一具體產(chǎn)品，是由下而上的設(shè)計。模塊化設(shè)計是面向整個產(chǎn)品族系統(tǒng)，首先由上而下著眼于產(chǎn)品族系統(tǒng)分解和組合所得的通用模塊體系。本文所述的多相電機模塊化設(shè)計方法與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比的優(yōu)勢主要有：采樣分散處理，變流模塊的模擬信號送到各自對應(yīng)的控制模塊，解決了傳統(tǒng)模擬信號采樣由CPU執(zhí)行，采樣通道數(shù)量固定導(dǎo)致擴展性差的問題；采用背板通用總線形式，模塊的種類和數(shù)量可根據(jù)系統(tǒng)要求進行配置，適應(yīng)不同相數(shù)電機的控制需求，有利于多相電機變頻調(diào)速裝置的系列化；傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中DSP除了進行核心算法計算外，還要檢測、控制外圍接口，占用了DSP大量的處理時間，而本文設(shè)計的模塊均有處理器，各模塊將信息處理后再通過并行總線接口與DSP直接交互，不需DSP處理外圍接口，DSP只需完成核心算法，減輕了DSP的計算負擔(dān)，使DSP核心運算的優(yōu)勢得以發(fā)揮。

1　多相電機控制系統(tǒng)硬件拓撲

多相電機控制硬件拓撲如圖1所示。控制系統(tǒng)采用多種模塊通過背板連接的方式完成對多相電機的控制。背板（BD）采用通用總線的方式，可任意配置模塊種類和數(shù)量，且模塊可以插在任意一個模塊槽內(nèi)，具有容錯功能。背板的通用總線主要含各模塊故障信號、同步信號、轉(zhuǎn)速ABZ信號、模塊片選、總線控制信號、地址總線和數(shù)據(jù)總線?？刂葡到y(tǒng)模塊有4種：位置/速度檢測模塊（SPDM）、監(jiān)測與操作模塊（MCM）、CPU模塊（CPUM）

圖1　多相電機控制系統(tǒng)硬件拓撲

和分控制模塊（SCM）。各模塊對輸入的轉(zhuǎn)速信號、開關(guān)量、溫度或電壓電流等進行檢測和故障判斷以及根據(jù)CPU的指令對外圍設(shè)備進行操作或產(chǎn)生驅(qū)動信號。

控制系統(tǒng)基本配置為BD（1個）+SPDM（1個）+MCM（1個）+CPUM（1個）+SCM（1個），可實現(xiàn)6相（或以下）電機的控制。當(dāng)電機相數(shù)增加時（如9相、15相等），需要更多的驅(qū)動信號和采集更多的電機溫度信息，可通過增加SCM和來實現(xiàn)。

2　控制系統(tǒng)的模塊化設(shè)計

位置/速度檢測模塊主要實現(xiàn)電機位置或電機轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。常見的電機速度傳感器有增量式編碼盤、絕對式編碼盤及旋轉(zhuǎn)變壓器。由于不同速度傳感器的信號接口不同，SPDM配置了3種轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換電路，分別與上述3種速度傳感器輸入輸出接口相匹配，CPLD將獲取的速度信息通過ABZ信號或并行總線發(fā)送到CPU模塊，如圖2所示。

監(jiān)測與操控模塊主要實現(xiàn)設(shè)備級的開關(guān)狀態(tài)檢測（如斷路器開關(guān)、熔斷器狀態(tài)等）、設(shè)備級開關(guān)的操作（如斷路器開關(guān)、預(yù)充電開關(guān)控制等）、變流模塊和電機溫度監(jiān)測等功能。由于溫度信號為非實時性信號，CPLD通過SPI總線來獲取溫度數(shù)據(jù)，CPLD內(nèi)部設(shè)置了數(shù)據(jù)緩沖寄存器，用于存放ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)和開關(guān)量狀態(tài)數(shù)據(jù)以供CPU模塊通過總線讀取，同時將CPU模塊給定的外設(shè)操作數(shù)據(jù)鎖定到該寄存器用于設(shè)備操作。當(dāng)檢測到故障時，如過溫、狀態(tài)異常等，CPLD產(chǎn)生一個故障信號，用于其他模塊的快速響應(yīng)。

圖2　位置/速度檢測模塊設(shè)計框圖

圖3　監(jiān)測與操控模塊設(shè)計框圖

CPU模塊是多相電機控制系統(tǒng)的運算核心，主芯片采用DSP。DSP通過總線可獲取其他模塊的采集數(shù)據(jù)（如位置數(shù)據(jù)、設(shè)備或電機溫度、開關(guān)狀態(tài)、故障信息、電壓電流數(shù)據(jù)等），同時通過總線完成設(shè)備操作以及向子控制模塊傳送載波周期、死區(qū)參數(shù)、最小脈寬設(shè)置和實時調(diào)制波數(shù)據(jù)以實現(xiàn)變流模塊中功率器件的驅(qū)動。ABZ信號送入DSP的QEP完成ABZ速度信息計算，故障信號送入到DSP的中斷引腳，以便設(shè)備發(fā)生故障時DSP能做出快速響應(yīng)。DSP的定時器中斷到來時，向各子控制模塊發(fā)出同步信號，以實現(xiàn)各子控制模塊載波同步和載波移相，有助于電機振動噪聲、諧波抑制等性能提高。

