多曉艷，李動(dòng)

（衡水技師學(xué)院（衡水科技工程學(xué)校），河北衡水，053000）

永磁同步電機(jī)是一種作業(yè)效率較高、損耗偏低、體積較小、功率密度偏高的設(shè)備作業(yè)控制裝置，在多個(gè)領(lǐng)域均有所應(yīng)用[1]。例如，工業(yè)控制、機(jī)械制造等。為了充分發(fā)揮裝置作用，需要為其配備相應(yīng)的控制器，在該裝置的驅(qū)動(dòng)下開始高效運(yùn)轉(zhuǎn)[2]。目前，控制器的主要控制芯片以單片機(jī)或者DSP為主，相比之下，單片機(jī)的運(yùn)算處理能力偏低，而永磁同步電機(jī)對(duì)于運(yùn)算處理需求較高，所以DPS芯片成為了首要選擇對(duì)象[3]。功率驅(qū)動(dòng)單元作為重要組成結(jié)構(gòu)，主要以IPM單元和IGBT單元為主，前者的電路相對(duì)簡單，安全性能較高[4]。所以，本文嘗試選擇DSP作為核心控制芯片，利用IPM單元開發(fā)功率驅(qū)動(dòng)模塊，提出永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)研究。

1 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要利用DSP2812芯片進(jìn)行控制，利用該芯片控制各個(gè)設(shè)備，而功率的驅(qū)動(dòng)部分，則是利用IPM逆變器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而使得電機(jī)得以正常作業(yè)。如圖1所示為電機(jī)控制系統(tǒng)整體架構(gòu)。

圖1 電機(jī)控制系統(tǒng)整體架構(gòu)

該系統(tǒng)硬件架構(gòu)主要分為兩部分，其中一部分為控制硬件電路，另外一部分為功率驅(qū)動(dòng)硬件電路。另外，輔助電路包括供電電路和信號(hào)檢測(cè)電路?？紤]到控制電路在作業(yè)期間容易受功率驅(qū)動(dòng)電路中高壓側(cè)的干擾，所以本系統(tǒng)架構(gòu)在兩部分電路連接處增加了光耦隔離電路。本系統(tǒng)對(duì)于電機(jī)作業(yè)狀態(tài)的控制，需要根據(jù)信號(hào)采集情況下達(dá)命令，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理，本系統(tǒng)增加了信號(hào)處理器，為其選取TMS320F2812作為核心控制芯片。對(duì)于逆變器的應(yīng)用，則是以內(nèi)部功率開關(guān)作為主要控制裝置，通過調(diào)節(jié)電流幅值和頻率，將電路中當(dāng)前流動(dòng)的電流轉(zhuǎn)換為三相交流電源，以此驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常作業(yè)。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

■2.1 主功率電路設(shè)計(jì)

2.1.1 主電路的設(shè)計(jì)

無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)功率主電路如圖2所示，由于該系統(tǒng)電機(jī)額定電壓為36V，額定電流為5A，因此功率電路應(yīng)屬于小功率范圍。本系統(tǒng)選用的是MOSFET功率管IRF2807，采用IRF2807可以獲得較快的開關(guān)速度，尤其適合驅(qū)動(dòng)小功率電機(jī)，其內(nèi)部漏—源極間集成有反向快速恢復(fù)二極管，直接對(duì)MOS管起保護(hù)作用而不必外接。旁路電阻R用來檢測(cè)電機(jī)的直流母線上電流，該電流信號(hào)I由電阻R的壓降測(cè)出，不但可以為電流環(huán)提供反饋電流信號(hào)，還可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)控電流防止電機(jī)過流發(fā)生故障，過流信號(hào)輸入到功率橋的前級(jí)驅(qū)動(dòng)芯片和DSP處理器中，在過流時(shí)及時(shí)封鎖功率場(chǎng)效應(yīng)管門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖2 電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)主電路圖

2.1.2 逆變電路

為了提升系統(tǒng)作業(yè)安全性能，本設(shè)計(jì)方案在系統(tǒng)硬件架構(gòu)中添加了逆變電路，以PS21865作為控制器，設(shè)計(jì)逆變電路，如圖3所示。

圖3 逆變電路

因?yàn)镈SP所產(chǎn)生的PWM波形頻率比較高（33kHz），用一般的低速光耦會(huì)使得驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)時(shí)間變長，在低速，小負(fù)載時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響到電機(jī)的低速性能，所以本文選用高速光耦6N137，該光耦最高開關(guān)速度為10MHz，有效提高逆變器的快速性。

