梁寶明，趙曉宇，張穎輝

（武漢船用推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

多相電機(jī)控制系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)

梁寶明，趙曉宇，張穎輝

（武漢船用推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

模塊化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了多相電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)對(duì)不同模塊的組合實(shí)現(xiàn)了以有限資源適應(yīng)多相電機(jī)控制系統(tǒng)的系列化。本文闡述了模塊化設(shè)計(jì)相比于傳統(tǒng)電機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，給出了多相電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件拓?fù)?，?duì)控制系統(tǒng)的通用化模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了分控制模塊同步設(shè)計(jì)的正確性。

多相電機(jī) 控制系統(tǒng) 模塊化 并行總線 同步設(shè)計(jì)

0　引言

模塊化設(shè)計(jì)以其通用化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)在工業(yè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的電機(jī)控制系統(tǒng)面向某一具體產(chǎn)品，是由下而上的設(shè)計(jì)。模塊化設(shè)計(jì)是面向整個(gè)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(jī)模塊化設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比的優(yōu)勢(shì)主要有：采樣分散處理，變流模塊的模擬信號(hào)送到各自對(duì)應(yīng)的控制模塊，解決了傳統(tǒng)模擬信號(hào)采樣由CPU執(zhí)行，采樣通道數(shù)量固定導(dǎo)致擴(kuò)展性差的問(wèn)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(jìn)行配置，適應(yīng)不同相數(shù)電機(jī)的控制需求，有利于多相電機(jī)變頻調(diào)速裝置的系列化；傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中DSP除了進(jìn)行核心算法計(jì)算外，還要檢測(cè)、控制外圍接口，占用了DSP大量的處理時(shí)間，而本文設(shè)計(jì)的模塊均有處理器，各模塊將信息處理后再通過(guò)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(jì)算負(fù)擔(dān)，使DSP核心運(yùn)算的優(yōu)勢(shì)得以發(fā)揮。

1　多相電機(jī)控制系統(tǒng)硬件拓?fù)?/h2>

多相電機(jī)控制硬件拓?fù)淙鐖D1所示?？刂葡到y(tǒng)采用多種模塊通過(guò)背板連接的方式完成對(duì)多相電機(jī)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(gè)模塊槽內(nèi)，具有容錯(cuò)功能。背板的通用總線主要含各模塊故障信號(hào)、同步信號(hào)、轉(zhuǎn)速ABZ信號(hào)、模塊片選、總線控制信號(hào)、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(cè)模塊（SPDM）、監(jiān)測(cè)與操作模塊（MCM）、CPU模塊（CPUM）

圖1　多相電機(jī)控制系統(tǒng)硬件拓?fù)?/p>

和分控制模塊（SCM）。各模塊對(duì)輸入的轉(zhuǎn)速信號(hào)、開(kāi)關(guān)量、溫度或電壓電流等進(jìn)行檢測(cè)和故障判斷以及根據(jù)CPU的指令對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行操作或產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

控制系統(tǒng)基本配置為BD（1個(gè)）+SPDM（1個(gè)）+MCM（1個(gè)）+CPUM（1個(gè)）+SCM（1個(gè)），可實(shí)現(xiàn)6相（或以下）電機(jī)的控制。當(dāng)電機(jī)相數(shù)增加時(shí)（如9相、15相等），需要更多的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和采集更多的電機(jī)溫度信息，可通過(guò)增加SCM和來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2　控制系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)

位置/速度檢測(cè)模塊主要實(shí)現(xiàn)電機(jī)位置或電機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。常見(jiàn)的電機(jī)速度傳感器有增量式編碼盤(pán)、絕對(duì)式編碼盤(pán)及旋轉(zhuǎn)變壓器。由于不同速度傳感器的信號(hào)接口不同，SPDM配置了3種轉(zhuǎn)速信號(hào)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(guò)ABZ信號(hào)或并行總線發(fā)送到CPU模塊，如圖2所示。

監(jiān)測(cè)與操控模塊主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備級(jí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)（如斷路器開(kāi)關(guān)、熔斷器狀態(tài)等）、設(shè)備級(jí)開(kāi)關(guān)的操作（如斷路器開(kāi)關(guān)、預(yù)充電開(kāi)關(guān)控制等）、變流模塊和電機(jī)溫度監(jiān)測(cè)等功能。由于溫度信號(hào)為非實(shí)時(shí)性信號(hào)，CPLD通過(guò)SPI總線來(lái)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(kāi)關(guān)量狀態(tài)數(shù)據(jù)以供CPU模塊通過(guò)總線讀取，同時(shí)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(cè)到故障時(shí)，如過(guò)溫、狀態(tài)異常等，CPLD產(chǎn)生一個(gè)故障信號(hào)，用于其他模塊的快速響應(yīng)。

