基于IPM的三相無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

O 引言
    無(wú)刷直流電機(jī)因其體積小，重量輕，維護(hù)方便，高效節(jié)能等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。尤其隨著高性能的單片機(jī)和專門用途的DSP(Digital Signal Processor)微處理器和集IGBT模塊及其驅(qū)動(dòng)和保護(hù)于一身的智能功率模塊(Intelligent Power Module，IPM)的發(fā)展，使無(wú)刷直流電機(jī)的位置檢測(cè)和換相更加準(zhǔn)確穩(wěn)定。本文以DSP(TMS320LF2407A)作為核心的三相無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用雙極性PWM(PulseWidth Modulation)控制技術(shù)，利用智能功率模塊IPM(PM50RSAl20)，設(shè)計(jì)一種電機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)調(diào)速范圍寬，控制性能良好。

1 三相無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)
    三相無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由DSP控制模塊、智能功率模塊和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)模塊三大部分構(gòu)成。系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)模塊檢測(cè)到的電機(jī)位置信號(hào)，控制DSP輸出正確的6路PWM脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路以控制智能功率模塊中相應(yīng)功率管的通斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的正確供電，控制電機(jī)正常運(yùn)行。

2 TMS320LF2407A模塊的介紹
    TMS320LF2407A模塊主要由DSP芯片、電源、晶振、外擴(kuò)RAM和輸出引腳組成。TMS320LF2407A有兩個(gè)事件管理器EVA和EVB，每個(gè)模塊包括：兩個(gè)16位的通用定時(shí)器；8個(gè)16位的脈寬調(diào)制通道(PWM)，他們能夠?qū)崿F(xiàn)三相反相器控制，能捕獲位置信號(hào)，可產(chǎn)生可調(diào)死區(qū)的各種PWM波。該模塊在本控制系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)著重要的控制角色。
    DSP硬件的調(diào)試不但需要示波器等傳統(tǒng)的儀器，還需要專門的仿真套件，本文使用的是XDS510仿真器，該仿真器包括一個(gè)PC插卡和一個(gè)JTAG接口，通過(guò)該接口可以訪問DSP芯片的所有資源，而且同時(shí)可以設(shè)置斷點(diǎn)、單步執(zhí)行等，以檢驗(yàn)和調(diào)試所設(shè)計(jì)的目標(biāo)電路是否正確。

3 基于IPM控制電路的設(shè)計(jì)
    智能功率模塊IPM由高速、低功率的IGBT和優(yōu)選的門級(jí)驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路構(gòu)成。雖然IPM雖有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其內(nèi)部電路不含有防止干擾的信號(hào)隔離電路、自保護(hù)功能和浪涌吸收電路，為保證IPM安全可靠，需要設(shè)計(jì)這部分電路。
3．1 IPM外部驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
    IPM功率驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。為了保證強(qiáng)電部分和弱電部分電路的電氣隔離，需將控制部分和驅(qū)動(dòng)部分相互隔離。來(lái)自DSP的6路PWM信號(hào)經(jīng)電阻限流后經(jīng)高速光耦隔離并放大后接IPM內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路以控制相應(yīng)開關(guān)管工作。IPM的故障信號(hào)也需隔離之后送到DSP。UFO、VFO、WFO、FO分別為IPM內(nèi)部的上橋臂三路故障輸出信號(hào)和下橋臂一路故障輸出信號(hào)。這些內(nèi)部故障信號(hào)經(jīng)光耦PC817轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的故障輸出信號(hào)F01、F02、F03和F04。