■2.2 信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

2.2.1 母線電壓檢測(cè)電路

本系統(tǒng)中三相定子電壓，即U相、W相、V相，需要根據(jù)檢測(cè)直流母線電壓，結(jié)合觀察當(dāng)前逆變器開關(guān)作業(yè)狀態(tài)計(jì)算獲取。考慮到電路中的電壓為直流電壓，所以本系統(tǒng)采用電阻分壓的方式采集電壓信息。如圖4所示為母線電壓采集電路。

圖4 母線電壓采集電路

該電路中，以直流母線電壓限定范圍，設(shè)定分壓電阻數(shù)值，分別為。前者為功率電阻，后者為貼片電阻。為了改善電路的阻抗性能和隔離作用，在分壓電路后增加了電壓跟隨器，與模擬光電耦合器共同作業(yè)，調(diào)節(jié)電路中的隔離信號(hào)。該電路輸出信號(hào)為模擬信號(hào)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換處理后生成數(shù)字信號(hào)，利用TMS320F2812計(jì)算信號(hào)數(shù)據(jù)。

2.2.2 電流檢測(cè)電路

TMS320F2812 芯片內(nèi)含12位單極性 A/D 轉(zhuǎn)換模塊，A/D 采樣總共有 16 個(gè)通道。最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為60ns，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的三相電壓采樣無需進(jìn)行相位補(bǔ)償。但由于是單極性的所以對(duì)交流采樣時(shí)要加提升電路，使交流信號(hào)電壓范圍在0V～3V 之間。本系統(tǒng)中使用了3路 A/D 轉(zhuǎn)換輸入，分別為兩路電流檢測(cè)和一路模擬信號(hào)輸入采樣。電流檢測(cè)就是把交流電機(jī)的兩相定子電流轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的二進(jìn)制代碼，以方便處理。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是三相平衡系統(tǒng)IA + IB + IC = 0，因此只要檢測(cè)其中兩路電流，就可以得到三相電流。系統(tǒng)中檢測(cè)電機(jī)定子電流用霍爾電流傳感器，輸入輸出比為200：1。由于霍爾元件輸出的是弱電流信號(hào)，因此，應(yīng)將該電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后經(jīng)過濾波加法處理，由于霍爾電流傳感器的輸出為有正負(fù)方向的電流信號(hào)，而 TMS320F2812 片內(nèi)A/D 轉(zhuǎn)換器為單極性輸入為 0~3V的電壓信號(hào)，因此要有電壓偏移電路。為防止電壓過高或者過低，設(shè)計(jì)了由二極管組成的限幅電路。圖5是實(shí)現(xiàn)這一系列目的的電路原理圖。

圖5 電流檢測(cè)電路

上述電路最大優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，線性度好，可以做到無接觸檢測(cè)等。

2.2.3 故障檢測(cè)電路

保護(hù)電路包括主電路的過流、過電壓和欠電壓以及過載、短路等故障信號(hào)，為了保證系統(tǒng)中功率轉(zhuǎn)換電路及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路安全可靠的工作，TMS320F2812提供了PDPPINT輸入信號(hào)，利用它可方便地實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的各種保護(hù)功能。

雖然IPM內(nèi)部集成了功能完善的保護(hù)電路，它仍然要求在功率器件發(fā)生故障時(shí)撤去驅(qū)動(dòng)信號(hào)。IPM輸出4路故障信號(hào)相互“或”后，經(jīng)過低通濾波器，作為DSP的功率器件保護(hù)信號(hào)。同時(shí)，該保護(hù)信號(hào)控制總線驅(qū)動(dòng)器，在故障信號(hào)有效時(shí)立即關(guān)閉送往后級(jí)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。采用這種雙重保護(hù)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的可靠性得以進(jìn)一步提高,其故障檢測(cè)電路如圖6所示，圖中W0F、V0F、U0F分別為IPM上橋臂的3路故障輸出信號(hào)，且驅(qū)動(dòng)電源相互隔離；而下橋臂的3路故障信號(hào)合成1路 0F。由于IPM 內(nèi)部沒有故障記憶單元，因此外部控制系統(tǒng)需對(duì)其故障信號(hào)做出處理，并采取相應(yīng)措施，徹底封鎖IPM的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以保證IPM的安全。圖6的故障檢測(cè)模塊完成主回路故障信號(hào)采集，并反饋給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)根據(jù)故障狀態(tài)作出判斷，并給出相應(yīng)的處理方案。

