基于DSP的直流無刷電機控制器的硬件設(shè)計

隨著電力電子技術(shù)，新的永磁材料以及具有快速運算能力的DSP（數(shù)字信號處理器）的發(fā)展，直流無刷電機應(yīng)用日益普及。直流無刷電機具有和直流電機相似的優(yōu)良調(diào)速性能，又克服了直流電機采用機械式換向裝置所引起的換向火花、可靠性低等缺點，且具有體積小、重量輕、效率高、電機的形狀和尺寸靈活等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用在伺服系統(tǒng)、數(shù)控機床、電動車輛和家用電器各領(lǐng)域，成為現(xiàn)代伺服技術(shù)的主方向。

    本文的主要內(nèi)容是基于DSP芯片MC56F8323的直流無刷電機控制器的硬件設(shè)計。主要包括電流環(huán)、速度位置環(huán)和IPM（智能功率模塊）驅(qū)動電路的硬件設(shè)計。

2  控制器系統(tǒng)設(shè)計

2.1  系統(tǒng)硬件框架設(shè)計

    MC56F8323是FREESCALE（飛思卡爾）半導(dǎo)體公司56800E系列的一款DSP芯片，內(nèi)置FLASH，在核心頻率為60MHz下運算速度可達到60MIPS（Million Instruction Per Second，每秒百萬條指令）。它所提供的大部分指令（包括乘法指令）均為單機器周期指令，且指令使用靈活、方便，具備進行復(fù)雜計算（如矢量運算）的能力；3.3V供電，兼容5V輸入；最多可達27個通用I/O口，且每一個I/O口均可配置為中斷輸入和配置為集電極開路輸出，增大驅(qū)動負載能力。

    這款DSP芯片是專門面向運動控制應(yīng)用的數(shù)字信號處理器，其上包括了電機控制所需要的主要功能模塊，如六路PWM模塊、正交編碼模塊、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、與外界通信的SPI（Serial Peripheral Interface，串行外圍接口）、SCI（Serial Communications Interface，串行通信接口）和CAN現(xiàn)場總線模塊。因此只需很少的系統(tǒng)元件就可以組成一個完整的伺服系統(tǒng)。其典型應(yīng)用硬件電路框圖如圖1所示。需要特別指出的是其內(nèi)部帶有PWM模塊，特別適用于電機控制。PWM模塊有6個輸出通道，從PWM0到PWM5，可以配置為3對互補的PWM信號或6個獨立的PWM信號，在互補通道下允許可編程的死區(qū)時間插入，通過電流狀態(tài)輸入或軟件獨立的頂/底通道脈寬校正和獨立的頂部、底部通道極性控制。
 

圖1  控制器硬件框圖

    由DSP內(nèi)置的PWM模塊產(chǎn)生六路PWM信號直接輸入IPM模塊，驅(qū)動電機。在控制算法中需要電機運行時的相電流，由兩個電流傳感器將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸入DSP內(nèi)置的AD模塊，該AD模塊有兩個獨立的轉(zhuǎn)換器，可以保證采集到的相電流是同時的。電機的轉(zhuǎn)速和位置的測量由外置的光電編碼器完成，由編碼器產(chǎn)生的兩路正交信號輸入DSP內(nèi)置的正交編碼模塊，就可由DSP計算電機的轉(zhuǎn)速和位置。人機接口通過DSP內(nèi)置的SCI、SPI和CAN現(xiàn)場總線模塊完成對電機各種參數(shù)的設(shè)定，同時監(jiān)視電機的運行狀況。

2.2  電流環(huán)的設(shè)計

    在直流無刷電機控制系統(tǒng)中，為了得到較好的控制性能，很多的控制算法如矢量控制等都需要知道電機定子的三相相電流。

    電流環(huán)主要是完成DSP對電機相電流的檢測，只需要采集兩相的電流根據(jù)KCL電流定理就可以知道三相的電流了。所采用電流傳感器為LEM（萊姆）公司的LTS6-NP，其為霍爾型電流傳感器，采用單極供電，具有出色的精度、良好的線性度、低溫漂和反應(yīng)時間快等特點，測量范圍靈活，可配置為從-3A～+3A、-6A～+6A和-19.2A～+19.2A，非常適用于電機的電流檢測。以最后一種配置為例，其輸出電壓與原邊電流曲線圖如圖2所示。
 

圖2  電流傳感器輸入輸出曲線圖

    現(xiàn)在很多的電路設(shè)計中采用在逆變橋的下橋臂上串接電阻分壓作為傳感器，將電阻上的電壓信號作為采樣信號。這種檢測方法非常簡單和便宜，但是很難做到電阻值穩(wěn)定不變，采樣精度不高，不能提供準確的電流值。而且反饋控制電路與主電路沒有隔離，萬一功率電路的高電壓通過反饋電路進入控制電路，將危及到控制系統(tǒng)的安全。并且在有些硬件條件下，如某些IPM模塊不提供下橋臂發(fā)射極開路，就不能實現(xiàn)使用電阻器進行相電流的測量。因此給出通用的解決方案。