    IPM用的隔離光耦要求上升沿延時(shí)tPLH<0．8μs，下降沿延時(shí)tPLH tPHL<0．8 μ s，共模抑制比CMR>10kV／μs，因此選用HCPL4504型高速光耦，且為了提高光耦的轉(zhuǎn)換速度，在光耦輸入端接1只0．1 μ F的退耦電容。
3．1．1 一路上橋臂驅(qū)動(dòng)電路
    以圖2中其中一路上橋臂為例來(lái)說(shuō)明驅(qū)動(dòng)電路工作原理，其中VUPI為電源+15V， VUPC為電源地，UP為驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的輸入端。由DSP輸出的一路上橋臂PWM信號(hào)和VCC分別接高速光藕HCPL4504的3、2管腳，當(dāng)PWM信號(hào)為低電平時(shí)，HCPL4504的5、6將會(huì)導(dǎo)通，從而使控制信號(hào)輸入IPM模塊UP端，控制相應(yīng)橋臂的IGBT導(dǎo)通。其中每個(gè)開關(guān)管的控制電源端采用獨(dú)立隔離的穩(wěn)壓15V電源，且接1只10 μ F的退耦電容器以濾去共模噪聲。R15根據(jù)HCPL4504光耦輸入電流要求(25mA)選取為200 Ω。R16根據(jù)IPM驅(qū)動(dòng)電流選取，且盡可能小以避免高阻抗IPM拾取噪聲，另一方面又要足夠可靠地控制IPM，本系統(tǒng)選為4．7k Ω。C9為2號(hào)端與地間的0．1 μF濾波電容(上橋臂其它兩路連接電路與其類似)。
    一般IPM需用四路獨(dú)立電源來(lái)防止內(nèi)部上下橋路發(fā)生直通短路，其中上橋臂每個(gè)IGBT需要一個(gè)單獨(dú)的隔離電源供電，共需3組；而下橋臂3個(gè)IGBT共用l組隔離電源供電。
3．1．2 三路下橋臂驅(qū)動(dòng)電路
    圖2中IPM模塊的三路下橋臂可由一路公共電源統(tǒng)一供電，VNI與VNC分別接電源的+15V與地。由DSP產(chǎn)生的三路PWM2、PWM4、PWM6信號(hào)輸入IPM的UN，VN，WN端，分別控制其下橋臂對(duì)應(yīng)的IGBT開關(guān)管的通斷。
3．2 IPM緩沖電路設(shè)計(jì)
    由于IPM在高頻開關(guān)過(guò)程和功率回路寄生電感等疊加產(chǎn)生的di／dt，dv／dt和瞬時(shí)功耗，給器件以較大的沖擊，易損壞器件。設(shè)置緩沖電路(即吸收電路)就是改變器件的開關(guān)軌跡，控制各種瞬態(tài)過(guò)電壓，降低器件開關(guān)損耗，保護(hù)器件安全運(yùn)行。

    圖3為常用的大功率IPM緩沖電路。R，C，VD值的選取原則為：一般電阻電容值按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取，如PM200DSA060電容值為0．47～2 μ F，耐壓值是IGBT的1．1～1．5倍，電阻值10～20Ω，電阻功率為
    式中：f為IGBT工作頻率；U為IGBT工作峰值電壓；C為緩沖電路與電阻串聯(lián)的電容。但RC時(shí)間常數(shù)應(yīng)設(shè)計(jì)為開關(guān)周期的1／3，即τ=T/3＝1／(3f)。二極管選用快恢復(fù)二極管。為保證緩沖電路的可靠性，可以根據(jù)功率大小選擇已封裝好的如圖3所示的專用緩沖電路。
3．3 IPM的保護(hù)電路
    在以DSP芯片為核心的控制系統(tǒng)中，利用DSP事件管理器中功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)引腳(PDPINT)中斷實(shí)現(xiàn)對(duì)IPM的保護(hù)。通常1個(gè)事件管理器產(chǎn)生的多路PWM可控制多個(gè)IPM工作，其中每個(gè)開關(guān)管均可輸出FO信號(hào)。圖4為IPM模塊故障信號(hào)輸出原理圖。三路上橋臂的故障信號(hào)和一路下橋臂的故障信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)7407的OC門之后再經(jīng)過(guò)一個(gè)上拉電阻就可直接輸入DSP的PDPINT引腳。正常工作時(shí)，所有的FO信號(hào)均為高電平，從而PDDPINT也為高電平，一旦任何一路橋臂有故障發(fā)生，則PDPINT變?yōu)榈碗娖?，從而觸發(fā)DSP的電源保護(hù)中斷，使其所有的PWM輸出引腳均呈高阻狀態(tài)，起到對(duì)IPM模塊的保護(hù)作用。