圖2　位置/速度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)框圖

圖3　監(jiān)測(cè)與操控模塊設(shè)計(jì)框圖

CPU模塊是多相電機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)算核心，主芯片采用DSP。DSP通過(guò)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(jī)溫度、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、故障信息、電壓電流數(shù)據(jù)等），同時(shí)通過(guò)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(shí)時(shí)調(diào)制波數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)變流模塊中功率器件的驅(qū)動(dòng)。ABZ信號(hào)送入DSP的QEP完成ABZ速度信息計(jì)算，故障信號(hào)送入到DSP的中斷引腳，以便設(shè)備發(fā)生故障時(shí)DSP能做出快速響應(yīng)。DSP的定時(shí)器中斷到來(lái)時(shí)，向各子控制模塊發(fā)出同步信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)各子控制模塊載波同步和載波移相，有助于電機(jī)振動(dòng)噪聲、諧波抑制等性能提高。

采取模塊化設(shè)計(jì)后，CPU不需要對(duì)ADC、開(kāi)關(guān)量輸入輸出、等待等操作，降低了CPU運(yùn)算周期，充分利用了CPU資源。

圖4　監(jiān)測(cè)與操控模塊設(shè)計(jì)框圖

圖5　分控制模塊設(shè)計(jì)框圖

分控制模塊主要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成、功率器件驅(qū)動(dòng)故障判定、變流模塊開(kāi)關(guān)量采集、變流模塊電壓電流檢測(cè)與ADC轉(zhuǎn)換、模擬信號(hào)硬件報(bào)警等功能。CPU模塊將載波頻率、載波相位、死區(qū)時(shí)間、最小脈寬、更新點(diǎn)設(shè)置等信息通過(guò)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(dòng)所需的載波，與DSP發(fā)出的實(shí)時(shí)調(diào)制波相比較產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)參考波，F(xiàn)PGA根據(jù)死區(qū)設(shè)定時(shí)間和最小脈寬限制對(duì)驅(qū)動(dòng)參考波進(jìn)行處理后生成變流模塊功率器件所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，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(hào)經(jīng)光電變換后送到FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)故障使能對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行判斷和驅(qū)動(dòng)封鎖。變流模塊的開(kāi)關(guān)量信號(hào)經(jīng)子控制模塊隔離后送到FPGA，F(xiàn)PGA將開(kāi)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(kāi)關(guān)量輸出信息送入FPGA，F(xiàn)PGA輸出的信號(hào)經(jīng)隔離后對(duì)變流模塊的開(kāi)關(guān)等進(jìn)行控制。變流模塊的電壓電流傳感器信號(hào)經(jīng)模塊的信號(hào)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(shí)，為了提高過(guò)壓或過(guò)流的保護(hù)速度，模塊對(duì)過(guò)壓過(guò)流進(jìn)行了硬件判斷并產(chǎn)生故障信號(hào)來(lái)進(jìn)行硬件保護(hù)。

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(kāi)關(guān)量輸入輸出、驅(qū)動(dòng)故障檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(jì)的可擴(kuò)展性。

圖6　不同分控制模塊驅(qū)動(dòng)波形

3　實(shí)驗(yàn)

驅(qū)動(dòng)信號(hào)的載波同步對(duì)于提升電機(jī)的振動(dòng)噪聲指標(biāo)和抑制電機(jī)諧波有著重要影響，同步設(shè)計(jì)也是分控制模塊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在非同步情況下，不同SCM之間的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的相位會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化。本文對(duì)分控制模塊的FPGA進(jìn)行了程序設(shè)計(jì)，并對(duì)載波同步進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)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(dòng)波形，從圖中可以看出二者的載波相位保持著固定角度，驗(yàn)證了載波同步設(shè)計(jì)的正確性。

4　結(jié)論

本文闡述了模塊化設(shè)計(jì)相比于傳統(tǒng)電機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了多相電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件拓?fù)浜湍K功能劃分，對(duì)組成控制系統(tǒng)的各通用化模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，針對(duì)分控制模塊載波同步的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的正確性和可行性。

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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(dòng)。