    電流傳感器輸出電壓為模擬量，必須要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，DSP才能使用。MC56F8323帶有AD數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部有兩個獨立的轉(zhuǎn)換器（許多DSP芯片是不具備的），轉(zhuǎn)換精度為12位，轉(zhuǎn)換速度最快為每次同時掃描只需要5.3?s。ADC模塊最大時鐘頻率為5MHz，每個時鐘周期為200ns。第一個采樣需要8.5個ADC時鐘，以后每個采樣需要6個ADC時鐘，同時掃描采樣一共需要4個采樣，一共花26.5個時鐘周期，需要5.3us（26.5×200ns=5.3?s）。若采用同時掃描方式，由于內(nèi)部有兩個獨立AD轉(zhuǎn)換器可以同時對兩路信號進行采樣，這就可以保證采集到的兩路相電流是同時的，且ADC采樣可以通過同步信號和PWM信號同步。

2.3  速度位置環(huán)的設(shè)計

    速度位置環(huán)在電機控制中具有非常重要的作用，其檢測到的精確性直接反應(yīng)到對電機控制的精度。速度的測量方法有多種，如測速發(fā)電機、感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器、霍爾轉(zhuǎn)速傳感器、光電式轉(zhuǎn)速傳感器以及旋轉(zhuǎn)變壓器式轉(zhuǎn)速傳感器等。但目前調(diào)速系統(tǒng)速度和位置反饋控制中應(yīng)用較多的還是增量式光電編碼器，它不僅可以檢測電動機轉(zhuǎn)速，還可以測定電動機的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)子相對于定子的位置。其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
 

圖3  光電編碼器結(jié)構(gòu)圖

    光電編碼器的工作原理為：在刻度盤上均勻分布一定數(shù)量的小孔，有光透過時產(chǎn)生邏輯“1”信號，沒有透光時產(chǎn)生邏輯“0”信號，這樣從光敏傳感器就可以產(chǎn)生A、B兩路相位相差90度的正交信號。

    MC56F8323內(nèi)部帶有正交編碼模塊（quadrature decoder），從編碼器輸出的正交信號輸入DSP的PHASEA腳和PHASEB腳，內(nèi)部的正交編碼模塊將信號進行四倍頻，再由位置計數(shù)器計數(shù)從而可以確定轉(zhuǎn)子的速度和位置。如果PHASEA信號的相位領(lǐng)先于PHASEB信號，那么運動方向為正向，落后則為負向。其正交信號檢測時序如圖4所示。
 

圖4  正交信號檢測時序圖

    MC56F8323正交編碼模塊具有如下特點：PHASEA和PHASEB的輸入信號首先必須通過一個干擾信號濾波器，該濾波器可以數(shù)字延時，可以濾除毛刺，保證只有真正的信號才進行計數(shù)。同時對于只用單個信號的控制，均可配置為單個的脈沖計數(shù)。

    對于一個高速轉(zhuǎn)軸編碼器，轉(zhuǎn)軸速度可以通過計算每單位時間內(nèi)位置計數(shù)器的變化值來得到。對于低速電機，由于輸入PHASEA和PHASEB與通用定時器相連均可作為輸入捕捉引腳，可以利用定時器測量正交相位之間的時間周期來得到高分辨率的速度測量。定時器模塊利用一個16位的計數(shù)器，通過對總線時鐘的分頻來計數(shù)，40MHz的總線時鐘頻率最大可以得到102ms的計數(shù)周期。對于一個1000齒的編碼器來說，通過利用定時器測量速度可以精確測量到0.15轉(zhuǎn)每分。

2.4  IPM驅(qū)動電路設(shè)計

    IPM（智能功率模塊）驅(qū)動電路主要完成對DSP芯片產(chǎn)生的六路PWM信號的功率放大，驅(qū)動內(nèi)部的功率管從而實現(xiàn)對電機的驅(qū)動。

    IRAMS16UP60A PlugNDriveTM集成電源模塊（IPM）是IR公司iMOTION集成設(shè)計平臺系列的產(chǎn)品，它除了將6個高壓功率晶體管和驅(qū)動芯片IR2136等電路集成在一個小型絕緣封裝外，還具有過熱、過流、欠壓和內(nèi)置死區(qū)控制防止高端IGBT（絕緣柵雙極晶體管）和底端IGBT短路等保護功能，以確保操作安全以及系統(tǒng)可靠。此外，它還能夠由一個+15V直流電源來提供工作電壓，可以簡化其在電機驅(qū)動應(yīng)用中的使用，并由此加速最終產(chǎn)品的開發(fā)。其典型應(yīng)用電路圖如圖5所示。
 

圖5  IPM典型應(yīng)用原理圖

 

    與分立元件相比，模塊除了具有眾所周知的優(yōu)點（更小、更可靠、可視為單一元件）外，IRAMS16UP60A模塊還使設(shè)計者避免了在IGBT逆變器設(shè)計中常遇到的幾個問題：

?  模塊具有很低的電路電感，可以減小電壓尖峰，在較低的開關(guān)損耗下可以工作于較高的開關(guān)頻率；

?  所有低端和高端IGBT的傳輸延遲匹配，可以防止直流電流加到電機上；

?  內(nèi)置死去時間控制提供充足死區(qū)時間防止高端IGBT和低端IGBT短路；

?  故障安全工作確保過流過壓時停機，使設(shè)計者不用設(shè)計過流和過壓保護電路；

?  提供了溫度監(jiān)視和相電流檢測引腳。

3  結(jié)語

    本文詳細論述了采用MC56F8323 DSP為核心的直流無刷電機控制器的硬件設(shè)計，給出了電流環(huán)、速度位置環(huán)和IPM驅(qū)動電路的實際應(yīng)用電路。此硬件設(shè)計已成功應(yīng)用在國內(nèi)某高檔電腦平縫機上，性能優(yōu)異，部分指標達到行業(yè)領(lǐng)先水平。