圖6 IPM故障檢測(cè)電路

■2.3 系統(tǒng)供電電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)供電，選取直流電源作為系統(tǒng)中各個(gè)模塊作業(yè)供電工具。為了避免各個(gè)模塊之間的供電相互干擾，本系統(tǒng)供電采取相互隔離的方式供電，根據(jù)設(shè)備額定電壓情況，分別為其配備供電電路。該設(shè)計(jì)方案選取LM2576作為電路供電核心芯片，該芯片支持24V轉(zhuǎn)5V供電，在F2415S-2W設(shè)備的共同作用下，實(shí)現(xiàn)24V直流電與15V直流電之間的轉(zhuǎn)換?？紤]到系統(tǒng)硬件電路中其他設(shè)備供電需求，本電路中還增加了WRA2412YMD-6W模塊，利用該模型向各設(shè)備提供±12V供電。如圖7所示為供電電路。

圖7 供電電路

考慮到部分線路需要分壓，本設(shè)計(jì)方案選取TMS320 F2812作為控制裝置，將線路供電電壓范圍1.9V和3.3V。其中，控制裝置的核心芯片為TPS767D301，在此芯片的作用下，將供電電壓拆分為兩路，分別為可調(diào)電壓（范圍1.5～5.5V）、固定電壓3.3V。該線路電壓的控制，以調(diào)節(jié)供電順序的方式，切換引腳高電平/低電平。

3 系統(tǒng)測(cè)試分析

■3.1 試驗(yàn)測(cè)試環(huán)境

本次系統(tǒng)測(cè)試主要是為了檢驗(yàn)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)功能，按照系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方案連接硬件設(shè)備，搭建電機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)測(cè)試在CCSv3.3環(huán)境中開啟。其中，電機(jī)作業(yè)功率為1.3kW，電路中連接的電機(jī)負(fù)載為1.5kW。關(guān)于電機(jī)的主要參數(shù)設(shè)置，包括額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩、額定功率、額定電流和額定電壓，參數(shù)數(shù)值依次為2500r/min、5N?m、1.3kW、5A、220V。

■3.2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

本次試驗(yàn)中，設(shè)定電機(jī)的作業(yè)頻率為10kHz，轉(zhuǎn)速時(shí)間間隔設(shè)置為1ms，電流與電壓的采樣時(shí)間間隔為100sμ。根據(jù)電機(jī)作業(yè)環(huán)境需求，分別設(shè)置各個(gè)調(diào)節(jié)器參數(shù)數(shù)值。另外，給定電機(jī)轉(zhuǎn)速750r? min?1，單相交流電為150V。在定子磁鏈恒定情況下，利用示波器讀取轉(zhuǎn)速響應(yīng)、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)、直流母線電壓、a相電流、穩(wěn)態(tài)a相電流數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)波形顯示，轉(zhuǎn)速響應(yīng)上升耗費(fèi)600ms，穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)量都很小，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也比較小。由此可以判斷，系統(tǒng)調(diào)速作業(yè)靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能都很好。另外，相電流波形與正弦規(guī)律相符，且母線電壓輸出波形未出現(xiàn)脈動(dòng)，滿足穩(wěn)壓控制要求?？傮w來看，本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案，符合永磁同步電機(jī)控制要求，可以作為電機(jī)控制工具。

4 總結(jié)

本文圍繞永磁同步電機(jī)控制方法展開研究，選擇DSP控制器作為系統(tǒng)開發(fā)工具，嘗試開發(fā)一套電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案。本系統(tǒng)開發(fā)以主功率電路、信號(hào)檢測(cè)電路、系統(tǒng)供電電路為主，合理選擇電路控制芯片，并為其搭建硬件電路。綜合考慮系統(tǒng)作業(yè)對(duì)電路環(huán)境的要求，本系統(tǒng)添加了KBRC3510整流橋電路、軟啟動(dòng)等多種電路。測(cè)試結(jié)果顯示，本系統(tǒng)作業(yè)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差、超調(diào)量、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小，并且母線電壓輸出波形較為穩(wěn)定，符合系統(tǒng)開發(fā)要求。