4 檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)
4．1 位置檢測(cè)和速度計(jì)算
    位置檢測(cè)不但用于換相，而且還用于產(chǎn)生速度控制量。本系統(tǒng)的位置信號(hào)是通過(guò)3個(gè)霍爾傳感器得到，每個(gè)霍爾傳感器都會(huì)產(chǎn)生180°脈寬的輸出信號(hào)。3個(gè)霍爾傳感器的輸出信號(hào)互差120°相位差。這樣在每個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)中共有6個(gè)上升或下降沿，正好對(duì)應(yīng)著6個(gè)換相時(shí)刻。將DSP設(shè)置為雙沿觸發(fā)捕捉中斷功能，就能獲得這6個(gè)時(shí)刻，再通過(guò)DSP的捕捉口檢測(cè)電平狀態(tài)，就可以判斷是哪個(gè)霍爾傳感器的什么沿觸發(fā)的捕捉中斷，確定了換相信息，就可以實(shí)現(xiàn)正確換相。位置信號(hào)還可以用于產(chǎn)生速度控制量，每個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)有6次換相，測(cè)得兩次換相的時(shí)間間隔，就可以計(jì)算出兩次換相間隔間的平均角速度。
4．2 電流檢測(cè)
    電流檢測(cè)電路由霍爾元件、運(yùn)算放大器和DSP內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換器組成。由于輸出電流信號(hào)較弱，需用同相放大器放大。對(duì)于三相電機(jī)，電流采樣只需在電機(jī)三相繞組的任意兩相上安裝兩個(gè)霍爾元件，來(lái)檢測(cè)電流信號(hào)。由于存在下列關(guān)系式：ia+ib+ic=0，因此只需檢測(cè)任意兩相的電流值，就可得到另外一相的電流值。在每個(gè)PWM周期對(duì)電流采樣一次，采樣時(shí)刻應(yīng)在PWM周期的"開"期間中部，通過(guò)DSP定時(shí)器啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5 軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件采用DSP的匯編語(yǔ)言編程，并進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)。軟件主要包括：主程序，初始化子程序、捕捉中斷子程序，A／D轉(zhuǎn)換子程序，顯示子程序等。其中主程序如圖5所示，主要實(shí)現(xiàn)以下功能。

    1)系統(tǒng)初始化程序：主要是對(duì)DSP，芯片TMS320LF2407A的某些系統(tǒng)控制寄存器和IO功能進(jìn)行設(shè)置：如時(shí)鐘倍頻，一些管腳定義為輸入IO還是基本功能管腳。
    2)變量初始化：該部分對(duì)使用到的常量賦值，并對(duì)一些需要初始值的變量賦初值。
    3)液晶顯示初始化：該部分主要完成對(duì)顯示器件JM1602C的初始化設(shè)置，如清顯示、輸入模式、光標(biāo)位置等。
    4)設(shè)置參考轉(zhuǎn)速子程序：該部分調(diào)用鍵盤程序設(shè)定參考轉(zhuǎn)速，調(diào)用顯示程序顯示設(shè)置的參考轉(zhuǎn)速。
    5)讀取位置信號(hào)：為了獲得位置信號(hào)，只要調(diào)用一次捕捉中斷服務(wù)程序，并可對(duì)電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)。
    6)調(diào)速并實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)速：程序?qū)⒃谶@里等待中斷，當(dāng)有中斷產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)中斷程序，當(dāng)在等待中斷時(shí)，根據(jù)定時(shí)器T1控制是否刷新顯示。

6 實(shí)驗(yàn)及結(jié)論
    應(yīng)用以上硬件電路，筆者完成了電機(jī)參數(shù)為額定功率lOOW，額定電壓220V，額定電流0．5A，額定轉(zhuǎn)速1500 r／mi n，用示波器測(cè)量其中一相波形實(shí)驗(yàn)，波形如圖6所示。圖6b是轉(zhuǎn)速在100r／min的U相電壓，圖6a是1000r／min時(shí)的U相電壓，探頭均衰減1 0倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：用DSP(TMS320LF2407A)為主控芯片，以IPM(PM50RSAl20)為功率驅(qū)動(dòng)電路，設(shè)計(jì)的三相無(wú)刷直流電機(jī)的啟動(dòng)和穩(wěn)速控制系統(tǒng)方案可行，系統(tǒng)安全可靠、簡(jiǎn)單實(shí)用。