采取模塊化設(shè)計后，CPU不需要對ADC、開關(guān)量輸入輸出、等待等操作，降低了CPU運算周期，充分利用了CPU資源。

圖4　監(jiān)測與操控模塊設(shè)計框圖

圖5　分控制模塊設(shè)計框圖

分控制模塊主要實現(xiàn)驅(qū)動信號生成、功率器件驅(qū)動故障判定、變流模塊開關(guān)量采集、變流模塊電壓電流檢測與ADC轉(zhuǎn)換、模擬信號硬件報警等功能。CPU模塊將載波頻率、載波相位、死區(qū)時間、最小脈寬、更新點設(shè)置等信息通過并行總線傳到FPGA的緩沖寄存器，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后生成驅(qū)動所需的載波，與DSP發(fā)出的實時調(diào)制波相比較產(chǎn)生驅(qū)動參考波，F(xiàn)PGA根據(jù)死區(qū)設(shè)定時間和最小脈寬限制對驅(qū)動參考波進行處理后生成變流模塊功率器件所需的驅(qū)動信號，經(jīng)電光變換后傳送到變流模塊。功率模塊反饋的光纖信號經(jīng)光電變換后送到FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)故障使能對反饋信號進行判斷和驅(qū)動封鎖。變流模塊的開關(guān)量信號經(jīng)子控制模塊隔離后送到FPGA，F(xiàn)PGA將開關(guān)狀態(tài)信息存入緩沖寄存器后供CPU模塊讀取。CPU模塊將開關(guān)量輸出信息送入FPGA，F(xiàn)PGA輸出的信號經(jīng)隔離后對變流模塊的開關(guān)等進行控制。變流模塊的電壓電流傳感器信號經(jīng)模塊的信號調(diào)理電路后送到ADC，F(xiàn)PGA完成ADC的操作與數(shù)據(jù)讀取，并將變換模數(shù)變換后的數(shù)據(jù)存入寄存器以供CPU模塊讀取，同時，為了提高過壓或過流的保護速度，模塊對過壓過流進行了硬件判斷并產(chǎn)生故障信號來進行硬件保護。

從子控制模塊的功能圖可以看出，該模塊具備模擬量采樣、開關(guān)量輸入輸出、驅(qū)動故障檢測、驅(qū)動生成等功能，與變流模塊的所有控制接口相匹配，因此，當(dāng)增加變流模塊時，只需在控制系統(tǒng)中增加子控制模塊即可，充分體現(xiàn)了模塊化設(shè)計的可擴展性。

圖6　不同分控制模塊驅(qū)動波形

3　實驗

驅(qū)動信號的載波同步對于提升電機的振動噪聲指標(biāo)和抑制電機諧波有著重要影響，同步設(shè)計也是分控制模塊設(shè)計的關(guān)鍵。在非同步情況下，不同SCM之間的驅(qū)動信號之間的相位會隨著時間發(fā)生變化。本文對分控制模塊的FPGA進行了程序設(shè)計，并對載波同步進行了實驗測試。如圖6波形1和波形2分別是不同分控制模塊的輸出驅(qū)動波形，從圖中可以看出二者的載波相位保持著固定角度，驗證了載波同步設(shè)計的正確性。

4　結(jié)論

本文闡述了模塊化設(shè)計相比于傳統(tǒng)電機控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，設(shè)計了多相電機控制系統(tǒng)的硬件拓撲和模塊功能劃分，對組成控制系統(tǒng)的各通用化模塊進行了詳細設(shè)計，針對分控制模塊載波同步的關(guān)鍵技術(shù)進行了試驗，驗證其設(shè)計的正確性和可行性。

［1］ 童時中. 塊化原理設(shè)計方法及應(yīng)用［M］. 國標(biāo)準出版社，2000.

［2］ 張俊謨. Soc單片機原理與應(yīng)用一基于C8051F系列［M］. 北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2009.

［3］ 薛山.多相永磁同步電機驅(qū)動技術(shù)研究［D］.北京：中國科學(xué)院研究生院，2005.

［4］ 侯立軍，蘇彥民，陳林等. 多相感應(yīng)電機調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景［J］. 微電機，2001，34（5）：42-44.

［5］ FERREIRA C L，BUCKNALL R W G.Modelling and realtime simulation of an advanced marine full-electrical propulsion system［C］. Power Electronics，Machines and Drives，PEMD'2004.Edinburgh，UK：IEEE，2004：574-579.

Modularized Design of Polyphase Motor’s Control System

Liang Baoming ，Zhao Xiaoyu， Zhang Yinghui
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China）

Modularized design becomes a trend in development of polyphase motor control system, which implements serialization of polyphase motor control system by limited resource through combination of different modules. This paper exposes the dominances of the modularized design compared with traditional motor control system , designs a hardware topology of the control system and the various modules in detail , and verifies the correction of the synchronous design by experiments.

polyphase motor; control system; modularized; parallel bus; synchronization

TM343

A

1003-4862（2015）09-0033-04

2015-07-09

梁寶明（1979-），男，工程師。研究方向：電力電子與電力傳動。